CN102570489A - 一种电池储能系统的动态功率协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种电池储能系统的动态功率协调控制方法。所述电池储能系统包括有为负载供电的并联运行的多台功率变换器，其特征在于并联运行的多台功率变换器分为两种类型，采用主从控制方案，一类采用恒压恒频控制方式，称为主节点；另一类是采用带有弱下垂特性的恒功率方式，成为从节点，其中，主节点只有一个，由上层监控系统来指定，一般选择容量较大的功率变换器来担当，其余的功率变换器均为从节点，在稳态情况下，从节点功率变换器输出的有功和无功由监控系统下达的功率指令来设定，主节点功率变换器的输出功率则是根据负荷情况来动态调节。本发明采用主从控制模式的优点在于，在电源容量足够的前提下，微网系统的电压稳定和频率稳定都很容易实现，抗负载扰动能力强，故障恢复时间短。

Description

一种电池储能系统的动态功率协调控制方法

技术领域

本发明是一种电池储能系统的动态功率协调控制方法，特别是一种含多台功率变换器(PCS)的电池储能系统的动态功率协调控制方法，属于电池储能系统的动态功率协调控制方法的改造技术。

背景技术

电池储能系统(BESS)的一大特色在于可以在大电网发生异常时继续为特定的重要负荷提供紧急供电，形成孤立运行的微电网，简称微网。电池储能系统带特定负载独立运行的状态即为孤岛运行状态。由于电池储能系统有并网和孤岛两种运行模式，所以电池储能系统通常运行在三种工作状态：并网运行状态，孤岛运行状态和在两种运行状态之间切换的暂态。

运行于孤岛模式时，电池储能系统必须能维持自己的电压和频率。在传统电网中，频率能通过大型发电厂内拥有大惯性的发电机来维持，电压通过调节无功功率来维持；而在电池储能系统作为主电源的微电网中，由于采用大量电力电子设备作为接口，其系统惯性小或无惯性、过载能力差、以及采用可再生能源发电的分布式电源输出电能的间歇性和负载功率的多变性增加了电池储能系统频率和电压控制的难度。而且配电网线路阻抗呈阻性，使电压不仅与无功功率有关也与有功功率有关，控制电压需要通过控制有功和无功功率两个方面来完成。

在多电源的微网系统中，通常采用的控制方法有主从控制和对等控制两种。主从控制方式一般采用中心控制系统或微网中某个主要电源来维持微网系统的电压和频率，这种方法控制简单，因而应用广泛，但其缺点在于系统对中心控制系统或主电源的依赖性很强，中心控制系统或主电源退出时，系统无法继续运行，可靠性受到很大影响；对等控制方式比较常用的是近年来提出的模拟同步发电机特性的下垂控制方式，这种方式在理论上可以省去电源之间的通信连接，从而提高微网系统的可靠性并降低成本，但是下垂控制系统的稳定性对控制参数和运行方式都非常敏感，因而目前尚未得到广泛应用。

在多电源的微网系统中，主电源的切换、退出，以及孤岛和并网转换等动态过程中，维持微网的电压和频率稳定是其最主要的问题。如果微网在并网运行时吸收或输出功率到电网，当微网突然从并网模式切换到孤岛模式时，微网产生的电能和负荷需求之间的不平衡将会导致系统不稳定，此时设计合理微网结构和采用恰当的控制方法是非常重要的。当微网从孤岛模式重连到大电网时，如何与电网同步并无缝并网是其主要问题。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种在大规模电池储能系统中，实现多台功率变换器(PCS)之间功率协调控制的电池储能系统的动态功率协调控制方法。本发明针对通常的主从控制方式对主电源过分依赖而导致系统可靠性降低的问题，提出了一种简单实用的解决方案，本发明在电源容量足够的前提下，微网系统的电压稳定和频率稳定都很容易实现，抗负载扰动能力强，故障恢复时间短。

本发明的技术方案是：本发明的电池储能系统的动态功率协调控制方法，所述电池储能系统包括有为负载供电的并联运行的多台功率变换器，其中并联运行的多台功率变换器分为两种类型，采用主从控制方案，一类采用恒压恒频控制方式，称为主节点；另一类是采用带有弱下垂特性的恒功率方式，成为从节点，其中，主节点只有一个，由上层监控系统来指定，一般选择容量较大的功率变换器来担当，其余的功率变换器均为从节点，在稳态情况下，从节点功率变换器输出的有功和无功由监控系统下达的功率指令来设定，主节点功率变换器的输出功率则是根据负荷情况来动态调节，主、从节点功率变换器的两种控制方式的动态功率协调控制方法如下：

1)主节点的恒压恒频控制策略

在微网系统处于孤岛运行状态时，必须有一个运行于恒压恒频控制方式的功率变换器作为主节点，为系统提供稳定的电压和频率，恒压恒频控制是指功率变换器按照受控电压源的模式运行，其基本原则是不管电池储能系统的输出功率如何变化，包括有功和无功，其输出电压的幅值和频率一直维持不变，始终为额定值；

2)从节点的恒功率控制策略

恒功率控制是指功率变换器按照设定的有功和无功目标值Pref、Qref来控制其输出的有功功率和无功功率，功率变换器运行于受控电流源模式，在恒功率控制模式下，功率变换器输出的有功和无功不随微网的电压和频率的变化而变化，在孤岛运行时，从节点接收来自上层监控系统的有功、无功目标值Pref和Qref，并通过功率和电流双闭环控制，保证其输出功率能够快速跟踪到设定的目标值。上述主节点功率变换器的恒压恒频控制通过频率和电压的双闭环控制来实现。

上述从节点功率变换器的恒功率控制策略中引入弱下垂特性，以降低从节点群对主节点的依赖，提高微网系统运行可靠性，下垂控制的基本原理是：通过对储能系统的功率变换器的控制策略做特殊的设计，使其模拟传统发电机特性运行，即输出有功、无功分别随频率和电压的变化而变化。

上述储能系统功率变换器的下垂控制原理为：

P＝P₀-k₁(f-f₀)    (1)

Q＝Q₀-k₂(V-V₀)    (2)

其中，P₀、Q₀为稳态下初始的有功功率和无功功率，f₀、V₀为系统的额定频率和电压，P、Q分别为频率和电压为f、V时功率变换器输出的有功功率和无功功率。下垂控制利用功率变换器输出有功功率和频率呈线性关系而无功功率和电压幅值成线性关系的原理而进行控制，当分布式电源输出有功和无功功率分别增加时，分布式电源由某个运行点A向另一个运行点B移动。上述公式(1)(2)中，P-f、Q-V下垂特性引入到从节点群的恒功率控制器中，并通过设定较小的下垂控制系数，使从节点具备弱下垂特性；一方面，通过设置较小的下垂系数，使得下垂特性不会对从节点的控制器构成显著影响；另一方面，通过设置频率和电压的触发死区Δf_b、ΔV_b，仅当微网系统的频率或电压偏差超出死区范围时才触发相应的下垂控制特性，以保证在并网模式以及主节点运行正常时，从节点的运行不受下垂特性的影响。

本发明采用主从控制模式的优点在于，在电源容量足够的前提下，微网系统的电压稳定和频率稳定都很容易实现，抗负载扰动能力强，故障恢复时间短。因为在主从控制方式下的微网中，为了维持稳定的电压和频率，主节点是必须的；而且为了防止出现功率环流，一个独立的微网中作为主电源的恒压恒频节点只能有一个。主节点按照固定的电压和频率运行，其输出的有功功率和无功功率随负荷的波动以及恒功率运行的从节点输出总功率的变化而变化，用以平抑两者的差值，以保证整个系统有功功率和无功功率的动态平衡，正因如此主节点对整个系统的稳定具有重要意义。另一方面，从节点恒功率运行方式需要系统中有维持电压和频率稳定的电源。在并网模式下这个电源由大电网来充当，在孤岛模式下则由主节点来充当。因而在孤岛运行的微电网中，除恒压恒频的主节点外，其它电源都运行于恒功率控制模式充当从节点，以下将其称为从节点群。由于主节点的输出功率不可控，通常选取容量较大的储能系统来充当。同时，上层监控系统通过调节从节点总的有功和无功，使从节点与总负荷之间的有功和无功偏差尽可能小，从而使得主节点只提供动态有功和无功，保证处于主节点的电池储能系统能够保持较高的荷电状态(SOC)，以提高其可用时间。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的电池储能系统的动态功率协调控制方法。

附图说明

图1为本发明微电网主从控制系统结构框图；

图2(a)(b)分别为本发明P-f、Q-V弱下垂特性原理示意图；

图3为本发明基于弱下垂特性的从节点控制框图；

图4(a)(b)分别为本发明带有死区触发的P-f、Q-V下垂控制原理图；

图5为本发明含多套储能系统的具体实施方案。

具体实施方式

实施例：

本发明的结构示意图如图1、2、3、4所示，本发明的技术方案为：在含有大规模储能系统的微电网中，多台PCS并联运行为负载供电，如附图1中所示，采用主从控制方案，将并联运行的PCS分为两种类型，一类采用恒压恒频控制方式，称为主节点；另一类是采用带有弱下垂特性的恒功率方式，成为从节点。其中，主节点只有一个，由上层监控系统来指定，一般选择容量较大的PCS来担当，其余的PCS均为从节点。在稳态情况下，从节点PCS输出的有功和无功由监控系统下达的功率指令来设定，主节点PCS的输出功率则是根据负荷情况来动态调节。主、从节点PCS的两种控制方式的具体方案描述如下：

(1)主节点的恒压恒频控制策略

在微网系统处于孤岛运行状态时，必须有一个运行于恒压恒频控制方式的PCS作为主节点，为系统提供稳定的电压和频率。恒压恒频控制是指PCS按照受控电压源的模式运行，其基本原则是不管电池储能系统的输出功率(包括有功和无功)如何变化，其输出电压的幅值和频率一直维持不变，始终为额定值。PCS的恒压恒频控制通过频率和电压的双闭环控制来实现。

(2)从节点的恒功率控制策略

恒功率控制是指PCS按照设定的有功和无功目标值Pref、Qref来控制其输出的有功功率和无功功率，PCS运行于受控电流源模式。在恒功率控制模式下，PCS输出的有功和无功不随微网的电压和频率的变化而变化。在孤岛运行时，从节点接收来自上层监控系统的有功、无功目标值Pref和Qref，并通过功率和电流双闭环控制，保证其输出功率能够快速跟踪到给定值。

在主从控制方式下的微网中，为了维持稳定的电压和频率，主节点是必须的；而且为了防止出现功率环流，一个独立的微网中作为主电源的恒压恒频节点只能有一个。主节点按照固定的电压和频率运行，其输出的有功功率和无功功率随负荷的波动以及恒功率运行的从节点输出总功率的变化而变化，用以平抑两者的差值，以保证整个系统有功功率和无功功率的动态平衡，正因如此主节点对整个系统的稳定具有重要意义。

另一方面，从节点恒功率运行方式需要系统中有维持电压和频率稳定的电源。在并网模式下这个电源由大电网来充当，在孤岛模式下则由主节点来充当。因而在孤岛运行的微电网中，除恒压恒频的主节点外，其它电源都运行于恒功率控制模式充当从节点，以下将其称为从节点群。由于主节点的输出功率不可控，通常选取容量较大的储能系统来充当。同时，上层监控系统通过调节从节点总的有功和无功，使从节点与总负荷之间的有功和无功偏差尽可能小，从而使得主节点只提供动态有功和无功，保证处于主节点的电池储能系统能够保持较高的荷电状态(SOC)，以提高其可用时间。

这种主从控制模式的优点在于，在电源容量足够的前提下，微网系统的电压稳定和频率稳定都很容易实现，抗负载扰动能力强，故障恢复时间短。

尽管主从控制模式具有很好的稳态特性，且对于负荷的波动也具有较强的鲁棒性，但是在主从控制模式中，主节点对整个系统的稳定起着至关重要的作用，从节点群的运行对主节点具有很强的依赖性，一旦主节点故障退出，微网的电压和频率稳定将得不到保证，出现扰动时整个系统将面临崩溃的风险。由于这种强依赖性的存在，主节点退出或需要切换主节点时，系统将变得非常脆弱；此外在微网系统在孤岛运行方式和并网运行方式之间切换时，恒压恒频运行的主节点也需要切换为恒功率运行方式，即也会面临稳定性问题。

为解决这一难题，本发明在从节点群的恒功率控制策略中引入弱下垂特性，以降低从节点群对主节点的依赖，提高微网系统运行可靠性。如附图2中所示，下垂控制的基本原理是：通过对储能系统的PCS的控制策略做特殊的设计，使其模拟传统发电机特性运行，即输出有功、无功分别随频率和电压的变化而变化。本发明所述的储能系统PCS的下垂控制原理为：

P＝P₀-k₁(f-f₀)

Q＝Q₀-k₂(V-V₀)

如附图所示，下垂控制利用PCS输出有功功率和频率呈线性关系而无功功率和电压幅值成线性关系的原理而进行控制。当分布式电源输出有功和无功功率分别增加时，分布式电源的运行点由A点向B点移动。带有弱下垂特性的PCS控制策略如附图3中所示。

理论上下垂控制方法由于其具有不需要分布式电源之间通信联系就能实施其控制的潜力，所以可以用于不需要主电源的对等控制策略中的PCS的控制。但是这种对等控制策略的稳定运行边界受下垂特性的参数、PCS的容量以及负荷的特性的影响显著，因此要实现无需主电源的对等控制的微电网，在实际应用中还受到多方面的制约。

本发明将P-f、Q-V下垂特性引入到从节点群的恒功率控制器中，并通过设定较小的下垂控制系数，使从节点具备弱下垂特性。一方面，通过设置较小的下垂系数，使得下垂特性不会对从节点的控制器构成显著影响；另一方面，通过设置频率和电压的触发死区Δf_b、ΔV_b，仅当微网系统的频率或电压偏差超出死区范围时才触发相应的下垂控制特性，以保证在并网模式以及主节点运行正常时，从节点的运行不受下垂特性的影响，如附图4中所示。

在不出现大型负荷投、退等大扰动的情况下，上层监控系统按照前述的功率分配方案，能够保证主节点的处于轻载运行状态。在这种状态下，从节点群和负荷构成的整体运行于某个稳态附近，在控制器引入上述弱下垂特性后，即使主节点退出，从节点群和负荷之间也能实现动态功率平衡。即弱下垂特性降低了微网系统对于主节点的强依赖性，这为主节点的切换和系统故障穿越创造了极为有利的条件。

因此，在需要切换主节点或主节点故障退出时，微网系统依靠从节点群的弱下垂特性运行到某个能满足功率动态平衡的稳态，达到稳定的电压和频率并短时运行；上层监控系统检测到原主节点退出后，立即在从节点群中重新选择一个节点作为主节点，使该节点从恒功率控制模式平滑切换到恒压恒频控制模式，直至其担当起主节点的角色，带动系统回到原来设定的电压和频率的稳态。当微网系统需要从孤岛运行切换到并网运行时，则是主节点从恒压恒频控制切换为恒功率控制，切换过程与前述类似。

本发明通过在从节点群的恒功率控制器中，引入弱下垂特性和死区触发机制，有效降低了微网系统对于主节点的强依赖性，避免了主节点故障退出以及节点类型切换时出现电压和频率崩溃的风险。

下面结合具体实例和附图对本发明所述的含多PCS的电池储能系统的动态功率协调控制方法的原理进行说明。

本实施例中，如附图5所示为一个含有3套储能装置的微电网系统，储能装置额定功率分别为100kW、100kW和200kW，3台PCS并联运行带阻感负载，某个稳态下负载消耗的功率为150kW、50kvar。上层监控系统选定PCS3作为主节点提供380V/50z的电压和频率参考，并给PCS1和PCS2设定出力均为60kW/20kvar，PCS3的实际输出功率为30kW/10kvar。

某时刻PCS3故障退出运行，系统的出力出现缺口，频率和电压开始出现偏差并达到下垂控制的死区阈值，触发了PCS1和PCS2的弱下垂特性，经过动态调节PCS1和PCS2自动增加有功和无功出力，达到75kW/25kvar，微网系统重新达到功率平衡。随后，上层监控系统检测到PCS3退出，于是指定PCS1作为恒压恒频的主节点，系统重新回到380V/50Hz的额定运行点。

本发明所述的控制方法通过含3套电池储能系统的实施案例进行说明，但并不限于实施案例所述的系统。

Claims (5)

1.一种电池储能系统的动态功率协调控制方法，所述电池储能系统包括有为负载供电的并联运行的多台功率变换器，其特征在于并联运行的多台功率变换器分为两种类型，采用主从控制方案，一类采用恒压恒频控制方式，称为主节点；另一类是采用带有弱下垂特性的恒功率方式，成为从节点，其中，主节点只有一个，由上层监控系统来指定，一般选择容量较大的功率变换器来担当，其余的功率变换器均为从节点，在稳态情况下，从节点功率变换器输出的有功和无功由监控系统下达的功率指令来设定，主节点功率变换器的输出功率则是根据负荷情况来动态调节，主、从节点功率变换器的两种控制方式的动态功率协调控制方法如下：

1)主节点的恒压恒频控制策略

在微网系统处于孤岛运行状态时，必须有一个运行于恒压恒频控制方式的功率变换器作为主节点，为系统提供稳定的电压和频率，恒压恒频控制是指功率变换器按照受控电压源的模式运行，其基本原则是不管电池储能系统的输出功率如何变化，包括有功和无功，其输出电压的幅值和频率一直维持不变，始终为额定值；

2)从节点的恒功率控制策略

恒功率控制是指功率变换器按照设定的有功和无功目标值Pref、Qref来控制其输出的有功功率和无功功率，功率变换器运行于受控电流源模式，在恒功率控制模式下，功率变换器输出的有功和无功不随微网的电压和频率的变化而变化，在孤岛运行时，从节点接收来自上层监控系统的有功、无功目标值Pref和Qref，并通过功率和电流双闭环控制，保证其输出功率能够快速跟踪到设定的目标值。

2.根据权利要求1所述的电池储能系统的动态功率协调控制方法，其特征在于上述主节点功率变换器的恒压恒频控制通过频率和电压的双闭环控制来实现。

3.根据权利要求1所述的电池储能系统的动态功率协调控制方法，其特征在于上述从节点功率变换器的恒功率控制策略中引入弱下垂特性，以降低从节点群对主节点的依赖，提高微网系统运行可靠性，下垂控制的基本原理是：通过对储能系统的功率变换器的控制策略做特殊的设计，使其模拟传统发电机特性运行，即输出有功、无功分别随频率和电压的变化而变化。

4.根据权利要求1所述的电池储能系统的动态功率协调控制方法，其特征在于上述储能系统功率变换器的下垂控制原理为：

P＝P₀-k₁(f-f₀)    (1)

Q＝Q₀-k₂(V-V₀)    (2)

其中，P₀、Q₀为稳态下初始的有功功率和无功功率，f₀、V₀为系统的额定频率和电压，P、Q分别为频率和电压为f、V时功率变换器输出的有功功率和无功功率。下垂控制利用功率变换器输出有功功率和频率呈线性关系而无功功率和电压幅值成线性关系的原理而进行控制，当分布式电源输出有功和无功功率分别增加时，分布式电源由某个运行点A向另一个运行点B移动。

5.根据权利要求1所述的电池储能系统的动态功率协调控制方法，其特征在于上述公式(1)(2)中，P-f、Q-V下垂特性引入到从节点群的恒功率控制器中，并通过设定较小的下垂控制系数，使从节点具备弱下垂特性；一方面，通过设置较小的下垂系数，使得下垂特性不会对从节点的控制器构成显著影响；另一方面，通过设置频率和电压的触发死区Δf_b、ΔV_b，仅当微网系统的频率或电压偏差超出死区范围时才触发相应的下垂控制特性，以保证在并网模式以及主节点运行正常时，从节点的运行不受下垂特性的影响。

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