本發明涉及一種戶用型直流分布式發電系統，具體說是涉及一種直流住宅微電網系統及電壓補償控制方法。

背景技術：

隨著常規能源緊缺及環境污染問題逐漸凸顯，可再生清潔能源發電在總發電量中所占比重逐步增加。由于可再生能源諸如光伏電池產生的是直流電，在交流電網中應用這類能源時，需要將直流電轉換成交流電，在DC/AC變換過程中，會出現諸如需要DC/AC變換器，能量損耗及無功功率等問題。同時由于許多家用電器趨向使用直流電或者含有直流環節的變換器，比如LED照明設備、手機電腦等電子設備使用直流電工作，洗衣機、空調和冰箱等設備使用含有直流環節的變頻器驅動，因此使用直流電為家用電器提供電能已經成為當前的發展趨勢，因此很有必要在家庭住宅中推廣使用直流供電系統。

直流微電網系統無需考慮無功功率流，直流母線電壓穩定是衡量系統功率平衡的主要指標。為了保證直流住宅微電網內家用電器正常運行，需要選擇合適的協調控制策略，將直流母線電壓控制在允許范圍內。目前直流微電網系統大多采用電壓下垂控制，每個微電源具有獨立的下垂關系，通過設置合適的下垂系數，實現系統功率快速分配，維持系統為穩定運行，無需通信線路或者使用低速通信即可完成控制。但下垂控制會影響電壓控制精度，使得直流母線電壓下降，屬于有差調節，不利于直流住宅微電網系統內負載穩定運行。

技術實現要素：

本發明是為了避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種家庭住宅的直流微電網系統及電壓補償方法，實現直流住宅微電網系統微源和家庭負荷穩定運行。控制對象是直流住宅微電網系統各變換器單元，利用低寬帶通訊系統采集負載電流信息，對變換器進行二次調節，抵消下垂控制帶來的直流母線電壓波動，維持直流住宅微電網系統穩定運行。

本發明為解決技術問題采用如下技術方案：

本發明直流住宅微電網系統的特點是：所述直流住宅微電網系統包含高壓直流母線B_H、中壓直流母線B_M、低壓直流母線B_L、儲能單元、并網單元、可再生能源發電單元和家用電器負荷；

所述高壓直流母線B_H通過Buck變換器Con1與中壓直流母線B_M連接；所述中壓直流母線B_M通過Buck變換器Con2與低壓直流母線B_L連接；所述儲能單元包括蓄電池組，所述蓄電池組通過雙向Buck/Boost變換器Con3與高壓直流母線B_H連接；所述并網單元包括雙向DC/AC變換器Con4和變壓器，所述并網單元與高壓直流母線B_H連接；所述可再生能源發電單元包括n組光伏陣列，n為正整數，所述n組光伏陣列分別通過各自支路中的Boost變換器與高壓直流母線連接B_H；所述家用電器負荷包括與高壓直流母線B_H相連接的高壓直流負荷、與中壓直流母線B_M相連接的直流照明負荷，以及與低壓直流母線B_L相連接的電子類負荷。

本發明直流住宅微電網系統的特點也在于：所述直流住宅微電網系統按如下方式在離網運行和并網運行之間自動切換：

對于離網運行的直流住宅微電網系統，可再生能源發電單元與家用電器負荷的功率差額由儲能單元存儲或者補償，在儲能單元儲能已滿或出力受限時，切換為并網運行，所述功率差額由并網單元吸收或者補償，實現所述直流住宅微電網系統內功率平衡；

對于并網運行的直流住宅微電網系統，可再生能源發電單元和家用電器負荷的功率差額優先由儲能單元吸收或者補償，在儲能單元吸收或者補償能力不足時，剩余功率由并網單元吸收或者補償，若并網單元出力受限或故障，則切換為離網運行，所述功率差額由儲能單元補償，實現所述直流住宅微電網系統內功率平衡。

本發明用于直流住宅微電網系統的電壓補償控制方法的特點是：所述Buck/Boost變換器Con3、雙向DC/AC變換器Con4，以及n組光伏陣列各支路中的Boost變換器均采用下垂控制方法，將直流住宅微電網系統的負載總電流I_lt通過電壓補償環節疊加到各變換器下垂控制的參考電壓V_bi中，實現直流母線電壓補償控制。

本發明電壓補償控制方法的特點也在于：所述下垂控制方法是按如下過程進行：

令：n組光伏陣列各支路中的Boost變換器分別為Con5,Con6,…,Con(4+n)；

對變換器Coni應用下垂控制，i＝3,4,…，4+n；

變換器Coni下垂控制的參考電壓V_bi由式(1)計算獲得：

V_bi＝V_o-I_i(R_di+R_i) (1)

式(1)中，I_i為變換器Coni的輸出電流，V_o為與變換器Coni所連接的高壓直流母線B_H的電壓參考值，R_di為下垂控制應用于變換器Coni時的下垂虛擬電阻，R_i為變換器Coni與所連接的高壓直流母線B_H之間的線路等效電阻；

所述直流住宅微電網系統的電壓補償方法，是通過一個電壓補償環節后將補償電壓ΔV疊加到變換器Coni下垂控制的參考電壓V_bi上，獲得變換器Coni的補償參考電壓V^*_bi：

補償電壓ΔV為：ΔV＝I_ltK_t

其中，I_lt為所述直流住宅微電網系統的負載總電流，K_t為電壓補償環節的比例系數；

所述直流住宅微電網系統的負載總電流I_lt按如下方式獲得：

采樣獲得所述直流住宅微電網系統各變換器Coni的輸出電流I_i，利用低帶寬通信系統傳輸到中央控制器，在中央控制器中按式(3)計算獲得負載總電流I_lt：

所述比例系數K_t按式(4)計算獲得：

由式(1)、式(2)和式(4)獲得變換器Coni的補償后參考電壓V^*_bi如式(5)：

以變換器Coni的補償后參考電壓V^*_bi作為變換器內環G_Vi(s)的輸入參考信號，通過PWM調制得到變換器開關管驅動脈沖。

本發明電壓補償控制方法的特點也在于：

若有R_di>>R_i，則忽略線路電阻對下垂特性的影響，所述比例系數K_t簡化為按式(6)計算獲得：

與現有技術相比，本發明的有益效果體現在：

1、本發明直流住宅微電網系統采用分層結構，三個電壓等級應用靈活，能夠給不同電壓等級家用電器負荷提供電能，控制方法簡便。

2、本發明直流住宅微電網系統將太陽能作為系統主要電能來源，以光伏發電功率與負荷功率的大小關系作為系統并網運行和離網運行的自動切換條件，運行方式靈活，可靠性高，結合優化調度方法可以提高系統經濟性。

3、本發明直流住宅微電網的電壓補償控制方法，能夠補償下垂控制引起的直流母線電壓偏差，提高直流母線電壓控制精度，有利于直流住宅微電網系統穩定運行。

4、本發明采用電壓補償方法用于實現直流母線電壓補償屬于上層控制，下垂控制用于實現變換器輸出電壓控制屬于底層控制；上層控制與底層控制相結合的控制方法，可以提高系統控制精度和可靠性。同時采用低帶寬通信系統可降低對系統內通信質量的要求，有利于節約成本。

5、本發明在線路等效電阻小下垂虛擬電阻十倍以上時，利用化簡的電壓補償環節的比例系數，能夠簡化電壓補償的控制過程。

附圖說明

圖1為本發明中直流住宅微電網系統拓撲圖；

圖2為本發明中電壓補償控制方法框圖；

圖3本發明中系統電壓補償環比例系數與單個變換器下垂虛擬電阻關系圖；

圖4為本發明中電壓補償方法原理圖；

圖5a、圖5b和圖5c分別為本發明直流住宅微電網系統并網運行時各微源及負載功率，直流母線電壓，以及逆變器輸出電壓電流實施效果示意圖；

圖6a、圖6b和圖6c分別為本發明直流住宅微電網系統并網轉離網運行時各微源及負載功率，直流母線電壓逆變器輸出電壓電流實施效果示意圖；

具體實施方式

參見圖1，本實施例中直流住宅微電網系統包含高壓直流母線B_H、中壓直流母線B_M、低壓直流母線B_L、儲能單元、并網單元、可再生能源發電單元和家用電器負荷。

本實施例中，高壓直流母線電壓V_H為380V，中壓直流母線電壓V_M為48V，低壓直流母線電壓V_L為24V；高壓直流母線B_H通過Buck變換器Con1與中壓直流母線B_M連接；中壓直流母線B_M通過Buck變換器Con2與低壓直流母線B_L連接；儲能單元包括蓄電池組，蓄電池組通過雙向Buck/Boost變換器Con3與高壓直流母線B_H連接；并網單元包括雙向DC/AC變換器Con4和變壓器，并網單元與高壓直流母線B_H連接；可再生能源發電單元包括n組光伏陣列，圖1所示光伏陣列1…光伏陣列n，n為正整數，n組光伏陣列分別通過各自支路中的Boost變換器與高壓直流母線連接B_H；家用電器負荷包括與高壓直流母線B_H相連接的高壓直流負荷1、與中壓直流母線B_M相連接的直流照明負荷2，以及與低壓直流母線B_L相連接的電子類負荷，圖1所示電子類負荷有電子類負荷3和電子類負荷4。

本實施例中直流住宅微電網系統按如下方式在離網運行和并網運行之間自動切換：

對于離網運行的直流住宅微電網系統，可再生能源發電單元與家用電器負荷的功率差額由儲能單元存儲或者補償，在儲能單元儲能已滿或出力受限時，切換為并網運行，功率差額由并網單元吸收或者補償，實現直流住宅微電網系統內功率平衡。

對于并網運行的直流住宅微電網系統，可再生能源發電單元和家用電器負荷的功率差額優先由儲能單元吸收或者補償，在儲能單元吸收或者補償能力不足時，剩余功率由并網單元吸收或者補償，若并網單元出力受限或故障，則切換為離網運行，功率差額由儲能單元補償，實現直流住宅微電網系統內功率平衡。

本實施例中用于直流住宅微電網系統的電壓補償控制方法是：Buck/Boost變換器Con3、雙向DC/AC變換器Con4，以及n組光伏陣列各支路中的Boost變換器均采用下垂控制方法，將直流住宅微電網系統的負載總電流I_lt通過電壓補償環節疊加到各變換器下垂控制的參考電壓V_bi中，實現直流母線電壓補償控制。

本實施例中下垂控制方法按如下過程進行：

令：n組光伏陣列各支路中的Boost變換器分別為Con5,Con6,…,Con(4+n)；

對變換器Coni應用下垂控制，i＝3,4,…，4+n；

變換器Coni下垂控制的參考電壓V_bi由式(1)計算獲得：

V_bi＝V_o-I_i(R_di+R_i) (1)

式(1)中，I_i為變換器Coni的輸出電流，V_o為與變換器Coni所連接的高壓直流母線B_H的電壓參考值，R_di為下垂控制應用于變換器Coni時的下垂虛擬電阻，R_i為變換器Coni與所連接的高壓直流母線B_H之間的線路等效電阻。

直流住宅微電網系統的電壓補償方法，是通過一個電壓補償環節后將補償電壓ΔV疊加到變換器Coni下垂控制的參考電壓V_bi上，獲得變換器Coni的補償參考電壓V^*_bi：

補償電壓ΔV為：ΔV＝I_ltK_t

其中，I_lt為直流住宅微電網系統的負載總電流，K_t為電壓補償環節的比例系數；

直流住宅微電網系統的負載總電流I_lt按如下方式獲得：

采樣獲得直流住宅微電網系統各變換器Coni的輸出電流I_i，利用低帶寬通信系統傳輸到中央控制器，在中央控制器中按式(3)計算獲得負載總電流I_lt：

比例系數K_t按式(4)計算獲得：

由式(1)、式(2)和式(4)獲得變換器Coni的補償后參考電壓V^*_bi如式(5)：

以變換器Coni的補償后參考電壓V^*_bi作為變換器內環G_Vi(s)的輸入參考信號，通過PWM調制得到變換器開關管驅動脈沖。

若有R_di>>R_i，則忽略線路電阻對下垂特性的影響，比例系數K_t簡化為按式(6)計算獲得：

具體實施中，直流住宅微電網中央控制器通過通信線路與系統各個變換器相連，為降低成本，低帶寬通信系統可以采用總線形式，如R485、CAN總線，各變換器采用同時存儲運行信息，再逐一上傳的通信方式。

本實施例中電壓補償控制方法如圖2所示，通過一個前饋通道采集直流住宅微電網系統負載總電流I_lt，通過一個電壓補償環節后疊加到下垂控制的參考電壓V_bi上，補償因下垂控制引起的電壓偏差，實現直流母線電壓穩定控制。

圖4所示為電壓補償原理，加入電壓補償控制前，系統工作運行點為op0，加入補償后，系統內負載工作運行點變為op1，op2和op3，以恒功率負載CPL補償前后的工作運行點op0和op1為例，加入補償后直流電流小于補償前直流電流，即直流住宅微電網系統電壓補償控制方法能夠減小直流負載電流，使直流母線電壓恢復為參考值。

圖3所示為系統電壓補償環節比例系數與單個變換器下垂虛擬電阻關系圖，其中K₁和K₂為含有兩臺變換器的系統中每一臺變換器的下垂虛擬電阻，K_t為電壓補償后這個系統的電壓補償環節比例系數，系統電壓補償環比例系數總是小于單個變換器下垂虛擬電阻，微源并聯運行時的臺數越多，直流母線電壓降會減少。

仿真驗證：

對圖1所示的直流住宅微電網系統進行了原理仿真驗證，仿真結果分別如圖5a，圖5b，圖5c，圖6a，圖6b，圖6c所示。

圖5a、圖5b和圖5c分別為直流住宅微電網并網運行時，改變光伏輸出功率和負載功率，系統功率波形，直流母線電壓波形和逆變器輸出電壓電流波形；假設初始狀態下，直流住宅微電網系統各單元初始功率為：負載功率為10kw，光伏總功率為12.1kw，光伏功率大于負載功率，蓄電池充電吸收光伏多余功率；t＝0.2s時，光伏輸出總功率下降為7.8kW，光伏輸出無法滿足負載需求，蓄電池放電補充負載缺額功率；t＝0.35s時，負載功率由10kW上升為15.5kW，蓄電池以最大能力放電仍然無法滿足負載需求，啟動并網單元，由大電網補充余下缺少的功率；這整個過程中直流微電網系統內功率發生動態變化，系統功率維持平衡，直流母線電壓能夠維持在380V。

圖6a、圖6b和圖6c分別為直流微電網系統由并網運行轉為孤島運行時，系統各單元功率波形，直流母線電壓波形和逆變器輸出電流波形；t＝0.55s時，直流微電網系統由并網狀態轉為孤島運行，從前述第一種運行狀態分析可知，光伏和蓄電池共同工作都無法滿足負載所需功率，此時需要對負載采取合適控制策略，令負載降功率運行，從功率波形圖可以看出，此時負載功率降低，系統總功率仍然維持平衡。

本發明一種直流住宅微電網系統及電壓補償方法，基于電壓差額平移思想，通過一個前饋通道，將負載總電流通過一個電壓補償環節疊加到本地變換器下垂控制，具體就是利用低寬帶通訊系統采集負載電流信息，對變換器進行二次調節，抵消下垂控制帶來的直流母線電壓波動，維持直流住宅微電網系統穩定運行。