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技术方案

本发明专利技术提出了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和能量控制方法，该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、光伏发电系统以及对应的电气控制系统组成。该设备储能系统能够储存多种能源：起重机回馈制动产生的再生电能、风力发电系统产生的电能、光伏系统产生的电能，该设备储能系统能够给起重机运行时供电。控制方法包括制定风力发电控制策略、光伏发电控制策略、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以适应起重机工况下的储能与供能控制，节约市电的消耗，提高清洁能源利用率，节能高效功能强大。节能高效功能强大。节能高效功能强大。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及起重机控制
，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。

技术介绍

[0002]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，
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]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；
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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
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RTU通信。
[0012]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。
[0013]本专利技术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。
[0014]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<Ulow1时，高压侧从低压侧汲取电流，使电压维持在窗口电压区间，当高压侧U>Uup1时，高压侧从低压侧输送电流，使电压维持在窗口电压区间；
[0015]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
low2
，U
up2
)，低压侧连接锂电池，其工作逻辑为：当高压侧U<U
low2
时，高压侧从低压侧汲取电流，使电压维持在窗口电压区间，当高压侧U>U
up2
时，高压侧从低压侧输送电流，使电压维持在窗口电压区间；
[0016]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
wind
；
[0017]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
pv
。
[0018]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：
[0019]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；
[0020]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)；
[0021]Step3：比较功率变化值ΔP是否大于或等于设定的最小功率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的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，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的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，其特征在于，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。5.根据权利要求1所述的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，其特征在于，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。6.根据权利要求5所述的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，其特征在于，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。7.一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，其特征在于：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。8.根据权利要求7所述的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，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹小华，周汝勤，姜韩瑞，曹菁菁，王强，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：