CN105932663A - 一种无需互联通信的分布式直流储能系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无需互联通信的分布式直流储能系统及其控制方法，根据储能单元变换器输出电流比，分别设计了充放电情况下包含储能单元荷电状态以及线路阻抗的虚拟电阻，在不采用通信系统的条件下，实现在分布式直流储能系统中的负荷功率动态分配；同时加入了本地电压二次控制器，使得由于下垂控制方法带来的电压降落能够满足系统最大电压偏差要求。本发明能够全面解决目前存在的控制策略依靠通信系统来均衡分布式电源的输出电压，不能实现储能单元根据当前荷电状态动态分配负荷功率，以及未能考虑到线路阻抗对储能单元输出电流分配精度的影响问题。

Description

一种无需互联通信的分布式直流储能系统及其控制方法

技术领域

本发明属于分布式发电控制系统技术领域，特别是涉及一种无需互联通信的分布式直流储能系统及其控制方法。

背景技术

针对分布式电源接入直流微电网系统而言，可再生能源的不稳定性和随机性,会给微电网的供电可靠性带来较大影响。将储能单元分布式接入直流母线，可以平抑系统的功率波动，提高供电稳定性。分布式系统中由于线路阻抗的存在，会导致储能单元电流分配精度下降，从而导致负荷功率在不同接口变换器之间的均衡效果下降。

目前，针对分布式直流储能系统一致性控制方面的研究较少，现有的研究主要集中在通过低带宽通信提高分布式发电系统的变换器输出电流的分配精度，以及不考虑线路阻抗的储能单元下垂控制方法。现有的方法采用互联通信的方式，建立平均电压观测器和平均电流观测器来均衡分布式电源的输出电压，以提高电流分配精度。这种方法依靠各分布式电源相互间的通信完成，控制较为复杂，可靠性差，一旦通信出现故障，将影响整个系统的正常运行。而且，通过给定每个变换器间的输出电流比，来实现负荷功率的分配，不能根据某时刻储能单元的荷电状态实时改变负荷功率分配比。而现有的储能单元下垂控制，通过分别设定与储能单元荷电状态相关的下垂系数，来实现储能单元的一致控制，使每个储能单元荷电状态最终趋于一致。该方法实现了负荷功率根据储能单元荷电状态的动态分配，但在分布式系统中，线路阻抗的存在会导致储能单元间的分配比跟下垂系数和线路阻抗同时相关，在这种情况下，采用该方法会造成功率分配的不合理。

因此，目前对分布式储能系统的控制方法，不能实现负荷功率根据储能单元荷电状态的动态分配，同时也没有在无互联通信系统下，考虑线路阻抗对储能单元下垂控制的影响。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种无需互联通信的分布式直流储能系统及其控制方法，能够全面解决目前存在的控制策略依靠通信系统来均衡分布式电源的输出电压，不能实现储能单元根据当前荷电状态动态分配负荷功率，以及未能考虑到线路阻抗对储能单元输出电流分配精度的影响问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种无需互联通信的分布式直流储能系统的一致性控制方法，包括步骤：

步骤(1)：根据系统中储能单元个数，建立包含线路阻抗的系统戴维南等效模型；根据戴维南等效模型，对各节点列写电压电流方程，得到在含有线路阻抗条件下，各储能单元的输出电流比值表达式；

步骤(2)：对各储能单元采用安时积分法实时分别得到各储能单元的剩余容量；根据各储能单元充放电一致性要求和输出电流比值表达式，分别得出各储能单元在充放电情况下虚拟电阻表达式；

步骤(3)：设定各储能单元剩余容量为1，并分别对各储能单元进行充电和放电，得到步骤(2)中虚拟电阻表达式中的初始充电下垂系数m_c和初始放电下垂系数m_d；

步骤(4)：根据各储能单元的剩余容量和负荷功率分配关系，得到步骤(2)中虚拟电阻表达式中的充电差异指数n_c和放电差异指数n_d；

步骤(5)：根据虚拟电阻表达式，建立储能单元中变换器的输出电压和电压参考值的二次电压控制环。利用所述二次电压控制环实现一致性控制。

进一步的是，所述步骤(4)中，取时刻为3-10时的每一时刻各储能单元的剩余容量和变换器输出功率，根据变换器输出额定功率限制以及直流母线电压跌落最大值限制选取的n_c和n_d。

进一步的是，所述步骤(5)中，在下垂控制的电压控制环中加入二次电压反馈控制得到二次电压控制环，克服储能单元变换器输出电压降落。

进一步的是，充放电模式下的虚拟电阻分别考虑了线路阻抗对负荷功率分配的影响，虚拟电阻表达式为：

$R_c=m_c{S}_{OC}^{n_c{S}_{OC}}-R_{line}$

$R_d=m_d\frac{1}{S_{OC}^{n_d{S}_{OC}}}-R_{line}.$

其中，m_c和m_d分别为初始充电下垂系数和初始放电下垂系数，n_c和n_d分别为充电差异指数和放电差异指数，R_line为线路阻抗。

进一步的是，设计的初始充电下垂系数和初始放电下垂系数m_c和m_d的设定值需满足系统充放电模式下储能单元剩余容量为1时直流母线电压波动在允许范围。

进一步的是，设计的充电差异指数和放电差异指数n_c和n_d的设定值需满足使得系统在充放电时变换器输出功率小于变换器额定功率且变换器输出电压波动在允许范围内。

另一方面，本发明还提供了一种无需互联通信的分布式直流储能系统，包括直流母线和并联在直流母线上的储能单元、供电单元和负载单元，所述储能单元包括储能电池和变换器，所述储能电池通过变换器连接到直流母线上。

进一步的是，所述变换器采用双向DC/DC变换器。

进一步的是，所述供电单元采用光伏发电单元，所述负载单元采用直流负载单元。

本发明所提出一种无需互联通信的分布式直流储能系统及其控制方法，采用本技术方案的有益效果：

本发明考虑了线路阻抗对输出电流分配精度的影响，根据在这种情况下的储能单元变换器输出电流比，分别设计了充放电情况下包含储能单元荷电状态以及线路阻抗的虚拟电阻，在不采用通信系统的条件下，实现在分布式直流储能系统中的负荷功率动态分配。同时加入了本地电压二次控制器，使得由于下垂控制方法带来的电压降落能够满足系统最大电压偏差要求。

采用基于虚拟电阻的下垂控制，通过分别设计充放电情况下，包含储能单元荷电状态以及线路阻抗间相互关系的虚拟电阻。在不采用通信系统的条件下，考虑线路阻抗对输出电流分配精度的影响，实现了在分布式直流储能系统中的负荷功率动态分配。

本发明提供的方法，无需互联通信系统，提高了考虑线路阻抗情况下的下垂控制精度，加强了系统的可靠性。本发明提供的方法，可以根据蓄电池的荷电状态，实时调节各储能单元的出力，最后达到出力一致，以达到延长蓄电池寿命的目的。

附图说明

图1为本发明的一种无需互联通信的分布式直流储能系统的结构图；

图2为本发明的包含线路阻抗的系统戴维南等效模型；

图3为本发明实施例中不同虚拟电阻下的下垂特性图；

图4为本发明实施例中一种无需互联通信的分布式直流储能系统的一致性控制方法示意图；

图5为实施例充电情况下储能单元SOC的实验结果图；

图6为实施例放电情况下储能单元SOC的实验结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

在实施例中，如图1所示的，一种无需互联通信的分布式直流储能系统，系统包括一个光伏发电单元，一个燃料电池发电单元，两个储能单元，分别通过线路阻抗连接到直流母线，为直流负载供电。当光伏电池发电功率小于负载需求功率时，两个储能单元同时放电，同光伏电池一同向负载供电；当光伏电池发电功率大于负载需求功率时，两个储能单元同时充电，吸收系统中多余的功率，此时光伏电池同时向负载和储能单元供电。图中，R_linea为光伏发电单元连接到直流母线所经过的等效线路阻抗；R_lineb为燃料电池发电单元连接到直流母线所经过的等效线路阻抗；R_line1、R_line2分别为储能单元1号和储能单元2号连接到直流母线所经过的等效线路阻抗。

在实施例中，提供了一种不采用通信系统的条件下，考虑线路阻抗对输出电流分配精度的影响的分布式直流储能系统中的一致性控制方法，包括步骤：

步骤(1)：根据系统中储能单元个数，建立包含线路阻抗的系统戴维南等效模型；根据戴维南等效模型，对各节点列写电压电流方程，得到在含有线路阻抗条件下，各储能单元的输出电流比值表达式。

如图2所示，为包含线路阻抗的系统戴维南等效模型，图中：U_ref为输出电压的参考值；U_o1、I_o1分别为储能单元1号中变换器输出电压和输出电流；U_o2、I_o2分别为储能单元2号变换器输出电压和输出电流；R_d1、R_d2分别为储能单元1号和储能单元2号的虚拟电阻；U_load表示负载电压。

根据图2所示，基于虚拟电阻的下垂控制方程为：

U_o1＝U_ref-R_d1I_o1；

U_o2＝U_ref-R_d2I_o2。

负载电压方程为：

U_load＝U_ref-R_d1I_o1-R_line1I_o1；

U_load＝U_ref-R_d2I_o2-R_line2I_o2。

各储能单元的输出电流比值表达式为：

$\frac{I_{o1}}{I_{o2}}=\frac{R_{line2}+R_{d2}}{R_{line1}+R_{d1}}.$

如图3所示，根据基于虚拟电阻的下垂控制方程，当输出电流增大时，输出电压降下降，电压变化方程为：

$R_{d1}\≤\frac{{\mathrm{\ΔU}}_{max}}{I_{o1}};$

$R_{d2}\≤\frac{{\mathrm{\ΔU}}_{max}}{I_{o2}};$

上式中，ΔUmax为系统最大允许电压变化量。

步骤(2)：对各储能单元采用安时积分法实时分别得到各储能单元的剩余容量；根据各储能单元充放电一致性要求和输出电流比值表达式，分别得出各储能单元在充放电情况下虚拟电阻表达式。

(2-1)采用安时积分法计算得到各储能单元的剩余容量。

$S_{OC1}=S_{OC1t=0}-\frac{1}{C_e{U}_{i1}}\∫P_{i1}dt;$

$S_{OC2}=S_{OC2t=0}-\frac{1}{C_e{U}_{i2}}\∫P_{i2}dt;$

上式中，SOC1、SOC2分别为储能单元1号和储能单元2号的剩余容量；SOC1_t＝0、SOC2_t＝0分别为储能单元1号和储能单元2号的初始剩余容量；C_e为储能单元额定容量；P_i1、P_i2分别为储能单元1号和储能单2号变换器输入功率；U_i1和U_i2分别为储能单元1号和2号变换器输入电压。

(2-2)设计充电情况下的虚拟电阻表达式。

充电情况下，要求剩余容量较小的储能单元拥有更大的充电电流，而剩余容量较大的储能单元拥有较小的充电电流。

在这种情况下，储能单元变换器输出电流比值为：

$\frac{I_{o1}}{I_{o2}}=\frac{m_c\frac{1}{S_{OC1}^{n_c{S}_{OC1}}}}{m_c\frac{1}{S_{OC2}^{n_c{S}_{OC2}}}};$

上式中，m_c为初始充电下垂系数，n_c为充电差异指数。

因此得到，储能单元充电时，虚拟电阻表达式为：

$R_{d1}=m_c{S}_{OC1}^{n_c{S}_{OC1}}-R_{line1}$

$R_{d2}=m_c{S}_{OC2}^{n_c{S}_{OC2}}-R_{line2}.$

(2-3)设计放电情况下的虚拟电阻表达式。

放电情况下，要求剩余容量较大的储能单元为负荷提供更多的功率，而剩余容量较小的储能单元提供较小的负荷功率。

在这种情况下，储能单元变换器输出电流比值为：

$\frac{I_{o1}}{I_{o2}}=\frac{m_d{S}_{OC1}^{n_d{S}_{OC1}}}{m_d{S}_{OC2}^{n_d{S}_{OC2}}};$

上式中，m_d为初始放电下垂系数，n_d为放电差异指数。

因此得到，储能单元放电时，虚拟电阻表达式为：

$R_{d1}=m_d\frac{1}{S_{OC1}^{n_d{S}_{OC1}}}-R_{line1}$

$R_{d2}=m_d\frac{1}{S_{OC2}^{n_d{S}_{OC2}}}-R_{line2}.$

步骤(3)：设定各储能单元剩余容量为1，并分别对各储能单元进行充电和放电，得到步骤(2)中虚拟电阻表达式中的初始充电下垂系数m_c和初始放电下垂系数m_d。

步骤(4)：根据各储能单元的剩余容量和负荷功率分配关系，得到步骤(2)中虚拟电阻表达式中的充电差异指数n_c和放电差异指数n_d。

取时刻为3-10时的每一时刻各储能单元的剩余容量和变换器输出功率，根据变换器输出额定功率限制以及直流母线电压跌落最大值限制选取的n_c和n_d。

步骤(5)：如图4所示，根据虚拟电阻表达式，建立储能单元中变换器的输出电压和电压参考值的二次电压控制环。克服储能单元变换器输出电压降落。

当上述实施例中，系统参数如下表所示：

在MATLAB/Simulink中建立仿真模型，采用本发明提出的控制方法，所得仿真结果如下：

如图5所示，显示了充电过程储能单元1号和储能单元2号的SOC变化情况；如图6所示，显示了放电过程储能单元1号和2号的SOC变化情况。

在充电过程中，初始剩余容量较大的储能单元1号拥有较小的充电电流，初始容量较小的储能单元2号拥有更大的充电电流。

而在放电过程中，初始剩余容量较大的储能单元1号拥有较大的放电电流，初始容量较小的储能单元2号拥有较小的放电电流。两个储能单元的SOC在一段时间的运行后，逐渐趋于一致。

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。本实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 (9)

1.一种无需互联通信的分布式直流储能系统的一致性控制方法，其特征在于，包括步骤：

步骤(1)：根据系统中储能单元个数，建立包含线路阻抗的系统戴维南等效模型；根据戴维南等效模型，对各节点列写电压电流方程，得到在含有线路阻抗条件下，各储能单元的输出电流比值表达式；

步骤(2)：对各储能单元采用安时积分法实时分别得到各储能单元的剩余容量；根据各储能单元充放电一致性要求和输出电流比值表达式，分别得出各储能单元在充放电情况下虚拟电阻表达式；

步骤(3)：设定各储能单元剩余容量为1，并分别对各储能单元进行充电和放电，得到步骤(2)中虚拟电阻表达式中的初始充电下垂系数m_c和初始放电下垂系数m_d；

步骤(4)：根据各储能单元的剩余容量和负荷功率分配关系，得到步骤(2)中虚拟电阻表达式中的充电差异指数n_c和放电差异指数n_d；

步骤(5)：根据虚拟电阻表达式，建立储能单元中变换器的输出电压和电压参考值的二次电压控制环。

2.根据权利要求1所述的一种无需互联通信的分布式直流储能系统的一致性控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中，取时刻为3-10时的每一时刻各储能单元的剩余容量和变换器输出功率，根据变换器输出额定功率限制以及直流母线电压跌落最大值限制选取的n_c和n_d。

3.根据权利要求1所述的一种无需互联通信的分布式直流储能系统的一致性控制方法，其特征在于，所述步骤(5)中，在下垂控制的电压控制环中加入二次电压反馈控制得到二次电压控制环，克服储能单元变换器输出电压降落。

4.根据权利要求1所述的一种无需互联通信的分布式直流储能系统的一致性控制方法，其特征在于，充放电模式下的虚拟电阻分别考虑了线路阻抗对负荷功率分配的影响，虚拟电阻表达式为：

$R_c=m_c{S}_{OC}^{n_c{S}_{OC}}-R_{line};$

$R_d=m_d\frac{1}{S_{OC}^{n_d{S}_{OC}}}-R_{line};$

其中，m_c和m_d分别为初始充电下垂系数和初始放电下垂系数，n_c和n_d分别为充电差异指数和放电差异指数，R_line为线路阻抗。

5.根据权利要求4所述的一种无需互联通信的分布式直流储能系统的一致性控制方法，其特征在于，设计的初始充电下垂系数和初始放电下垂系数m_c和m_d的设定值需满足系统充放电模式下储能单元剩余容量为1时直流母线电压波动在允许范围。

6.根据权利要求5所述的一种无需互联通信的分布式直流储能系统的一致性控制方法，其特征在于，设计的充电差异指数和放电差异指数n_c和n_d的设定值需满足使得系统在充放电时变换器输出功率小于变换器额定功率且变换器输出电压波动在允许范围内。

7.一种无需互联通信的分布式直流储能系统，其特征在于，包括直流母线和并联在直流母线上的储能单元、供电单元和负载单元，所述储能单元包括储能电池和变换器，所述储能电池通过变换器连接到直流母线上。

8.根据权利要求7所述的一种无需互联通信的分布式直流储能系统，其特征在于，所述变换器采用双向DC/DC变换器。

9.根据权利要求8所述的一种无需互联通信的分布式直流储能系统，其特征在于，所述供电单元采用光伏发电单元，所述负载单元采用直流负载单元。