基于OpenADR的智能建筑直流微电网多资源能量综合利用研究
摘要 在智能建筑的分布式能源混合动力系统中，多输入DC / DC变换器具有许多优点，可以更加有效地简化分布式电源系统的动态接口以及在系统中更有效地施加Boost或Buck电压。 基于OpenADR通信协议和电力价格，智能控制器可以调整系统负载以实现经济最优目标。 此外，还将介绍智能建筑直流微电网仿真，其中还将实现风力 - 光伏 - 柴油电池混合动力系统，以增加对分布式能源的访问。
关键词 开放式自动动态需求（OpenADR）; 智能建筑直流微电网; 多输入DC / DC转换器; 多资源能源; 智能电网互操作性
一、介绍
在微电网系统中，分布式能源可以通过转换器和能量存储收集，并通过电力总线传输。在智能建筑微电网中，分布式能源可以充分利用风能和太阳能在地域和时间上的互惠性，并将电池作为储能装置。 Win-d-PV混合动力电源的分布式能耗可以增加[1-3]。 OpenADR是一种以现有开放标准为支撑的变换和安全协同数据模型。目前，由OpenADR管理电力系统负荷和峰值容量的公共机构和政府对全球的需求迅速增长。
图1基于OpenADR建筑直流微电网的混合动力系统
基于OpenADR，由于智能电网的互操作性[5]，信息可以在电力系统中交换，如动态电价，微电网负荷和分布式能源的功率。
在Wind-PV-Diesel电池建筑混合动力系统中，多输入DC / DC变换器被用来代替几个单输入DC / DC变换器，系统框图如图1智能控制模块采集的多种资源能量基于OpenADR。缓冲器用于负载切换，直接为本地直流负载供电或通过逆变器为本地交流负载供电。它具有许多优点，如有效简化结构，降低总成本，实现用户的许多功能目标。分布式能源综合利用效率可以提高。
二、多路输入DC / DC转换器
在基于OpenADR的智能建筑直流微电网中，一个新的多输入单输出降压 - 升压转换器被采用。 根据输入电源的实际电流和电压，通过调整占空比，可以分别运行在Buck，Boost，Buck-Boost三种模式下，分别升高电压，降低电压，升高/降低电压 ，可以改善供应质量。 在图2中。 S1，S2，...，Sn 1是电源开关。 V1，V2，...，Vn代表分布式输入源。 VD1，VD2，...，VDn是浮轮二极管。 VDR是输出整流二极管。 L和C是输出滤波器的电感和电容。 R是负载[6] [7]。
图2 多输入单输出降压 - 升压转换器
Di是基于伏秒平衡原理的每个功率开关Si（i = 1,2，...，n）的占空比，对于电感L，存在
V0可以推导为
以相同的方式，对于电容C，存在
电感的平均电流是
每个输入源的平均电流Isi = DiL，负载的总电源为
Pall P1 P2 Pn V1Is1 V2 Is 2 Vn Isn (5)
根据公式（4）和公式（5），
根据以上所述，当n个分布式资源提供给负载时，输出电压仅与其输入源电压和相应的功率开关占空比有关。 当负载恒定时，多输入DC / DC转换器可以保持恒定的输出功率。
三、综合利用多种资源
图3 多输入转换器原理图
在图3中。 多资源能量可以基于一路输入Buck-Boost转换器收集。 主/从控制采用的地方。 在基于OpenADR的智能建筑DC微电网中，光伏能源具有最高优先级，其电流（功率）控制可以通过电流调节器1实现。开关磁阻风力发电机（SRWPG）产生一些噪声，它作为第二电源， 电流（功率）控制可以通过电流调节器2实现。交流柴油发电机是第三种，其电流（功率）控制可以通过电流调节器3实现。电池的优先级最低，电流（功率） 控制可以通过电流调节器4来实现。总线电压控制可以通过电压调节器来实现。 从这个原理衍生出来，它可以扩展到n个输入，例如燃料电池，超级电容器等。
B.基于OPENADR的智能控制
以Wind-PV混合动力系统为例。 设置PV比风力SRWPG具有更高的优先级。
a)控制原理
1）输出电压反馈Vof和参考电压Vor之间的偏置送到PI调压器，得到电压环输出Ve。 Ve被发送到当前循环，添加到参考电流Ii2r，我可以得到。
2）如果I#39;i2rgt; 0，VD1断开，输入电流Ii2f和反馈I#39;i2r之间的偏置由PI电流调节器2控制，然后送到PWM电路2，得到开关控制信号S2，电压 实现电流（功率）双闭环控制。 反馈Ii1f和参考电流Ii1r之间的偏置由电流调节器1控制，然后送到PWM电路1，从而得到开关控制信号S1。
3）如果I#39;i2r lt;0，VD1导通，电流调节器2的输出为负，S2导通，I#39;i2r Ii1r = I#39;i1r。 I#39;i1r与反馈Ii1f之间的偏置由PI控制器1控制，然后送至PWM电路1以控制开关信号S2。同时，通过S2和S1可以得到控制信号S3，或者通过S2和S1得到控制信号S3，然后控制多路输入Buck-Boost变换器中相应功率开关的占空比，从而实现输入功率的协调控制和能量收集。
4）电池通过双向DC / DC转换器与负载连接，电池控制策略为恒流充放电控制，改变电池工作模式取决于负载功率的变化。
b）操作模式
模式一：在高峰负载阶段，作为用户，智能建筑基于OpenADR的直流微电网将使家用电器停止运转，例如洗衣机，洗碗机，除湿机，烘干机，电动车充电，不重要的空调器地方，其他空调以可变速驱动模式运行。建筑的总体力量将会减少。 Pogt; P1max P2max，控制器输出电压Vegt; 0，风电功率和PV输出功率最大。建筑物的赤字电力可以通过放电的方式由电池供电，也可以由整流器从柴油发电机供电，即使建筑物内的电动汽车电池也可以作为临时电源供电。
模式二。正常情况下，所有家电正常运行。当P1max lt;Po lt;P1max P2max时，Ve lt;0，I#39;i2r变小，由风得到的建筑负荷功率变小。 I#39;i2rgt; 0，VD1关闭，输入源1（PV）输出其最大功率。为了避免建筑物居民的休息时间，SRWPG输出其最大功率，为电池充电的多余电力，甚至向电网出售电力。
模式三。 Po lt;P1max，建筑负荷功率小于PV的最大功率，Ve lt;0，I#39;i2r lt;0，SRWPG可以停止。VD开启，I#39;变小，PV输出功率变小。 在工作时间内，Wind-PV可以保持最大输出。 对于多余的功率，该方法与模式一相同。
模式四。 由于错误或其他自然原因，如多云或夜间，PV不起作用。 只有SRWPG才能工作。 对于赤字权力，方法与模式二相同。
模式五。由于故障或其他原因，如在平静的条件下，SRWPG不起作用。 只有PV才能工作。 对于赤字权力，方法与模式II相同。 模式六。 在春季或秋季无风的夜晚，SRWPG不工作，以及光伏，智能建筑负荷可以得到格子LED照明，以电池充电。 在高峰期间，该电池可以通过电网进行负载转移，可以获得较大的经济效益。
四、实施核查
A.模拟模型
a）PV模拟模型
光伏阵列的输出有功功率与太阳辐射[8]之间的关系为
其中r是太阳辐射（J·m-2），Ai是PV板的面积，yi是PV板在追踪最大功率点时的效率。 在单指数模型中[9]
其中Id是二极管饱和电流，q是电荷，A是二极管因子，K是玻尔兹曼常数，T是电池温度，V是PV电池的输出电压。
b）SRWPG仿真模型
风力发电机的输出有功功率与风速之间的关系可简化为
其中VC1、Vr和Vco是切入风速，额定风速和切出风速分别[10]。
三相12/8极S-RWPG的非线性数学模型可由四个方程构建。
- 电压方程
- 通量方程
- 转矩方程
- 运动方程
角速度为 = d，J为惯性矩，B为摩擦系数，TL为负载转矩。
Dt
- c）柴油发电机仿真模型
柴油发电机的数学模型可以由同步发电机定子电压平衡方程和电磁暂态方程的励磁绕组组成[11]。
Ud，Uq分别为定子绕组端电压U的d轴和q轴分量。 与I. R jX相同的是定子绕组电阻。T是时间常数，Efd是励磁绕组电压。
d）电池模拟模型
电池由一个具有操作电路电压Uoc，电池内阻R和两个RC（R1C1，R2C2）并联网络的恒压源组成，修正值Delta;E（T）可以补偿温度影响。
SOC0是电池的充电初始状态，CN是额定容量，I是电池电流。
B.模拟参数
在智能建筑直流微电网中，PV由6节电池组成（JKM250P-60），PV的最大输出功率为P1max = 1.5kW。 3相12/8极SRWPG（自主研发），SRG最大输出功率P2max = 1.5kW，nN = 1500r / min，r = 7.0fi，J = 0.0016kgbull;m2，f = 0.021，自我激励 轴扭矩9.5124N·m。 12OPzS1500电池的额定容量为1500A·h，VN = 2V，Imax = 360A。 柴油发电机PN = 2.5kW，VN
= 200 / 380V，IN = 3.8A，fN = 50Hz，Y0连接。双输入Buck-Boost变换器输出功率Po = 4kW，输出滤波器电感L = 145.5mH，电容C =1360mu;F，输出直流=220V。
图4 MATLAB仿真模型
C.模拟结果
设置建筑负荷需求功率Po = 3.5kW，PV最大功率P1max = 1.5kW，SRWPG最大功率P2max = 1.5kW，电池供电不足。 图5显示了模式I的部分仿真结果。可以看出：输出电压保持不变，输出电压波动lt;10％。 为了恒定负载，输出功率是恒定的。 建筑物的赤字能力可以由电池，电动汽车或电网提供。
图5 模式1模拟图
图6显示了模式II（Po = 2.5kW，P1max = 1.5 kW，P2max = 1.5 kW）的输出电压和输出功率模拟结果，冗余电池为电池充电。
在模式III（Po = 1kW，P1max = 1.5kW）中，只需要PV单独工作。 输出电压和输出功率仿真结果如图7所示。 在模式IV（Po = 1.1kW）中，只有PV单独工作，部分模拟结果如图8所示。 当SRWPG或PV电源分开工作时，通过调整S1，S3和S2的占空比，输出电压波动可以限制在10％。 当负载恒定时，输出功率可以保持恒定。
图6 模式2模拟结果图
图7 模式3模拟结果图
图8 模式4模拟结果图
D.实验验证
TMS320F280X系列DSP作为控制器，通过电压和电流双环控制，为直流电建筑微电网设计了多路输入DC / DC变换器（如图9），验证了理论分析的校正和 控制策略的可行性。 输入V1和V2的主要来源分别代表两个清洁能源太阳能和SR-G风电，V1的输出电压为150V〜240V，V2的输出电压范围为180V〜300V，通过实验室直流开关资源模拟输入 资源。 图10显示了实验测量的波形。
图9 多输入DC/DC转换器实验装置
在智能建筑直流微电网中，无论是在风光互补发电系统还是独立供电系统中，基于OpenADR的智能控制模块都可以控制分布式能源工作/停止。使建筑负荷开始/停止。 使建筑物负载启动/停止或变速驱动器。
图10 实验结果
五、结论
智能建筑直流微电网可以应用电网用户，考虑到分布式能源和负载需求的实际情况，基于OpenADR的智能控制模块可以动态选择不同模式的多输入DC / DC转换器来采集分布式能源。 通过停止部分家用电器，延迟部分负载工作，从电网获取电能，空调以变速驱动模式运行，或者向电网放电等，可以降低峰值。 通过满负荷运行，为电池充电并从电网获得电能等，山谷可以被充满，同时，总成本已经降低。
REFERENCES
- Chengshan Wang, Peng Li, “Development and Challenge of Distrib- uted Generation, ” Automation of Electrical Power System. J. vol. 34 (2),pp.10-15.2010
- Sanhong Zou, Wei Pei and Zhiping Qi, “Distributed power and micro- network interconnection common interface unit, ” Automation of Elect- rical Power Sytstem. J . vol. 34(3), pp. 91-96. 2010
-
S. Shao.
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