CN103762610B - 基于主从下垂控制的分布式储能系统 - Google Patents

Abstract

一种基于主从下垂控制的分布式储能系统，其由直流母线、主储能单元、从储能单元、上位机控制器组成。该储能系统中只有一个主储能单元，主储能单元由主储能设备、主储能单元控制器、双向DC/DC变换器和开关组成，主储能单元与直流母线相连。从储能单元的数量根据需要配备，从储能单元包括从储能设备、从储能单元控制器、双向DC/DC变换器和开关，从储能单元与直流母线连接。上位机控制器控制主储能单元与从储能单元的工作状态。主储能单元采用电压型下垂控制算法，以电压源形式稳定直流母线电压，从储能单元采用电流型下垂控制算法，以电流源形式向直流母线提供能量。

Description

基于主从下垂控制的分布式储能系统

技术领域

本发明涉及一种分布式储能系统，尤其是一种基于主从下垂控制方式的分布式储能系统。

背景技术

能源是经济和社会发展的重要物质基础，电力作为最清洁便利的能源形式，是国民经济的命脉。分布式发电是指利用各种可用和分散存在的能源，包括可再生能源（太阳能、生物质能、小型风能、小型水能、波浪能等）和本地可方便获取的化石类燃料（主要是天然气）进行发电供能的技术。相较于传统的发电技术，分布式发电供能系统由于采用就地能源，可以实现分区分片灵活供电，通过合理的规划设计，在灾难性事件发生导致大电网瓦解的情况下，可以保证对重要负荷的供电，并有助于大电网快速恢复供电，降低大电网停电造成的社会经济损失；分布式发电供能技术还可利用天然气、冷、热能易于在用户侧存储的优点，与大电网配合运行，实现电能在用户侧的分布式替代存储，从而间接解决电能无法大量存储这一世界性难题，促进电网更加安全高效运行。虽然分布式电源优点突出，但分布式能源具有明显的随机性、间歇性和布局分散性的特征。当配电网中分布式电源的比例较高时，要实现配电网安全运行和功率平衡，并保证电能质量和供电可靠性的难度很大。微电网中加入储能系统，可有效提高微电网的稳定性，减小新能源发电对配电网的冲击，提高新能源利用率。微电网中储能系统可分为集中式储能系统与分布式储能系统，相比于集中式储能系统，分布式储能系统的灵活度更高，储能单元的利用率更高，当某一储能单元出现故障时，剩余储能单元仍然支撑微电网正常工作，提高了微电网的可靠性。并联技术是分布式储能系统利用的关键技术，直接关系到分布式储能系统是否可以正常运行以及储能单元是否有较高的利用率。

现有的并联技术主要分为有互联线并联技术与无互联线并联技术。常见的有互联线并联均流技术有主从设置法、平均电流法、最大电流法等。

（1）主从设置法：该方法选择一个模块作为主模块，同时将其余模块定为从模块，主模块有电压和电流两个控制环，而从模块只有一个电流环，这种并联运行方式实际上是用一个电压调节闭环去控制多个电流环。因此，各个模块的电流给定都是相同的，可以实现电流无差调节，达到很好的电流均分效果。该方法均流效果较好，但是由于互联线的存在，增加了控制难度，当并联系统中主模块发生故障时，整个系统无法正常工作，可靠性低。

（2）平均电流法：平均电流法控制均流，是将各个模块的电流平均值送到每一个模块，通过与自身电感电流作比较得出误差，参与所在模块的电压闭环控制，以达到电流均分的效果。平均电流法可以实现精确地电流均分效果，但是当电路中任何一个模块出现问题时，都会使控制算法失效，导致系统出现故障。

（3）最大电流法：该方法需要一个控制算法模块，采集母线的电流值，核算出一个新的量与电感电流相比较，控制算法模块实现以下功能：当模块计算值大于零时它的输出值为零，当模块计算值小于零时它的输出值为计算结果。这样，就实现了最大电流控制，当电感电流成为各个模块中最大的电流值时，控制算法模块输出偏差值，电压给定值下降，从而使模块的电感的电流值降低。该方法的缺点是控制复杂，某个模块工作异常，会影响整个系统的工作稳定性。

现有的无互联线控制技术主要是电压型下垂特性调整法，该方法按下垂特性调整并联模块的输出特性，使输出阻抗较大的模块的输出电压较大，输出阻抗较小的模块的输出电压较小，从而达到有差均流效果。该方法控制简单，成本低，容易实现冗余控制，提高系统可靠性，但该方法属于有差控制，各模块之间耦合度较高，存在相互干扰。

中国专利201120527069.1公布了一种开关电压并联供电装置，该专利包括两个以上的相互并联的DC‐DC开关电源模块和与其连接的外部控制电路。该装置采用SG3525A脉宽调制型控制器芯片实现DC‐DC开关电源的电压转换与稳压功能，同时采用下垂法来实现均流，可以达到按一定比例分配输出电流。该发明所采用的下垂控制方式为电压型下垂控制方式，并联的DC‐DC开关电压模块之间耦合度较高，当外部条件发生变化时，该专利所提到的并联供电装置均流效果会变差。

中国专利201310311649.0公布了一种多路并联的DC‐DC变换器控制系统及方法。该专利每个DC‐DC变换器单独设置了电流内环控制模块，每个电流内环控制模块根据采集的对应DC‐DC变换器的电抗器电流来分别调整输出的占空比，实现并联的DC‐DC变换器之间的电流分配。该专利主要通过独立的电流内环来分别限定不同的电流给定，对每个DC‐DC变换器的电抗器电流进行独立闭环控制。该发明通过电流内环可以实现并联DC‐DC变换器之间的精确均流，但是控制相对复杂且需要互联线，同时增加了控制成本。

发明内容

本发明的目的在于解决现有并联技术存在的问题，提出一种基于主从下垂控制的分布式储能系统。本发明储能单元之间不需互联线，控制简单，易于扩展，并联模块数量没有数量方面的限制，同时该分布式储能系统采用主从式下垂控制方式，降低了各并联模块之间耦合度，降低了模块之间的相互干扰。本发明适用于需要分布式式供电电源的各种工作场合，尤其适用于含有新能源发电的分布式微电网系统。

1、一种基于主从下垂控制的分布式储能系统，其特征在于：所述分布式储能系统由直流母线、主储能单元、从储能单元和上位机控制器组成。所述直流母线由正极直流母线和负极直流母线组成，所述的主储能单元与直流母线连接，所述的从储能单元与直流母线连接。所述主储能单元只有一个，从储能单元的数量根据需要配备。主储能单元与从储能单元分担功率的比例通过主储能单元与从储能单元的下垂系数设定。主储能单元由主储能设备、主储能单元控制器、双向DC/DC变换器与开关组成，主储能单元与从储能单元采用同一类型的双向变换器和同一类型的开关。所述的主储能设备与双向DC/DC变换器连接，双向DC/DC变换器通过开关与直流母线连接，主储能单元控制器采集双向DC/DC变换器与主储能设备的状态信息，并控制双向DC/DC变换器的工作状态，主储能单元控制器通过信号线与上位机控制器连接，通过通信协议交换控制信息。从储能单元由从储能设备、从储能单元控制器、双向DC/DC变换器与开关组成，从储能设备与双向DC/DC变换器连接，双向DC/DC变换器通过开关与直流母线连接，从储能单元控制器采集双向DC/DC变换器与从储能设备状态信息，并控制双向DC/DC变换器的工作状态，从储能单元控制器通过信号线与上位机控制器连接，通过通信协议交换控制信息。

2、所述的主储能单元的控制器采用的控制步骤如下：

步骤1：启动主储能单元控制器；

步骤2：采集主储能单元及直流母线状态信息；

步骤3：判断上位机控制器是否发出投入信号；

步骤4：当上位机控制器发出投入信号时，主储能单元投入工作；

步骤5：主储能单元控制器运行电压型下垂控制算法。

3、所述的电压型下垂控制算法的步骤如下：

步骤1：主储能单元控制器对主储能单元输出电压和输出电流进行采样，得到输出电压反馈信号U_out与输出电流反馈信号i_out；

步骤2：主储能单元控制器中输出电流反馈信号与下垂系数K相乘，得到电压偏移量ΔU；

步骤3：主储能单元给定输出电压参考值U_ref减去电压偏移量ΔU，得到主储能单元实际输出电压参考值U'_ref；

步骤4：主储能单元实际输出电压参考值U'_ref减输出电压反馈信号U_out生成电压偏差ΔU'，经过PI调节器调节产生信号ΔU'_out；

步骤5：PI调节器调节产生的信号ΔU'_out经过PWM调制，产生驱动信号驱动双向DC/DC变换器。

4、所述的从储能单元，其特征在于：从储能单元控制器采用的控制步骤如下：

步骤1：启动从储能单元控制器；

步骤2：采集从储能单元及直流母线状态信息；

步骤3：判断上位机控制器是否发出投入信号；

步骤4：当上位机控制器发出投入信号时，从储能单元投入工作；

步骤5：从储能单元控制器运行电流型下垂控制算法。

5、所述的电流型下垂控制算法的步骤如下：

步骤1：从储能单元控制器对从储能单元输出电压和输出电流进行采样，得到输出电压反馈信号U_out1与输出电流反馈信号i_out1；

步骤2：从储能单元控制器用从储能单元参考电压U_ref1减去输出电压反馈信号U_out1得到电压偏移量ΔU_out1；

步骤3：电压偏移量乘以下垂系数K₁得到输出电流参考值i_ref1；

步骤4：输出电流参考值i_ref1与输出电流反馈信号i_out1相减，得到输出电流偏差值Δi_out1，Δi_out1经过PI调节器产生调节信号Δi'_out1；

步骤5：调节信号Δi'_out1进过PWM调制，产生驱动信号驱动双向DC/DC变换器。

6、所述上位机控制器采用的控制流程步骤如下：

步骤1：启动上位机控制器；

步骤2：巡检各储能单元，采集各储能单元以及直流母线状态信息；

步骤3：判断各储能单元是否工作正常，如果工作正常，转入下一步操作，如果工作不正常，进行故障报警；

步骤4：判断直流母线电压是否在合理区间，如果直流母线电压在合理区间，上位机控制器转入步骤2，如果直流母线电压没有处在合理区间，转入步骤5；

步骤5：投入主储能单元，主储能单元正常工作；

步骤6：判断直流母线电压是否在合理区间，如果直流母线电压在合理区间，上位机控制器转入步骤2，如果直流母线电压没有在合理区间，转入步骤7；

步骤7：投入从储能单元1，从储能单元1正常工作；

步骤8：判断直流母线电压是否在合理区间，如果直流母线电压在合理区间，上位机控制器转入步骤2，如果直流母线电压没有在合理区间，转入下一步操作；

步骤9：投入从储能单元2，从储能单元2正常工作；

步骤10：判断直流母线电压是否在合理区间，如果直流母线电压在合理区间，上位机控制器转入步骤2，如果直流母线电压没有在合理区间，进行故障报警。

附图说明

图1基于主从下垂控制的分布式储能系统结构图；

图2电压型下垂控制算法框图；

图3电流型下垂控制算法框图；

图4基于下垂控制的分布式储能系统原理图；

图5主从下垂控制功率均分原理图；

图6储能单元1输出电压、储能单元2输出电压、与母线电压仿真波形；

图7储能单元1输出电流、储能单元2输出电流、与母线电流仿真波形。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明基于主从下垂控制的分布式储能系统结构如图1所示，基于主从下垂控制的分布式储能系统由直流母线、主储能单元、从储能单元和上位机控制器组成。直流母线由正极直流母线和负极直流母线组成，主储能单元与直流母线连接，从储能单元与直流母线连接；所述的主储能单元只有一个，从储能单元的数量根据需要配备。主储能单元与从储能单元分担功率的比例通过主储能单元与从储能单元的下垂系数设定。主储能单元由主储能设备、主储能单元控制器、双向DC/DC变换器与开关组成，主储能单元与从储能单元采用同一类型的双向DC/DC变换器和同一类型的开关。主储能设备与双向DC/DC变换器连接，双向DC/DC变换器通过开关与直流母线连接，主储能单元控制器采集双向DC/DC变换器与主储能设备的状态信息，并控制双向DC/DC变换器的工作状态，主储能单元控制器通过信号线与上位机控制器连接，通过通信协议交换控制信息。从储能单元由从储能设备、从储能单元控制器、双向DC/DC变换器与开关组成，从储能设备与双向DC/DC变换器连接，双向DC/DC变换器通过开关与直流母线连接，从储能单元控制器采集双向DC/DC变换器与从储能设备状态信息，并控制双向变换器的工作状态，从储能单元控制器通过信号线与上位机控制器连接，通过通信协议交换控制信息。

主储能单元控制器采用的控制流程步骤如下：步骤1：启动主储能单元控制器。步骤2：采集主储能单元及直流母线状态信息。步骤3：判断上位机控制器是否发出投入信号。步骤4：若上位机控制器发出投入信号，主储能单元投入工作。步骤5：主储能单元控制器运行电压型下垂控制算法。电压型下垂控制算法如图2所示，对主储能单元输出电压和输出电流进行采样，得到输出电压反馈信号U_out与输出电流反馈信号i_out。输出电流反馈信号i_out与下垂系数K相乘，得到电压偏移量ΔU。主储能单元给定输出电压参考值U_ref减去电压偏移量ΔU相减，得到主储能单元实际输出电压参考值U'_ref。主储能单元实际输出电压参考值U'_ref减输出电压反馈信号U_out生成电压偏差ΔU'，经过PI调节器调节产生信号ΔU'_out调节信号ΔU'_out经过PWM调制，产生驱动信号驱动双向DC/DC变换器。

从储能单元控制器采用的控制流程步骤如下：步骤1：从储能单元控制器启动。步骤2：采集从储能单元及直流母线状态信息。步骤3：判断上位机控制器是否发出投入信号。步骤4：若上位机控制器发出投入信号，从储能单元投入工作。步骤5：从储能单元控制器运行电流型下垂控制算法。从储能单元控制器采用的电流型下垂控制算法如图3所示，对从储能单元输出电压和输出电流进行采样，得到输出电压反馈信号U_out1与输出电流反馈信号i_out1。从储能单元控制器预先设定的从储能单元参考电压U_ref1减去输出电压反馈信号U_out1得到电压偏移量ΔU_out1，电压偏移量乘以下垂系数K₁得到输出电流参考值i_ref1，输出电流参考值i_ref1与输出电流反馈信号i_out1相减，得到输出电流偏差值Δi_out1，Δi_out1经过PI调节器产生调节信号Δi'_out1；调节信号Δi'_out1进过PWM调制，产生驱动信号驱动双向DC/DC变换器。

上位机控制器采用的控制流程步骤如下：步骤1：上位机控制器启动。步骤2：巡检各储能单元，采集各储能单元以及直流母线状态信息。步骤3：判断各储能单元是否正常，如果正常，转入下一步操作，如果不正常，进行故障报警。步骤4：判断直流母线电压是否在合理区间，如果直流母线电压在合理区间，上位机控制器转入步骤2，如果直流母线电压没有处在合理区间，转入下一步操作。步骤5：投入主储能单元，主储能单元正常工作。步骤6：判断直流母线电压是否在合理区间，如果直流母线电压在合理区间，上位机控制器转入步骤2，如果直流母线电压没有在合理区间，转入下一步操作。步骤7：投入从储能单元1，从储能单元1正常工作。步骤8：判断直流母线电压是否在合理区间，如果直流母线电压在合理区间，上位机控制器转入步骤2，如果直流母线电压没有在合理区间，转入下一步操作。步骤9：投入从储能单元2，从储能单元2正常工作。步骤10：判断直流母线电压是否在合理区间，如果直流母线电压在合理区间，上位机控制器转入步骤2，如果直流母线电压没有在合理区间，进行故障报警。

基于主从控制的分布式储能系统控制原理图如图4所示，主储能单元等效为电压源DC1，从储能单元等效为电流源DC2，线路阻抗等效为R₁、R₂。电压源DC1通过R₁与负载R₀连接，电流源DC2通过R₂与负载R₀连接，电压源DC1与电流源DC2一起向负载供电。电压源DC1提供的电流I₁可有式（1）表示，负载两端电压可由式（2）表示：

$I_1=\frac{U_1-I_2{R}_0}{R_1+R_0}---\left(1\right)$

$U_0=U_1-I_1{R}_1=\frac{U_1{R}_0-I_2{R}_0{R}_1}{R_1+R_0}---\left(2\right)$

由公式（1）可知，主储能单元1电流I₁受I₂、U₁、R₁影响，屏蔽了R₂对储能单元均流的影响，降低了储能单元之间的耦合度。由公式（2）可知，负载电压不受线路阻抗R₂的影响，线路阻抗R₂的变化不影响负载两端的电压，提高了系统的稳定性。

基于主从下垂控制的分布式储能系统控制原理如图5所示，主储能单元采用电压下垂控制方式，从储能单元采用电流下垂控制方式，主储能单元起支撑母线电压的作用，由于采用了下垂控制方式，电压会出现一定的偏移量，由于从储能单元采用电流型下垂控制，电流的大小取决于电压偏移量与下垂系数，通过控制从储能单元的下垂系数，可以控制从储能单元分担的功率，从而实现储能单元的并联控制。主从下垂控制算法集合电压型下垂控制和电流型下垂控制的优点，降低了主储能单元与从储能单元的耦合度，可以根据需要，分配主储能单元与从储能单元分担功率的比例，具有更好的灵活性。

仿真验证主从下垂控制算法的可行性,仿真系统主要参数：额定直流母线参考电压U_BUS:750V，直流负荷R:100kW（5.62Ω），蓄电池电压V₁：375V开关频率f：20kHz，线路阻抗R₁:0.1Ω，线路阻抗R₂：0.05Ω，电感L₁：1mH，直流母线侧电容C₂：1000μF。1S时电流源扰动由50A变为80A。主储能单元输出电压波形、从储能单元输出电压波形。与直流母线电压仿真波形如图6所示。主储能单元输出电流波形、从储能单元电流波形、负载直流母线电流波形如图7所示。有一点需要特别指出，在0.4S出现暂态过程，0.4S之前，从储能单元输出电流为零，在0.4S后，从储能模块输出电流，这说明再启动状态时，主储能单元与从储能单元不能同时投入，工作时，需要先投入主储能单元后，再投入从储能单元，主储能单元与从储能单元分担功率的比例通过主储能单元与从储能单元的下垂系数设定。

Claims (4)

1.一种基于主从下垂控制的分布式储能系统，所述分布式储能系统由直流母线、主储能单元、从储能单元和上位机控制器组成：所述的直流母线由正极直流母线和负极直流母线组成；所述的主储能单元与直流母线连接，所述的从储能单元与直流母线连接；所述的主储能单元只有一个，从储能单元的数量根据需要配备；主储能单元与从储能单元分担功率的比例通过主储能单元与从储能单元的下垂系数设定；

所述的主储能单元由主储能设备、主储能单元控制器、双向DC/DC变换器与开关组成，主储能单元与从储能单元所采用同一类型的双向DC/DC变换器和同一类型的开关；所述的主储能设备与双向DC/DC变换器连接，双向DC/DC变换器通过开关与直流母线连接；所述的主储能单元控制器采集双向DC/DC变换器与主储能设备的状态信息，并控制双向DC/DC变换器的工作状态，主储能单元控制器通过信号线与上位机控制器连接，通过通信协议交换控制信息，

所述的从储能单元由从储能设备、从储能单元控制器、双向DC/DC变换器与开关组成；所述的从储能设备与双向DC/DC变换器连接，双向DC/DC变换器通过开关与直流母线连接；所述的从储能单元控制器采集双向DC/DC变换器与从储能设备状态信息，并控制双向变换器的工作状态，从储能单元控制器通过信号线与上位机控制器连接，通过通信协议交换控制信息，

其特征在于：

所述的主储能单元控制器采用的控制步骤如下：

步骤1a：启动主储能单元控制器；

步骤2a：采集主储能单元及直流母线状态信息；

步骤3a：判断上位机控制器是否发出投入信号；

步骤4a：当上位机控制器发出投入信号时，主储能单元投入工作；

步骤5a：主储能单元控制器运行电压型下垂控制算法；

所述的从储能单元控制器采用的控制步骤如下：

步骤1b：启动从储能单元控制器；

步骤2b：采集从储能单元及直流母线状态信息；

步骤3b：判断上位机控制器是否发出投入信号；

步骤4b：当上位机控制器发出投入信号时，从储能单元投入工作；

步骤5b：从储能单元控制器运行电流型下垂控制算法。

2.按照权利要求1所述的基于主从下垂控制的分布式储能系统，其特征在于：所述的步骤5a中主储能单元控制器运行的电压型下垂控制算法的步骤为：

步骤1：主储能单元控制器对主储能单元输出电压和输出电流进行采样，得到输出电压反馈信号U_out与输出电流反馈信号i_out；

步骤2：主储能单元控制器中输出电流反馈信号与下垂系数K相乘，得到电压偏移量ΔU；

步骤3：主储能单元给定输出电压参考值U_ref减去电压偏移量ΔU，得到主储能单元实际输出电压参考值U'_ref；

步骤4：主储能单元实际输出电压参考值U'_ref减输出电压反馈信号U_out生成电压偏差ΔU'，经过PI调节器调节产生信号ΔU'_out；

步骤5：调节信号ΔU'_out经过PWM调制，产生驱动信号驱动双向DC/DC变换器。

3.按照权利要求1所述的基于主从下垂控制的分布式储能系统，其特征在于：所述的步骤5b中，从储能单元控制器运行的电流型下垂控制算法的步骤为：

步骤1：从储能单元控制器对从储能单元输出电压和输出电流进行采样，得到输出电压反馈信号U_out1与输出电流反馈信号i_out1；

步骤2：从储能单元控制器中从储能单元参考电压U_ref1减去输出电压反馈信号U_out1得到电压偏移量ΔU_out1；

步骤3：电压偏移量乘以下垂系数K₁得到输出电流参考值i_ref1；

步骤4：输出电流参考值i_ref1与输出电流反馈信号i_out1相减，得到输出电流偏差值Δi_out1，Δi_out1经过PI调节器产生调节信号Δi'_out1；

步骤5：调节信号Δi'_out1进过PWM调制，产生驱动信号驱动双向DC/DC变换器。

4.按照权利要求1所述的基于主从下垂控制的分布式储能系统，其特征在于：所述的上位机控制器采用的控制步骤如下：

步骤1：启动上位机控制器；

步骤2：巡检各储能单元，采集各储能单元以及直流母线状态信息；

步骤3：判断各储能单元是否工作正常，如果工作正常，转入下一步操作，如果工作不正常，进行故障报警；

步骤4：判断直流母线电压是否在合理区间，如果直流母线电压在合理区间，上位机控制器转入步骤2，如果直流母线电压没有处在合理区间，转入步骤5；

步骤5：投入主储能单元，主储能单元正常工作；

步骤6：判断直流母线电压是否在合理区间，如果直流母线电压在合理区间，上位机控制器转入步骤2，如果直流母线电压没有在合理区间，转入步骤7；

步骤7：投入从储能单元1，从储能单元1正常工作；

步骤8：判断直流母线电压是否在合理区间，如果直流母线电压在合理区间，上位机控制器转入步骤2，如果直流母线电压没有在合理区间，转入步骤9；

步骤9：投入从储能单元2，从储能单元2正常工作；

步骤10：判断直流母线电压是否在合理区间，如果直流母线电压在合理区间，上位机控制器转入步骤2，如果直流母线电压没有在合理区间，进行故障报警。