CN103560546A - 一种计及储能荷电状态的改进下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种计及储能荷电状态的改进下垂控制方法，属于分布式电源优化控制领域。该控制方法将电源系统的储能荷电状态与电源输出的有功、无功功率一起作为已知的本地信息，利用改进下垂控制方法对有功下垂系数进行动态整定，并通过对有功下垂系数的影响性分析最终确定了控制策略中的初始有功下垂系数，从而使得分布式电源根据自身的发电裕度来承担用户负荷。发明克服了传统下垂控制无法根据实际发电能力动态调节电源出力的缺点，可以有效地根据电源发电能力实现负荷的合理分配。

Description

一种计及储能荷电状态的改进下垂控制方法

所属技术领域

本发明属于分布式电源优化控制领域，具体涉及计及储能荷电状态的改进下垂控制方法。

背景技术

微电网是一种可将分布式电源（Distributed Generation，DG）、储能、负荷结合起来的小型电网结构。微电网供电方式为分布式发电技术提供了新的方向，但与此同时也对接口变换器技术提出了新的要求。因为分布式电源具有响应速度慢、惯性小等特点，使得微电网系统整体表现出的抗扰动能力较差，当系统中存在功率不平衡时，频率会迅速发生变化。因此，如何保证可控DG能够快速响应并合理分配负荷波动成为了保证微电网稳定运行的关键问题。

下垂控制仿照传统电网中发电机的功频特性关系对DG的逆变器进行控制，使得并联运行的逆变器可以通过各自的有功下垂系数自动分配负荷的变化量，而减小系统对通信环节的依赖程度。然而传统下垂控制策略中的下垂系数是固定不变的，负荷波动较大时，可能会导致系统失稳。因此合理的控制策略显得极其重要，该领域迫切需要一种可以动态调节下垂系数，使得发电系统可以根据自身发电能力来调整出力大小的改进控制方法。

发明内容

本发明针对现有传统下垂控制策略在实际工程中可能遇到的问题，提出了一种计及储能荷电状态的改进下垂控制方法，用于根据电源储能系统的SOC（stateof charge，荷电状态）来对有功下垂系数进行动态修正，使得各电源可以根据自身发电能力来合理承担负荷，并可以通过有功下垂系数的整定来均衡各电源储能系统的SOC，从而满足分布式电源运行过程中的实际需求，可广泛应用于微电网控制运行相关领域的科学研究和工程应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种计及储能荷电状态的改进下垂控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，选取微电网中某个电源系统i作为研究对象，把剩余电源等效为一个等值电源j，把微电网化简成由2个电源构成的并联系统；

步骤2，对步骤1所得并联系统进行动态稳定性分析，通过对网络、负荷以及逆变器的模型分析，建立并联系统的小信号分析模型，根据状态方程的特征根确定有功下垂系数的极限值；

步骤3，保持传统下垂控制方法中的无功下垂系数k_q不变，利用一个与输出有功功率、无功功率以及SOC相关的函数对有功下垂系数k_p进行动态修正，利用改进后的控制方程对逆变器输出电压的幅值和频率进行控制；

步骤4，结合储能配置容量比例系数和储能最大放电深度，确定初始有功下垂系数的限值，从而确定具体控制方程，对微电网合理运行进行控制。

本发明的优点和积极效果是：

本发明的计及储能荷电状态的改进下垂控制方法，在传统下垂控制策略的基础上，把储能系统的SOC也作为本地信息应用于控制方程之中，通过负荷变化的判断来调整SOC对有功下垂系数的影响关系，使得无论负荷增大或减小，发电裕度充足的电源系统都可以承担较多的负荷，并且通过对有功下垂系数的整定，实现均衡多个储能单元SOC的目的。本发明提出的方法可以有效地根据储能SOC实现负荷功率的合理分配，并且可以均衡各电源储能系统的SOC，对保证微电网系统内各分布式电源安全可靠的运行具有重要作用。

附图说明

图1为微电网结构图；

图2为并联系统等效电路图；

图3为有功下垂系数变化时特征值轨迹图；

图4（a）—图4（c）为算例1仿真结果图，其中，图4（a）为储能系统SOC曲线，图4（b）为DG1有功出力曲线，图4（c）为DG2有功出力曲线。

图5（a）—图5（b）为算例2负荷增大后的仿真结果图，其中，图5（a）为两储能系统SOC变化曲线，图5（b）为两发电系统有功出力曲线。

图6（a）—图6（b）为算例2负荷减小后的仿真结果图，其中，图6（a）为两储能系统SOC变化曲线，图6（b）为两发电系统有功出力曲线。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

如无特殊说明，文中各公式变量下标表征某个分布式电源的对应参数。

实施例1

如图1是本实施例的微电网结构图，各DG发电单元通过电力电子转换接口接入微电网，为了保证发电系统出力稳定，在逆变器直流侧配置了储能单元。

计及储能荷电状态的改进下垂控制方法包括如下步骤：

1）选取某个电源系统i作为研究对象，把剩余电源等效为一个等值电源j，从而把复杂的微电网化简成由2个电源（下文中的DG1、DG2）构成的并联系统，其等效电路如附图2所示。配电网相电压幅值为311V，频率为50Hz；DG1额定输出功率S_DG1=(5+j2)kVA，储能配置容量为10kWh；DG2额定输出功率S_DG2=(10+j3)kVA，储能配置容量为20kWh；DG1、DG2控制器中传统无功下垂系数为1×10^-4；线路阻抗Z_L1=(0.001+j0.618)Ω，Z_L2=(0.001+j0.314)Ω；负荷为S=(15+j5)kVA。

2）在dq0坐标下，逆变器输出电压的幅值和相角满足：

$V_i=\sqrt{V_{\mathrm{di}}^2+V_{\mathrm{qi}}^2}$

${\mathrm{\δ}}_i=\arctan \left(\frac{V_{\mathrm{qi}}}{V_{\mathrm{di}}}\right)$

其中，Vi是逆变器输出电压幅值，Vdi和Vqi分别是将逆变器输出电压进行坐标变换后的d轴和q轴电压，δi是输出电压的相角。

根据附图2写出系统网络及负荷状态方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_1=\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}=U_1-U_f-i_1{R}_1\\ L_2=\frac{{\mathrm{di}}_2}{\mathrm{dt}}=U_2-U_f-i_2{R}_2\\ L\frac{{\mathrm{di}}_3}{\mathrm{dt}}=U_f-i_{3}R\end{array}\right.$

对应附图2，式中，i₁、i₂、i₃分别为相应支路上的电流，R₁、R₂、R分别为相应支路上的电阻，L₁、L₂、L分别为相应支路上的电感，U₁、U₂、U_f是相应节点的电压。

上述公式描述了该微网系统的动态特性，将其在稳定运行点处线性化后可得：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{X}\\ \mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{I}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{D}_1& 0_{(3\×1)}\\ 0_{(3\×1)}& D_2\\ & 0_{(4\×2)}\end{array}\right]\left[{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{ref}}\right]+\left[\begin{array}{cccc}{M}_{1(3\×3)}+C_1{I}_{1}K& 0_{(3\×3)}& C_1{V}_{1(3\×2)}& 0_{(3\×2)}\\ 0_{(3\×3)}& M_{2(3\×3)}+C_2{I}_{2}K& 0_{(3\×2)}& C_1{V}_1(3\×1)\\ & B_{(4\×6)}& & A_{(4\×4)}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔX}\\ \mathrm{\ΔI}\end{array}\right]$

其中，[ΔX]＝[Δω₁ΔV_d1ΔV_q1Δω₂ΔV_d2ΔV_q2]^T

[ΔI]＝[Δi_d1Δi_q1Δi_d1Δi_q1]^T

ΔP_ref＝[ΔP_ref1,ΔP_ref2]^T

$M_i=\left[\begin{array}{ccc}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{fi}}& 0& 0\\ \frac{l_{\mathrm{qi}}}{k_{\mathrm{di}}{l}_{\mathrm{qi}}-k_{\mathrm{qi}}{l}_{\mathrm{di}}}& \frac{k_{\mathrm{qi}}{l}_{\mathrm{di}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{fi}}}{k_{\mathrm{di}}{l}_{\mathrm{qi}}-k_{\mathrm{qi}}{l}_{\mathrm{di}}}& \frac{k_{\mathrm{qi}}{l}_{\mathrm{qi}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{fi}}}{k_{\mathrm{di}}{l}_{\mathrm{qi}}-k_{\mathrm{qi}}{l}_{\mathrm{di}}}\\ \frac{l_{\mathrm{di}}}{k_{\mathrm{qi}}{l}_{\mathrm{di}}-k_{\mathrm{di}}{l}_{\mathrm{qi}}}& \frac{k_{\mathrm{qi}}{l}_{\mathrm{di}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{fi}}}{k_{\mathrm{di}}{l}_{\mathrm{qi}}-k_{\mathrm{qi}}{l}_{\mathrm{di}}}& \frac{k_{\mathrm{qi}}{l}_{\mathrm{qi}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{fi}}}{k_{\mathrm{di}}{l}_{\mathrm{qi}}-k_{\mathrm{qi}}{l}_{\mathrm{di}}}\end{array}\right]$

$C_i=\left[\begin{array}{cc}-m_{\mathrm{pi}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{fi}}& 0\\ 0& \frac{n_{\mathrm{qi}}{k}_{\mathrm{qi}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{fi}}}{k_{\mathrm{di}}{l}_{\mathrm{qi}}-k_{\mathrm{qi}}{l}_{\mathrm{di}}}\\ 0& \frac{n_{\mathrm{qi}}{k}_{\mathrm{di}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{fi}}}{k_{\mathrm{qi}}{l}_{\mathrm{di}}-k_{\mathrm{di}}{l}_{\mathrm{qi}}}\end{array}\right]$

$K=\left[\begin{array}{ccc}0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]D_i=\left[\begin{array}{c}{m}_{\mathrm{pi}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{fi}}\\ 0\\ 0\end{array}\right]$

$A=\left[\begin{array}{cccc}-\frac{R_1}{L_1}-\frac{1}{L_1}(\frac{R}{L}-\frac{R_1}{L_1})/(\frac{1}{L_1}+\frac{1}{L_2}+\frac{1}{L})& {\mathrm{\ω}}_{s0}& -\frac{1}{L_1}(\frac{R}{L}-\frac{R_2}{L_2})/(\frac{1}{L_1}+\frac{1}{L_2}+\frac{1}{L})& 0\\ -{\mathrm{\ω}}_{s0}& -\frac{R_1}{L_1}-\frac{1}{L_1}(\frac{R}{L}-\frac{R_1}{L_1})/(\frac{1}{L_1}+\frac{1}{L_2}+\frac{1}{L})& 0& -\frac{1}{L_1}(\frac{R}{L}-\frac{R_2}{L_2})/(\frac{1}{L_1}+\frac{1}{L_2}+\frac{1}{L})\\ \frac{1}{L_2}(\frac{R}{L}-\frac{R_1}{L_1})/(\frac{1}{L_1}+\frac{1}{L_2}+\frac{1}{L})& 0& \frac{R_2}{L_2}-\frac{1}{L_2}(\frac{R}{L}-\frac{R_2}{L_2}{}_{})/(\frac{1}{L_1}+\frac{1}{L_2}+\frac{1}{L})& {\mathrm{\ω}}_{s0}\\ 0& -\frac{1}{L_2}(\frac{R}{L}-\frac{R_1}{L_1})/(\frac{1}{L_1}+\frac{1}{L_2}+\frac{1}{L})& -{\mathrm{\ω}}_{s0}& -\frac{R_2}{L_2}-\frac{1}{L_2}(\frac{R}{L}-\frac{R_2}{L_2})/(\frac{1}{L_1}+\frac{1}{L_2}+\frac{1}{L})\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{cccccc}{i}_{q10}/2& \frac{1}{L_1}-\frac{1}{L_1}\frac{1}{L_1}/(\frac{1}{L_1}+\frac{1}{L_2}+\frac{1}{L})& 0& i_{q10}/2& -\frac{1}{L_1}\frac{1}{L_2}/(\frac{1}{L_1}+\frac{1}{L_2}+\frac{1}{L})& 0\\ -i_{d10}/2& 0& \frac{1}{L_1}-\frac{1}{L_1}\frac{1}{L_1}/(\frac{1}{L_1}+\frac{1}{L_2}+\frac{1}{L})& -i_{q10}/2& 0& -\frac{1}{L_1}\frac{1}{L_2}/(\frac{1}{L_1}+\frac{1}{L_2}+\frac{1}{L})\\ i_{q20}/2& -\frac{1}{L_2}\frac{1}{L_1}/(\frac{1}{L_1}+\frac{1}{L_2}+\frac{1}{L})& 0& i_{q20}/2& \frac{1}{L_2}-\frac{1}{L_2}\frac{1}{L_2}/(\frac{1}{L_1}+\frac{1}{L_2}+\frac{1}{L})& 0\\ -i_{d20}/2& 0& -\frac{1}{L_2}\frac{1}{L_1}/(\frac{1}{L_1}+\frac{1}{L_2}+\frac{1}{L})& -i_{d20}/2& 0& \frac{1}{L_2}-\frac{1}{L_2}\frac{1}{L_2}/(\frac{1}{L_1}+\frac{1}{L_2}+\frac{1}{L})\end{array}\right]$

当保证系统其余参数不变，有功下垂系数从1.5×10^-4增大到2.4×10^-4rad/(s·W)时，特征根响应变化轨迹如附图3所示。从图中可以看出，当有功下垂系数不断变大的过程中，共轭复根λ1和λ2是会从虚轴左侧逐步接近虚轴直至移动到虚轴右侧，这就表明有功下垂系数直接关系着微电网的频率稳定能力。利用系统小信号模型状态方程的特征根可以计算出有功下垂系数的极限值为：k_pmax=2.05×10^-4。

3）考虑把输出功率以及储能系统的SOC状态作为本地信息，根据实时SOC数据和储能系统容量对有功下垂系数进行动态修正。改进的下垂调节关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_i={\mathrm{\ω}}^{*}-\frac{k_0}{{\mathrm{SOC}}_i^{2\·\mathrm{sgn}(P_i-P_{\mathrm{iref}})}\·\mathrm{\λ}}(P_i-P_{\mathrm{iref}})\\ V_i=V^{*}-k_q(Q_i-Q_{\mathrm{iref}})\end{array}\right.$

式中，ω_i、V_i、P_i、Q_i分别为电源系统i输出电压的角频率、幅值以及输出的有功功率和无功功率，ω^*为额定电压角频率；k₀为初始有功下垂系数，其数值需要进一步确定，SOC_i是储能系统的荷电状态；sgn(x)为符号函数，用于返回参数x的正负情况；λ是储能系统容量比例系数，定义为

C_ESS,i是电源系统i的储能配置容量。P_iref是电源系统i的电源额定有功功率；V^*为参考电压幅值；k_q是传统下垂控制中的无功下垂系数；Q_iref是电源系统i的电源额定无功功率。

4）另外，为保证储能元件的使用寿命，通常在运行过程中，储能SOC不能低于其最大放电深度。当λ=1时控制方程中的初始有功下垂系数限值就可以通过系统有功下垂系数极限和具体储能设备的最大放电深度获得，其结果如下表1所示。

表1不同储能设备对应的初始有功下垂系数

储能设备	最大放电深度	初始下垂系数限值
			深循环型蓄电池	80%	1.31×10-4
浅循环型蓄电池	50%	5.13×10-5

至此便可以确定本发明改进下垂控制方法的具体参数，下面结合两个Matlab/Simulink平台下的算例来更好地展示本发明的有效性。

算例1，假定系统首先在离网状态下稳定运行，当t=0.1s时，有功负荷增加2kW，t=0.6s时，有功负荷减少3kW，t=1.1s时，仿真结束。保持DG2的有功下垂系数为k_p2=1×10^-5，让DG1在本发明提出的改进下垂控制策略下运行，初始有功下垂系数为k₀=1×10^-5。事先通过给某光伏发电系统规划储能单元容量后获得其SOC在一天中的变化趋势，为了更好达到本算例的目的，人为地把该SOC波动曲线的时间尺度进行收缩，并且将曲线扩展平移，从而获得图4（a）中的SOC曲线，并将其作为已知信号量来整定有功下垂系数，观察DG1有功出力与储能SOC之间的对应关系，仿真结果如图4（b）所示。图4（c）中给出了DG2的出力曲线，DG2系统通过保持下垂系数恒定来承担剩余的负荷需求。可以看出，在当负荷变化后，DG1的平均出力相应上升或下降，但会根据储能SOC的状态围绕平均值上下波动，且波动趋势和储能SOC的变化趋势一致，相对算例1的传统下垂控制方法，此控制方法可以有效地根据电源系统实时的发电能力调整其所承担的负荷比重。

算例2，假定系统首先在离网状态下稳定运行，当t=0.1s时，负荷增加2kW，t=1.1s时，结束仿真。同时对DG2也采用改进下垂控制策略，初始有功下垂系数设定为k₀=1×10^-5，并且不再把储能SOC数据作为本地已知信息，而是利用库仑计算法分析储能SOC随时间的变化趋势。考虑到仿真时间以及实验设施所限，在不影响仿真结果定性分析的基础上，对仿真过程中DG1和DG2所配储能容量进行等比例缩小，分别设置为3.6kWh和7.2kWh，以便获得更加直观的仿真波形。

图5（a）—图5（b）给出的是DG1和DG2均采用改进下垂控制策略后储能单元SOC和电源有功出力的仿真结果。图6（a）—图6（b）给出的是当t=0.1s时，负荷减小3kW后，DG1和DG2出力以及储能单元SOC的仿真结果。

由图5(a)可知，在0.1s负荷增加时，两电源系统储能单元均转入放电状态，SOC开始逐步下降，并且两者之间的差值不断缩小。图6中(a)图显示，在0.1s负荷减小时，两储能系统同时转入充电状态，但随着时间的推移，两者SOC也逐步接近。可以看出，本发明控制方法可以很好地让多个储能系统实现SOC的均衡效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种计及储能荷电状态的改进下垂控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，选取微电网中某个电源系统i作为研究对象，把剩余电源等效为一个等值电源j，把微电网化简成由2个电源构成的并联系统；

步骤2，对步骤1所得并联系统进行动态稳定性分析，通过对网络、负荷以及逆变器的模型分析，建立并联系统的小信号分析模型，根据状态方程的特征根确定有功下垂系数的极限值；

步骤3，保持传统下垂控制方法中的无功下垂系数k_q不变，利用一个与输出有功功率、无功功率以及SOC相关的函数对有功下垂系数k_p进行动态修正，利用改进后的控制方程对逆变器输出电压的幅值和频率进行控制；

步骤4，结合储能配置容量比例系数和储能最大放电深度，确定初始有功下垂系数的限值，从而确定具体控制方程，对微电网合理运行进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种计及储能荷电状态的改进下垂控制方法，其特征在于，所述步骤2中建立的小信号分析模型，根据状态方程特征根的变化趋势分析有功下垂系数对并联系统动态稳定性能的影响，并根据并联系统处于临界稳定时的状态参数确定有功下垂系数的限值。

3.根据权利要求1所述的一种计及储能荷电状态的改进下垂控制方法，其特征在于，所述步骤3在传统下垂控制方法的基础上，对有功下垂系数k_p进行动态修正，逆变器输出电压幅值和频率的控制方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_i={\mathrm{\ω}}^{*}-\frac{k_0}{{\mathrm{SOC}}_i^{2\·\mathrm{sgn}(P_i-P_{\mathrm{iref}})}\·\mathrm{\λ}}(P_i-P_{\mathrm{iref}})\\ V_i=V^{*}-k_q(Q_i-Q_{\mathrm{iref}})\end{array}\right.$

式中，ω_i、V_i、P_i、Q_i分别为电源系统i输出电压的角频率、幅值以及输出的有功功率和无功功率，ω^*为额定电压角频率；k₀为初始有功下垂系数，SOC_i是电源系统i储能系统的荷电状态；sgn(x)为符号函数，用于返回参数x的正负情况；λ是储能系统容量比例系数，定义为

C_ESS,i是电源系统i的储能配置容量；P_iref是电源系统i的电源额定有功功率；V^*为参考电压幅值；k_q是传统下垂控制中的无功下垂系数；Q_iref是电源系统i的电源额定无功功率。

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