多类型新能源捕获与利用的起重机离网型直流微电网系统与控制方法
文献发布时间：2023-06-19 19:18:24
技术领域
本发明涉及起重机控制技术领域，具体涉及一种多类型新能源捕获与利用的起重机离网型直流微电网系统与控制方法。
背景技术
变频调速驱动的起重机电机在起吊货物下放的时候，采用回馈制动，电机会处于再生发电状态，通过变频器直流母线接入储能装置储存这部分电量，可实现能量回收利用。离网型风光储直流微电网的系统架构有交流型和直流型，直流型架构中风力发电系统、光伏发电系统、储能系统也是通过共直流母线相连，与起重机变频器直流母线系统具有相似的结构。鉴于此，
在起重机变频器直流母线上加入风力发电系统、光伏发电系统，组成多类型新能源捕获的起重机用风光储直流微电网系统，该系统能够回收起重机回馈制动产生的再生电量、捕获风能、太阳能等新能源并加以利用，在供能上能够单独给起重机运行供电而不消耗市电。并针对起重机运行时功率波动与普通直流微电网的不同，耗能同时产生回馈电能，导致母线电压波动会更大，制定了窗口电压模式的母线工作电压模式，并进行控制策略制定。
发明内容
本发明公开一种多类型新能源捕获与利用的起重机离网型风光储直流微电网系统与能量控制方法，以实现起重机工作时节约市电电能、高效利用风电、光电清洁能源；同时本文提供一种该系统有效的控制方法，包括：采用改进MPPT算法控制风力发电、采用改进MPPT算法控制光伏发电、基于锂电池SOC荷电状态的窗口式直流母线电压协调控制策略。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种多类型新能源捕获与利用的起重机离网型风光储直流微电网系统，包括：变频器直流母线系统、起重机机械提升系统、储能系统、风力发电系统、光伏发电系统以及控制系统；
其中，所述变频器直流母线系统包括：变频器、一级直流电压母线、1号双向DCDC直流变换器、二级直流电压母线；所述二级直流电压母线用于连接储能系统、风力发电系统、光伏发电系统；所述变频器用于变频驱动三相交流异步电机和引出一级直流母线，并吸收三相交流异步电机回馈制动产生的电量传到二级直流母线。
进一步地，所述储能系统包括：超级电容组、锂电池组、2号双向DCDC直流变换器；所述锂电池组用于储存和释放电能，通过2号DCDC直流变换器接入到二级直流母线上；所述超级电容组由多个单体电容的超级电容串并联组成，用于频繁吸收和释放电能，维持二级直流母线电压在设定值Umin～Umax范围。
进一步地，所述风力发电系统包括：风力发电机、三相可控整流器、3号双向DCDC直流变换器；所述风力发电机用于风力发电，并通过三相可控整流器整流成直流电通过3号双向DCDC直流变换器接入到二级直流母线上。
进一步地，所述光伏发电系统包括：光伏阵列、4号双向DCDC直流变换器；所述光伏阵列用于太阳能发电，通过4号双向DCDC直流变换器接入到二级直流母线上。
进一步地，所述控制系统包括：MCGS触摸屏、PLC可编程逻辑控制器、变频器、编码器；MCGS触摸屏作为上位机用于人机交互，PLC可编程逻辑控制器作为核心控制器用于起重机变频器驱动控制和微电网电气控制，MCGS触摸屏与PLC可编程逻辑控制器之间采用以太网通信，PLC可编程逻辑控制器和变频器、编码器之间采用Modbus-RTU通信。
进一步地，所述控制系统用于：(1)实时数据读取：读取超级电容组实时电压Usc、读取锂电池实时电压ULi和荷电状态SOC、读取风力发电机实时输出电压Uw、电流Iw和功率Pw、读取光伏阵列实时输出电压Upv、电流Ipv和功率Ppv；(2)历史数据记录与读取：记录与读取风力发电机历史总发电量Ew、记录与读取光伏阵列历史总发电量Epv、记录与读取起重机市电总耗电量Ec、记录与读取起重机储能系统总耗电量Esave；(3)实时能流状态显示：实时显示风力发电能流路线、实时显示光伏发电能流路线、显示起重机耗电能流路线、实时显示起重机回馈制动送电能流路线；(4)电机转速控制：显示电机实时转速、写入给定转速控制电机驱动；(5)通讯开关界面控制：按钮点动控制设备间的通讯接触器开关，所述设备接触器开关包括：PLC与DCDC通讯开关、超级电容接入二级母线接触器开关。
本发明还提供一种多类型新能源捕获与利用的起重机离网型风光储直流微电网控制方法，风力发电系统采用MPPT输出模式，采用变步长MPPT爬山搜索控制算法实现风力发电机始终处于最大功率点输出；光伏发电系统采用MPPT输出和降功率恒压输出两种模式，MPPT输出模式通过变步长MPPT扰动观察算法实现，降功率恒压输出模式通过电压外环电流内环双闭环PI控制算法实现，变频器直流母线系统采用定电压或高压侧窗口电压控制模式，储能系统采用高压侧窗口电压控制模式控制。
进一步地，1号双向DCDC直流变换器采用高压侧窗口电压控制模式，高压侧连接变频器母线设定窗口电压(Ulow1，Uup1)，低压侧连接二级直流母线，其工作逻辑为：当高压侧U
2号双向DCDC直流变换器采用高压侧窗口电压控制模式，高压侧连接二级直流母线设定窗口电压(U
3号双向DCDC直流变换器低压侧接风力发电机整流后的直流电输出，高压侧接在二级直流母线上，采用低压侧向高压侧输出模式，3号DCDC低压侧设定电压为风力发电机额定输出电压U
4号双向DCDC直流变换器低压侧接光伏阵列的直流电输出，高压侧接在二级直流母线上，采用低压侧向高压侧输出模式，4号DCDC低压侧设定电压为光伏阵列额定输出电压U
进一步地，风力发电系统采用变步长MPPT爬山搜索控制算法，其具体步骤如下：
Step1：系统启动，初始化当前周期输出功率值为0，扰动占空比值为0，初始占空比值为D；
Step2：采样当前周期k的电流值I(k)、电压值U(k)、并计算当前采样时间点的输出功率P(k)＝I(k)*I(k)；计算当前采样周期k与上一个采样周期k-1的输出功率变化ΔP＝P(k)-P(k-1)；
Step3：比较功率变化值ΔP是否大于或等于设定的最小功率变化值e，结果若为是，则跳过Step4执行Step5，结果若为否，则执行Step4；
Step4：比较当前占空比扰动值ΔD是否小于或等于设置的最小占空比扰动值Dmin，结果若为是，则令占空比扰动值ΔD＝Dmin，结果若为否则令占空比扰动值减小一半即令ΔD＝1/2ΔD；
Step5：比较占空比扰动值ΔD和输出功率变化值ΔP的乘积是否大于零。若结果为是，说明还未到最大功率点，需要继续当前方向扰动，保持扰动占空比ΔD值不变；若结果为否，说明本次扰动过了最大功率点，下一周期需要超相反的方向扰动，令下一周期的扰动占空比ΔD＝-ΔD。
进一步地，光伏发电系统采用变步长MPPT扰动观察控制算法，其具体步骤如下：
Step1：系统启动，初始化当前周期输出功率值为0，初始化扰动电压值为ΔU；
Step2：采样当前周期k光伏阵列的输出电压U(k)、输出电流I(k)、计算当前的输出功率P(k)＝U(k)*I(k)；
Step3：与上一个采样周期k-1的值进行比较，计算出电压变化量dU＝U(k)-U(k-1)和功率变化量dP＝P(k)-P(k-1)，计算出当前时变因子的值α＝1-exp(-|dP|)；
Step4：比较dU*dP的值是否大于零。若结果为是，说明当前电压还未到到最大功率点处，保持当前扰动方向令扰动电压值为αΔU；若结果为否，说明当前电压位于最大功率点左侧，需要朝着反方向施加电压扰动，令扰动电压值为-αΔU；
Step5：令U(k-1)＝U(k)、P(k-1)＝P(k)，返回Step2，执行下一个周期的控制流程。
与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：
本发明通过在变频驱动式起重机上加入了风力发电系统和光伏发电系统，其功能不只限于储存回收电机回馈制动的电量，还能够捕获和储存风、光发电产生的电量，并且储存的电能够通过变频器单独给起重机工作运行时供电，高效的节约了市电的消耗、提高了清洁能源的利用率；本发明提出一种控制方法中，基于改进的变步长爬山搜索风力发电MPPT控制算法创新和基于改进的变步长扰动观察光伏发电MPPT控制算法创新能够提高风力发电和光伏发电最大功率点捕获的响应时间、减小超调量，最大输出功率稳定性更高；本发明提供的基于锂电池SOC荷电状态的窗口式直流母线电压协调控制策略，能够很好的调节起重机运行用能过程中的引起的电压功率波动与风力发电、光伏发电输出之间的功率平衡控制，始终维持母线电压处于均衡状态。为起重机械节能技术方案提供了更多参考，为风光储直流微电网在起重机上的系统应用提供了更多信息，所述控制方法也在传统的微电网控制上做出了改进适应起重机的工况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明多类型新能源捕获与利用的起重机用风光储直流微电网系统组成及信息流程图；
图2为本发明中的起重电机工作过程中的用能和回馈制动再生电能回收利用、风力发电利用、太阳能发电利用的能量流动原理图和信息图；
图3为本发明改进的变步长爬山搜索风力发电MPPT控制算法原理图；
图4为本发明改进的变步长扰动观察风力发电MPPT控制算法原理图；；
图5为本发明方法中提供的基于锂电池SOC荷电状态的窗口式直流母线电压协调控制策略略流程图；
图6为本发明人机交互UI控制界面功能示例图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图1所示，本实施例包括一种多类型新能源捕获与利用的起重机离网型风光储直流微电网系统，包括：变频器直流母线系统1、起重机机械提升系统2、储能系统3、风力发电系统4、光伏发电系统以及控制系统5；
本实施例中，变频器直流母线系统1包括：变频器10(1.1KW)、一级直流电压母线11(约580～610V)、一号双向DCDC直流变换器12(5KW)、二级直流电压母线13(约180～210V)；二级直流电压母线13用于连接储能系统3、风力发电系统4、光伏发电系统5；
起重机提升机构包括：三相交流异步电机14(380V 400W)、三级齿轮减速箱15(减速比42.5)、吊具16(最大起吊质量200kg)；三相交流异步电机14(380V 400W)，用于提供输出转矩和回馈制动产生电能，吊具16为钩型用于连接货物；
储能系统包括：超级电容组17(320V20AH)、锂电池组18(96V20AH)、二号双向DCDC直流变换器19(4KW)；超级电容组17和锂电池组18用于储存和释放电能，通过二号双向DCDC直流变换器控制接入到二级直流母线上(约180～210V)；
风力发电系统包括：风力发电机20(1000W 96V)、三相可控整流器21(2KW)、三号双向DCDC直流变换器22(4KW)；风力发电机20用于风力发电，并通过三相可控整流器21整流成直流电通过三号双向DCDC直流变换器22(4KW)控制接入到二级直流母线上；
光伏发电系统包括：光伏阵列23(400W 120V)、四号双向DCDC直流变换器24(4KW)；光伏阵列23用于太阳能发电，通过四号DCDC直流变换器24控制接入到二级直流母线13上(约180～210V)。
如图2所示，在起重机工作运行工作时，风力发电系统4、光伏发电系统5可直接通过直流母线给起重机机械提升系统2供电，多余的电量储存在储能系统3中，储能系统3可以直接给起重机机械提升系统2供电，提升电机回馈制动产生的再生电量可以回收并储存在储能系统3中；
变频器10用于变频驱动三相交流异步电机14和引出一级直流母线11，并吸收三相交流异步电机14回馈制动产生的电量传到二级直流母线13上；
一号双向DCDC直流变换器12采用高压侧窗口电压控制模式，高压侧连接变频器11一级母线设定窗口电压(U
超级电容组17由多个单体电容的超级电容串并联组成，用于频繁吸收和释放电能，维持二级直流母线13电压在设定值U
所述的二号双向DCDC直流变换器19采用高压侧窗口电压控制模式，高压侧连接二级直流母线13设定窗口电压(U
风力发电机20发电控制采用改进变步长MPPT爬山搜索控制算法，控制风力机始终工作在最大功率点处，最大程度利用风能，发电效率最高；
所述的三相可控整流器21将风力发电机输出的三相交流电整流成稳定的直流电，三号双向DCDC直流变换器22低压侧接风力发电机整流后的直流电输出，高压侧接在二级直流母线13上，采用低压侧向高压侧输出模式，三号双向DCDC直流变换器22低压侧设定电压为风力发电机20的额定输出电压U
进一步地，所述的光伏阵列23由光伏组件串并联组成，光伏阵列发电控制采用改进变步长MPPT扰动观察控制算法，控制光伏阵列始终工作在最大功率点处，最大程度利用太阳能发电，发电效率最高；
四号DCDC直流变换器24低压侧接光伏阵列的直流电输出，高压侧接在二级直流母线上，采用低压侧向高压侧输出模式，四号DCDC低压侧设定电压为光伏阵列额定输出电压Upv＝120V；
进一步地，所述的控制系统包括硬件组成和软件组成
控制系统硬件包括：1块变频器、2块MCGS触摸屏、4台双向DCDC直流变换器、2台PLC可编程逻辑控制器、电线线缆若干、2个交换机、2个RS485转换器、3个编码器、接触器若干、继电器若干、急停开关若干、熔断器若干；
所述的控制系统软件包括：PLC控制变频器驱动电机代码实现、PLC电气安全控制系统代码实现、MCGS触摸屏人机交互UI界面实现、MCGS触摸屏、变频器、PLC之间的Modbus_RTU通信代码实现、PLC与所述4个双向DCDC直流变换器Modbus_TCP通信代码实现；
本实施例中的控制算法和控制策略包括：基于改进的变步长爬山搜索风力发电MPPT控制算法、基于改进的变步长扰动观察风力发电MPPT控制算法、基于锂电池SOC荷电状态的窗口式直流母线电压协调控制策略；
如图3所示，基于改进的变步长爬山搜索风力发电MPPT控制算法实现如下：改进风力发电输出MPPT控制算法，风力发电特性曲线如图3-(a)所示，控制原理如图3-(b)所示，控制流程如图3-(c)所示。所述的控制算法实现步骤如下:
Step1：系统启动，初始化当前周期输出功率值为0，扰动占空比值为0，初始占空比值为D；
Step2：采样当前周期k的电流值I(k)、电压值U(k)、并计算当前采样时间点的输出功率P(k)＝I(k)*I(k)；计算当前采样周期k与上一个采样周期k-1的输出功率变化ΔP＝P(k)-P(k-1)；
Step3：比较功率变化值ΔP是否大于或等于设定的最小功率变化值e，结果若为是，则跳过Step4执行Step5，结果若为否，则执行Step4；
Step4：比较当前占空比扰动值ΔD是否小于或等于设置的最小占空比扰动值D
Step5：比较占空比扰动值ΔD和输出功率变化值ΔP的乘积是否大于零。若结果为是，说明还未到最大功率点，需要继续当前方向扰动，保持扰动占空比ΔD值不变；若结果为否，说明本次扰动过了最大功率点，下一周期需要超相反的方向扰动，令下一周期的扰动占空比ΔD＝-ΔD；
Step6：令P(k-1)＝P(k)，返回Step2，执行下一个周期的控制流程。
如图4所示，基于改进的变步长扰动观察风力发电MPPT控制算法实现如下：改进光伏发电输出MPPT控制算法，光伏发电输出功率、光照强度、输出电压之间的特性曲线如图4-(a)所示，MPPT扰动观察算法法控制原理如图4-(b)所示，控制流程如图4-(c)所示。所述的改进的光伏发电MPPT控制算法实现步骤如下：
Step1：系统启动，初始化当前周期输出功率值为0，初始化扰动电压值为ΔU；
Step2：采样当前周期k光伏阵列的输出电压U(k)、输出电流I(k)、计算当前的输出功率P(k)＝U(k)*I(k)；
Step3：与上一个采样周期k-1的值进行比较，计算出电压变化量dU＝U(k)-U(k-1)和功率变化量dP＝P(k)-P(k-1)，计算出当前时变因子的值α＝1-exp(-|dP|)；
Step4：比较dU*dP的值是否大于零,若结果为是，说明当前电压还未到到最大功率点处，保持当前扰动方向令扰动电压值为αΔU；若结果为否，说明当前电压位于最大功率点左侧，需要朝着反方向施加电压扰动，令扰动电压值为-αΔU；
Step5：令U(k-1)＝U(k)、P(k-1)＝P(k)，返回Step2，执行下一个周期的控制流程。
如图5所示,基于锂电池SOC荷电状态的窗口式直流母线电压协调控制策略实现如下：不同于定电压值的母线恒压控制方法，本实施例提出一种窗口电压控制模式，即将二级直流母线的工作电压不再设置为定电压值，而改成两个窗口电压值控制，能够有效的减少锂电池组充放电次数，在起重机提升机械系统运行于任何工况下，风光储微电网都能保持稳定运行，清洁能源利用效率最大化，具体地，包括：
(1)风力发电系统具有一种输出控制模式：MPPT输出模式；
(2)光伏发电系统具有两种输出控制模式：MPPT输出模式、降功率恒压输出模式；
(3)二级直流母线工作时电压设为窗口电压(Ulow，Uup)＝(180V，210V)，锂电池充放电稳压工作时荷电状态为10％≤SOC≤90％
风光储直流微电网系统在给起重机供电时，分为4种基本运行状态：
(1)状态1：超级电容稳压，当锂电池10％≤SOC≤90％时，母线电压180V≤Udc≤210V时，二级直流母线电压由超级电容自吸收和释放电量稳压，风力发电MPPT输出模式，光伏发电MPPT输出模式；
(2)状态2：锂电池稳压，当锂电池10％≤SOC≤90％时，超级电容自吸收和释放电量无法维持母线电压稳定，当Udc≤180V时，锂电池放电给二级直流母线和超级电容充电，维持母线在窗口电压范围，当Udc≥210V时，锂电池吸收母线和超级电容多余电量，维持母线在窗口电压范围，风力发电MPPT输出模式，光伏发电MPPT输出模式；
(3)状态3：光伏发电稳压模式，当锂电池SOC≥90％时，锂电池接近满电荷状态，不宜再吸收母线多余电量，需要减小电源产生电量，此时光伏发电改为降功率恒压输出模式维持母线电压210V，关闭风力发电机输出。
(4)状态4：断电储能模式，当锂电池SOC≤10％时，一般出现在晚上光伏发电无法工作时，光电风电发电功率小于起重机耗电功率，或微电网系统电量供不应求，此时需要切断微电网供电，改为电网市电给起重机供电。风光发电的电量储存到锂电池和超级电容中，直到SOC≥60％，切回到状态2工作。
在本实施例具体表现为：
(1)二号双向DCDC变换器(4KW)19控制超级电容组17的充放电用来维持二级直流母线电压13稳定在一定范围(180V～210V)；
(2)当二级直流母线13电压低于180V，二号双向DCDC变换器(4KW)19从低压侧的锂电池组(96V120W)18中汲取电量，三号DCDC变换器(4KW)22控制风力发电机(96V1000W)20以最大点功率输出电能到二级直流母线13，四号DCDC变换器(4KW)24控制光伏阵列(120V400W)23以最大点功率输出电能到二级直流母线13，至二级直流母线13电压在(180V～210V)范围；
(3)当二级直流母线13电压高于210V，二号双向DCDC变换器(4KW)19将二级母线13上的超级电容组17的电量输送到低压侧的锂电池组(96V20AH)18中储存，三号DCDC变换器(4KW)22控制风力发电机20(96V1000W)切断输出电能到二级直流母线13，四号DCDC变换器(4KW)24控制光伏阵列(120V400W)23切断输出电能到二级直流母线13，改为降功率恒压控制策略模式，至二级直流母线13电压在210V；
(4)锂电池组18充放电控制，当锂电池组(96V20AH)18的荷电SOC小于10％，二号双向DCDC变换器(4KW)19切断锂电池放电，保持充电；当锂电池组(96V20AH)18荷电SOC等于100％，二号双向DCDC变换器(4KW)19切断锂电池充电，保持放电。
如图6所示，进一步地，所述的触摸屏人机交互控制界面功能，其特征在于，包括：(1)实时数据读取：读取超级电容组实时电压Usc、读取锂电池实时电压ULi和荷电状态SOC、读取风力发电机实时输出电压Uw、电流Iw和功率Pw、读取光伏阵列实时输出电压Upv、电流Ipv和功率Ppv；(2)历史数据记录与读取：记录与读取风力发电机历史总发电量Ew、记录与读取光伏阵列历史总发电量Epv、记录与读取起重机市电总耗电量Ec、记录与读取起重机储能系统总耗电量Esave；(3)实时能流状态显示：实时显示风力发电能流路线、实时显示光伏发电能流路线、显示起重机耗电能流路线、实时显示起重机回馈制动送电能流路线；(4)电机转速控制：显示电机实时转速、写入给定转速控制电机驱动；(5)通讯开关界面控制：按钮点动控制设备间的通讯接触器开关，所述设备接触器开关包括：PLC与DCDC通讯开关、超级电容接入二级母线接触器开关；
进一步地，所述的本发明示例中的，测量2个小时时间维度的4风力发电系统发电量Ew、5光伏发电系统发电量Epv、市电单独给起重机机械提升系统供电耗电量Ei、风光储微电网和市电共同给起重机机械提升系统供电各自的耗电量Es、Ec。测试数据记录，其特征在于，结果表明：该系统回馈制动再生电能的回收利用率达到62.4％，起重机提升运行时对风电、光电的利用率达到86.67％，同等工况下接入入口可再生能源及回馈能捕获与综合利用装置与不接入装置相比较对市电耗电量节约了28.57％。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的方法和装置并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。