直流微电网的功率共享制造技术

提供了使用虚拟阻抗频率下垂控制的DC网络中的功率共享技术。在一个方面，一种用于具有连接到至少一个负载的多个电能产生源的DC网络中的功率共享的方法包括以下步骤：在每个电能产生源处：生成可控DC电压；在DC电压的顶部叠加可控AC信号；使用虚拟阻抗频率下垂控制来调节AC信号；并且使用调节的AC信号确定期望的DC电压输出。然后可以调节DC电压以匹配所需的直流电压输出。还提供了用于DC网络中的功率共享的系统。

Power sharing of DC microgrid

Power sharing technology in DC network using virtual impedance droop control is provided. In one aspect, a method of power sharing in a DC network with a plurality of power generation sources connected to at least one load includes the following steps: generating a controllable DC voltage at each power generation source; superposing a controllable AC signal at the top of the DC voltage; using the virtual impedance frequency droop control to regulate the AC signal; And use the adjusted AC signal to determine the expected DC voltage output. The DC voltage can then be adjusted to match the required DC voltage output. A system for power sharing in an DC network is also provided.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】直流微电网的功率共享
本专利技术涉及功率共享，并且更具体地涉及用于通过在DC电压的顶部叠加小的交流(AC)电压来使用虚拟阻抗频率下垂控制的直流(DC)网络中的功率共享技术。
技术介绍
目前，供应给最终用户的大部分电能作为交流电或AC来传输。其历史原因在于：在电网的早期，没有电力电子设备，交流电的主要优点之一是它可以很容易地转换为高电压进行传输(减少损耗)，然后再转换为为最终用户提供低电压(以提高安全性)。然而，整个能源行业正在开始使用直流(DC)网络而不是AC网络。有许多有力的论据支持这一点：今天的电力电子技术意味着AC的原有优势不再相关；在很高的电压下，直流输电实际上比交流输电更有效；并且在低电压下，DC网络更容易维护并且具有更少的问题(例如，没有谐波)。然而，也许支持DC网络的最重要的论点是大多数最终用户负载和源实际上已经是基于DC的。目前通常采用本地产生的直流电(例如来自光伏电池板)并使用逆变器将其转换为交流电。然而，大多数情况下，最终用户设备中的电源将其接收的交流电转换回直流电。参见例如Singh等人的“直流微电网与地方电力的属性”，IEEESpectrum(2014年2月发布)。与此同时，整个能源行业存在大的趋势朝向分布式网络和微电网发展。通常，微电网已经使用柴油发电机等来源来产生交流电。越来越多的这些应用发现使用可再生能源(例如太阳能)和能量储存的组合来提供其能量需求是成本有效的。这些来源更适合于DC。然而，DC网络的操作中的一个挑战是确保在源之间存在适当的功率共享。即，许多微电网将有多个电池(或发电站点)。如果它们与它们提供的负载处于不同的距离(即，不同的阻抗)，则由于电网络的性质，将会有不同的电源提供不均匀的功率量。例如，如果第一源和第二源分别与负载具有距离L1和L2，并且L2>L1，则由于到负载的距离更大/阻抗更大，从第一源将需要更多的功率提取到为负载供电。如果电源之间的功率分配未被解决，则可能的风险/缺点包括：微电网的稳定性降低；能量存储装置的不均匀放电(和充电)；能量存储或分布式发电设备老化和更换率较高；和不可预测的资产更换时间表。如在Schiffer等人的“用于微电网中的无功分享的基于共识的分布式电压控制”，EuropeanControlConference(ECC)第13版第1299-1305页，法国斯特拉斯堡(2014年6月)，DC微电网中的有功功率共享问题在某些方面类似于AC微电网中的无功功率共享问题。然而，大多数现有方法使用外部通信基础设施，其可能是昂贵的并且可能引入漏洞和复杂性。因此，强烈需要稳定，简单的解决方案来确保DC网络中的多个能量源之间的平衡的功率共享。
技术实现思路
本文提供了用于通过在DC电压的顶部叠加小的交流(AC)电压来使用虚拟阻抗频率下垂控制来在直流(DC)网络中进行功率共享的技术。在本专利技术的一个方面中，提供了一种用于具有连接到至少一个负载的多个电能产生源的DC网络中的功率共享的方法。该方法包括以下步骤：在每个电能产生源处：产生可控DC电压；在DC电压的顶部叠加可控交流(AC)信号；使用虚拟阻抗频率下垂控制来调节AC信号；并且使用调节的AC信号确定期望的DC电压输出。然后可以调节直流电压以匹配所需的直流电压输出。在本专利技术的另一方面中，提供了一种用于DC网络中的功率共享的系统。该系统包括：连接到至少一个负载的多个电能产生源。每个电能产生源包括：控制器，配置为控制由电能产生源生成的DC电压，通过电能产生源控制叠加在DC电压之上的AC信号，并且使用虚拟阻抗频率下垂控制调节AC信号；以及处理器装置，用于使用调节的AC信号来确定期望的DC电压输出。通过参考以下详细描述和附图，将获得对本专利技术的更完整的理解以及本专利技术的进一步的特征和优点。附图的简要说明图1示出根据本专利技术实施例的示例性直流(DC)网络的框图；图2示出根据本专利技术实施例的用于DC网络(诸如图1中的DC网络)中的功率共享的示例性方法的图；图3示出根据本专利技术的实施例的确保DC微电网系统中精确的功率共享的本分布式方法的示例性实现的框图；和图4示出根据本专利技术实施例的用于执行这里给出的一个或多个方法的示例性装置的图。具体实施方式虽然功率共享的概念已经在交流电或交流电网中得到解决，但是目前不存在用于直流电或直流电网中的电力共享的可行解决方案。有利的是，本文提供了用于允许DC网络中的多个能量源向网络中正在抽取功率的任何负载提供期望量的功率的技术。如将在下面详细描述的，这是通过引入低振幅高频AC分量来修改每个能量源处的DC电压来实现的。该AC分量允许将频率下垂原则(整个AC网络中使用)应用于系统。如本领域中已知的，AC系统中的频率下垂控制确保适当的实际功率共享，而不管线路阻抗分布如何。例如参见Simpson-Porco等人的文章“异步微电网中下垂控制的逆变器的同步和功率共享”，Automatica，第49卷，第9期，第2603-2611页(2013年9月)(下称“Simpson-Porco”)。仅作为示例，AC电压的幅度是DC电压的一部分(例如，从大约0.1％至大约1％，以及其间的范围)，并且仅作为示例，AC电压的频率可以从大约50Hz到大约60Hz之间。在电网的传统管理中，大型发电机(基于旋转机器的电压源)具有其自身的大输出电感，并且传输线也具有高电感。这允许实施标准控制方法(下垂控制)。在小(低电压)AC网络中，线路阻抗主要是电阻性的。与旋转电机不同，逆变器(作为电压源工作)不具有任何输出电感。没有电感，传统的方法，如下垂控制，不起作用。因此，引入虚拟阻抗作为逆变器的输出电感，以确保可以再次使用下垂控制。相比之下，在DC网络中，不仅没有电感，而且也没有标准(下垂)控制方法也需要的正弦电压信号。因此，为了施加下垂控制，需要虚拟阻抗和AC电压。有利地，本专利技术通过在现有DC电压的顶部施加小的AC电压来提供用于DC网络中的下垂控制的解决方案。结合发电源逆变器中的虚拟阻抗，可实现“小规模”下垂控制。小规模下垂控制确保AC分量上的功率共享，但不保证DC分量上的功率共享。然而，稳态AC分量成比例地反映了DC侧的期望功率共享行为。因此，如下面将详细描述的那样，实现控制机制(在此也简称为“控制器”)，该控制机构将期望的DC电流(通过比例缩放AC分量获得)与目前正在输出的DC电流之间的偏差作为输入。控制器仅作用于DC电压。在很短的时间内，控制器确保达到所需的直流电流。这又意味着电源根据所需的任何电力共享场景提供适量的电力。因此，通过在DC信号之上模拟非常低功率的AC信号，整个网络中的电源可以响应于网络状况调整它们的输出，使得所有源贡献所选的量。这种方法的优点包括：公平/平等地使用系统中的所有发电资产；改善网络稳定性；老化影响下降(没有单个来源超过其份额进行供应)；改进的维修/资产更换计划；不需要昂贵而复杂的通信/控制基础设施来管理系统；健壮性：没有单点故障，完全分布的方法；交流分量的功率损耗非常低——交流分量遇到非常高的负载阻抗，因此相关的功耗非常低；并且可以间隔使用——进一步减少与AC分量相关的功率损耗并提高稳定性。图1是本专利技术实施例的示例性DC网络100的框图。如图1所示，DC网络100包括作为用于负载104(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在具有连接到至少一个负载的多个电能产生源的直流(DC)网络中的功率共享的方法，所述方法包括以下步骤：在每个电能产生源处：产生可控DC电压；在DC电压的顶部叠加可控交流(AC)信号；使用虚拟阻抗频率下垂控制来调节AC信号；和使用调节的AC信号确定期望的DC电压输出。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.16 US 14/971,8551.一种用于在具有连接到至少一个负载的多个电能产生源的直流(DC)网络中的功率共享的方法，所述方法包括以下步骤：在每个电能产生源处：产生可控DC电压；在DC电压的顶部叠加可控交流(AC)信号；使用虚拟阻抗频率下垂控制来调节AC信号；和使用调节的AC信号确定期望的DC电压输出。2.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：调节DC电压以匹配所需的DC电压输出。3.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：以迭代方式执行生成，叠加，调节和确定步骤。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述电能产生源中的至少一个包括电池。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个负载选自由电力电子设备，太阳能电池板，电池，消费者电器及其组合组成的组。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个负载连接在离所述每一个电能产生源的任意距离处。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个负载连接在距所述电能产生源之一的距离L1处并且距离所述电能产生源中的另一个的距离L2处连接，其中L1不同于L2。8.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：感测本地AC信号电流和电压输出；和使用本地AC信号电流和电压输出通过虚拟阻抗频率下垂控制来调节AC信号。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述期望的DC电压输出基于预定的功率分配标准。10.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：通过缩放AC信号来计算参考DC电流。11.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·德霍格，K·R·拉玛钱德拉，F·休茨，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国,US