发明专利｜一种智能直流微电网系统及控制方法

摘要：本发明公开的一种智能直流微电网系统及控制方法，属于电力系统新能源发电领域。本发明公开的一种智能直流微电网系统，包括电源模块、负荷模块、储能模块、并网控制器、智能直流微电网连接功率电路、智能直流微电网通信总线、智能直流微电网预测和优化控制模块、监控模块。本发明还公开用于上述的一种智能直流微电网系统的控制方法，以及用于上述的一种智能直流微电网系统实现即插即用的控制方法。本发明要解决的技术问题是实现充分发挥微电网分布式控制的优点，从而提高微电网可靠性，并改善微电网双向信息通讯能力和系统可扩展性。

申请人：北京理工大学

发明人：马中静 陆志成 段宏 邵云峰 杨楠 汪小娟

1 .一种智能直流微电网系统，其特征在于：包括电源模块(1)、负荷模块(2)、储能模块(3)、并网控制器(4)、智能直流微电网连接功率电路(5)、智能直流微电网通信总线(6)、智能直流微电网预测和优化控制模块、监控模块(7);所述的电源模块(1)、负荷模块(2)、储能模块(3)、并网控制器(4)、智能直流微电网连接功率电路(5)、智能直流微电网通信总线(6)、智能直流微电网预测和优化控制模块、监控模块(7)数量为一个及以上;

所述的电源模块(1)用于向智能直流微电网系统提供电能，包括分布式电源(11)及与其相连的最大功率跟踪器(12);所述的最大功率跟踪器(12)集成有电压电流传感器模块、微控制器模块、CAN总线通信模块和故障处理模块;

所述的负荷模块(2)包括负荷(21)、变换器(22)，变换器(22)与负荷(21)相连;所述的变换器(22)集成有电压电流传感器模块、微控制器模块、CAN总线通信模块和故障处理模块;所述的负荷(21)指任选不可控负荷或可控负荷之一，所述的变换器(22)指任选DC/DC变换器或DC/AC变换器之一;

所述的储能模块(3)用于通过电能储存或释放调节智能直流微电网系统功率平衡，包括蓄电池(31)、超级电容(31)等储能装置和双向DC/DC变换器(32)，双向DC/DC变换器(32)分别与蓄电池、超级电容等储能装置相连;所述的双向DC/DC变换器(32)集成有电压电流传感器模块、微控制器模块、CAN总线通信模块和故障处理模块;

所述的并网控制器(4)选用双向DC/AC控制器，用于调节直流微电网系统的功率平衡，并且用于智能直流微电网系统并网或孤岛运行状态的控制;所述的双向DC/AC控制器集成有电压电流传感器模块、微控制器模块、CAN总线通信模块和故障处理模块;

所述的智能直流微电网连接功率电路(5)用于智能直流微电网系统电源模块(1)、负荷模块(2)、储能模块(3)和并网控制器(4)之间的连接，并用于智能直流微电网系统电源模块(1)、负荷模块(2)、储能模块(3)和并网控制器(4)之间的电能传输;

所述智能直流微电网通信总线(6)用于电源模块(1)、负荷模块(2)、储能模块(3)、并网控制器(4)、智能直流微电网预测和优化控制模块和监控模块(7)之间的高速双向信息通信;

所述智能直流微电网预测和优化控制模块用于预测和优化电源模块(1)、负荷模块(2)和储能模块(3)运行状态;所述智能直流微电网预测和优化控制模块使用预测和优化算法得到实时控制指令和预测控制指令，并通过智能直流微电网通信总线(6)发送给电源模块(1)、负荷模块(2)和储能模块(3);所述监控模块(7)包括监控硬件和监控软件，硬件根据使用需求任意选择PC机或者服务器;软件包括智能直流微电网预测和优化控制模块算法和智能直流微电网系统监控人机交互软件平台。

2.如权利要求1所述的一种智能直流微电网系统，其特征在于：所述的最大功率跟踪器(12)、变换器(22)、双向DC/AC控制器和双向DC/DC变换器(32)均集成有电压电流感器模块、微控制器模块、故障处理模块，用于直流微电网电能质量控制、故障动作等暂态控制，充分发挥智能直流微电网系统分布式控制的优势，并且能够提高直流微电网可靠性;所述的最大功率跟踪器(12)、变换器(22)、双向DC/AC控制器和双向DC/DC变换器(32)均集成有CAN总线通信模块，集成的CAN总线通信模块通过直流微电网通信总线(6)相连接，能够改善智能直流微电网系统的双向信息通信能力和系统的扩展性;所述智能直流微电网预测和优化控制模块生成的优化指令包括实时指令和预测指令;通信正常时，智能直流微电网系统根据实时指令运行;当通信故障时，智能直流微电网系统能根据预测指令继续运行，改善传统直流微电网可靠性。

3.如权利要求1或2所述的一种智能直流微电网系统，其特征在于：所述CAN总线通信模块主动与监控模块(7)校对时钟，所有的最大功率跟踪器(12)、变换器(22)、双向DC/AC控制器(4)和双向DC/DC变换器(32)与监控模块保持时钟一致;同时CAN总线通信具有良好的双向通信能力、简单易扩展，有利于智能直流微电网系统的双向信息通信和系统的扩展。

4.如权利要求1或2所述的一种智能直流微电网系统，其特征在于：所述智能直流微电网预测和优化控制模块用于生成控制直流微电网潮流优化的预测优化指令和实时优化指令;所述潮流优化基于日用电价格最低的优化算法，达到用电价格最低的目的，或者优选基于智能直流微电网系统运行总损耗最小的优化算法，达到节约能源，提高能源利用率的目的。

5.如权利要求1或2所述的一种智能直流微电网系统，其特征在于：还包括过压保护装置、过流保护装置和短路保护装置。

6.用于权利要求1至5任意一项所述的一种智能直流微电网系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：智能直流微电网预测和优化控制模块获取外部信息和智能直流微电网系统的电源模块(1)、负荷模块(2)、储能模块(3)和并网控制器的模块运行实时信息;

步骤二：智能直流微电网预测和优化控制模块使用预测和优化控制算法生成预测优化指令和实时优化指令，并通过CAN总线通信模块下发给电源模块(1)、负荷模块(2)和储能模块(3);CAN总线通信具有良好的双向通信能力、简单易扩展，有利于智能直流微电网系统的双向信息通信和系统的扩展;

步骤三：检测智能直流微电网系统通信状态;智能直流微电网系统通信正常可用时，电源模块(1)、负荷模块(2)和储能模块(3)接受并执行实时控制指令，同时接收并存储预测控制指令;智能直流微电网系统通信异常时，电源模块(1)、负荷模块(2)和储能模块(3)提取已储存的预测控制指令，并按照预测控制指令运行，同时报警并等待通信恢复;智能直流微电网系统通信异常使用已储存的预测控制指令能够提高智能直流微电网系统的可靠性;

步骤四：电源模块(1)、负荷模块(2)、储能模块(3)和并网控制器分别在实时控制指令的控制下独立运行，实现分布式控制的优点，能够提高智能直流微电网系统的可靠性;

步骤五：电源模块(1)、负荷模块(2)、储能模块(3)和并网控制器自身集成的电压电流传感器测量得到模块运行实时信息，并传输给智能直流微电网预测和优化控制模块;

步骤六：重复上述步骤一到步骤五，使智能直流微电网系统实现持续可靠、高效和安全地运行。

7.如权利要求6所述的一种智能直流微电网系统的控制方法，其特征在于：所述的并网控制器不接受智能直流微电网预测和优化控制模块的控制信息而独立运行，用于补偿因为计算误差和外部扰动引起的功率不平衡，并用于智能直流微电网系统的并网运行状态或孤岛运行状态的控制。

8.如权利要求6所述的一种智能直流微电网系统实现的控制方法，其特征在于：所述的智能直流微电网预测和优化控制模块使用预测和优化控制算法优选基于日用电价格最低 的优化算法，达到用电价格最低的目的，或者优选基于智能直流微电网系统运行总损耗最小的优化算法，达到节约能源，提高能源利用率的目的。

9.如权利要求6所述的一种智能直流微电网系统的控制方法，其特征在于：所述的电源模块(1)、负荷模块(2)、储能模块(3)具有即插即用(Plug-and-Play)功能。

10.如权利要求9所述的一种智能直流微电网系统的控制方法，其特征在于：实现即插即用(Plug-and-Play)的控制方法包括如下步骤，

步骤1：新接入的模块接入上述的智能直流微电网系统，包括功率电路的接入和通信电路的接入;

步骤2：控制器对CAN总线通信进行初始化，配置CAN总线通讯节点模块的地址，特征码信息;

步骤3：新接入的模块主动向监控模块(7)发送时钟校对请求，并下一周期接受监控模块(7)的时钟信息，完成与监控模块(7)的时钟校对，保持整个智能直流微电网系统时钟一致;

步骤4：新接入的模块向智能直流微电网预测和优化控制模块发送设备信息;

步骤5：新接入的模块进行功率电路初始化，完成故障继电器开关自检和电容预充电;

步骤6：基本初始化完成后，开始接受预测控制指令和实时控制指令;

步骤7：新接入的模块按照控制指令运行;

步骤8：重复步骤6和步骤7，新接入的设备进入正常运行状态。

技术领域

本发明属于电力系统新能源发电领域，微电网系统领域，特别涉及一种智能直流微电网系统及控制方法。

背景技术

微电网系统主要包括电源模块、负荷模块、储能模块和必要的通信与控制模块组成。微电网系统的发电单元多使用清洁的可再生能源，符合国家智能电网战略的要求，因此发展十分迅速。微电网与传统大电网相比，具有低电压、低成本、低污染、高效率的特点。并且微电网可以并网运行和孤岛运行，能够改善能源结构，提高能源利用率。同时相比于交流微电网而言，直流微电网具有结构简单，控制方便等优点，具有更大的发展潜力。

直流微电网是分布式电源模块及相关负荷模块、储能模块按照一定拓扑结构(如总线结构、环形母线结构等)组成的网络，但是目前的直流微电网多采用集中控制的方法，无法凸显直流微电网分布式的特点。并且集中式控制依赖于可靠的信息通信技术，但目前的直流微电网系统通信技术的可靠性不足以满足微电网长期稳定运行的需求。

国家智能电网战略同时要求实现高速的双向信息通信。目前大部分直流微电网平台多采用RS232或者RS485串行总线。RS232和RS485都有一些明显的缺点，包括通信距离短、总线利用率低、不易扩展等。