CN106712093A - 基于大容量储能系统的孤岛并联运行的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大容量储能系统的孤岛并联运行的控制方法，采用考虑蓄电池荷电状态的储能系统并联运行时的改进下垂控制；该控制方法根据荷电状态的不同将系统分为三种运行状态，利用滞环控制器得到变下垂因子实时调整蓄电池的功率状态，使得蓄电池实时根据自身状态提前进行充放电，保证蓄电池荷电状态处于安全运行范围，使得蓄电池荷电状态到功率均分的效果。本发明克服了传统蓄电池荷电状态的安全运行范围小，蓄电池容易出现过度充电和放电现象以及蓄电池的使用寿命低等缺陷。

Description

基于大容量储能系统的孤岛并联运行的控制方法

技术领域

本发明涉及储能系统优化控制技术领域，具体涉及一种基于大容量储能系统的孤岛并联运行的控制方法。

背景技术

化石能源的消耗以及全球变温问题的日益严重促进了可再生能源并网发电技术的快速发展。近年来，光伏与风电等可再生能源并网穿透力不断增强，由于分布式发电单元输出功率具有随机性和间歇性特点，为了提升系统电能质量和稳定性，通常将在风光发电系统中配置大功率储能系统构成小型独立自治微电网。

微电网可以运行在并网和孤岛模式，在并网模式期间储能系统主要采用功率平抑控制策略减小间歇性和随机性波动功率影响电力系统稳定性，在孤岛期间储能系统需要建立电压和频率保证孤岛系统能够自治稳定运行。与并网运行相比，大功率蓄电池储能系统并联孤岛运行工况更加复杂，对于如何实现多个蓄电池储能系统功率均分控制是主要关键难点。在传统下垂控制中，系统没有考虑蓄电池的实际荷电状态，也没有考虑蓄电池荷电状态的安全运行范围，不利于实现多个蓄电池储能系统的均分控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有控制方式的不足，提供一种基于大容量储能系统的孤岛并联运行的控制方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于大容量储能系统的孤岛并联运行的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、建立两级式拓扑结构的光伏发电系统，前级采用boost变换器进行最大功率跟踪控制，后级采用电压源型逆变器进行功率控制；

步骤二、建立由永磁同步电机、风力涡轮机以及双PWM变换器组成的风力发电系统，其中机侧变换器用于最大功率跟踪，网侧变换器用于直流电压控制；

步骤三、建立由蓄电池阵列和电压源型逆变器组成的大容量蓄电池储能系统；

步骤四、在孤岛运行模式时，将步骤三建立的系统采用下垂控制方法维持PCC电压和频率稳定；

步骤五、根据蓄电池荷电状态初始值的不同将储能系统运行状态分为两种情况：相同的荷电状态和不同荷电状态；

荷电状态相同时，对功率进行平均分配；

荷电状态不同时根据SOC的状态调整储能变换器的输出功率情况，将储能系统的充放电方式分为三种；

1)当蓄电池储能系统的荷电状态均未达到上限或者下限阈值时，此时多个储能系统按照SOC实际状态进行功率均分控制；

2)当多个蓄电池储能系统中的任意一个蓄电池SOC达到上限阈值时，启动变下垂控制调整下垂曲线使其充电功率逐渐变小，而蓄电池SOC未达到上限阈值的系统充电功率逐渐增加；

3)当多个蓄电池储能系统中的任意一个蓄电池SOC进入下限阈值时，启动变下垂控制策略使其放电功率逐渐变小，而蓄电池SOC未进入下限阈值的储能系统放电功率逐渐增加。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明采用变下垂控制法，克服了传统方法难以均分控制的问题，避免常规方法控制信号的不精确性，该方法能够在SOC处于正常运行区间使得储能并联系统按照SOC实际状态进行均分分配，在SOC达到上限或者下限阈值时，通过控制策略能够使得SOC较大的蓄电池充电功率逐渐减小，SOC较小的蓄电池放电功率逐渐减小，进而能够尽可能的防止蓄电池出现过度充电和过度放电现象，减小储能系统切除的概率，提升可靠性；

(2)与传统的储能系统控制方法相比，本发明发挥了蓄电池充放电的灵活性，既符合储能系统的实际需求，又提高了蓄电池的寿命，达到了工业用户的心理期望。

附图说明

图1为本发明的应用的大容量储能系统应用的典型结构示意图。

图2为本发明的应用的下垂控制原理图。

图3为本发明的应用的改进下垂控制的内部结构示意图。

图4(a)和图4(b)为本发明考虑蓄电池SOC上限和下限的变下垂因子的计算原则示意图。

图5(a)-图5(f)为本发明实施例在蓄电池SOC达到下限时的仿真结果图，图5(a)为风机输出功率，图5(b)为负载功率，图5(c)为光伏输出功率，图5(d)为储能系统输出功率，图5(e)为蓄电池1的SOC，图5(f)为蓄电池2的SOC。

图6(a)-图6(f)为本发明实施例在蓄电池SOC达到上限时的仿真结果图，图6(a)为风机输出功率，图6(b)为负载功率，图6(c)为光伏输出功率，图6(d)为储能系统输出功率，图6(e)为蓄电池1的SOC，图6(f)为蓄电池2的SOC。

具体实施方式

参见图1，为本发明的应用的大容量储能系统应用的典型结构示意图，大容量储能系统通常配置在光伏和风电发电系统中。光伏采用两级式拓扑结构，前级采用boost变换器实现最大功率跟踪控制，后级采用电压源型逆变器实现功率控制。风力发电系统由永磁同步电机、风力涡轮机以及双PWM变换器组成，机侧变换器实现最大功率跟踪，而网侧变换器实现直流电压控制。蓄电池储能系统主要由蓄电池阵列和电压源型逆变器组成，在并网模式下储能系统主要工作在功率平抑控制模式，减小电网侧的功率波动，提升电能质量；在孤岛运行模式下，多个并联型储能系统主要采用下垂控制维持PCC电压和频率稳定，为本地负载提供电压和频率支撑，实现不间断供电。

本发明的一种基于大容量储能系统的孤岛并联运行的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、建立两级式拓扑结构的光伏发电系统，前级采用boost变换器进行最大功率跟踪控制，后级采用电压源型逆变器进行功率控制；

步骤二、建立由永磁同步电机、风力涡轮机以及双PWM变换器组成的风力发电系统，其中机侧变换器用于最大功率跟踪，网侧变换器用于直流电压控制；

步骤三、建立由蓄电池阵列和电压源型逆变器组成的大容量蓄电池储能系统；

步骤四、在孤岛运行模式时，将步骤三建立的系统采用下垂控制方法维持PCC电压和频率稳定，为本地负载提供电压和频率支撑；

步骤五、根据蓄电池荷电状态初始值的不同将储能系统运行状态分为两种情况：相同的荷电状态和不同荷电状态；

荷电状态相同时，对功率进行平均分配；

荷电状态不同时根据SOC的状态调整储能变换器的输出功率情况，将储能系统的充放电方式分为三种；

1)当蓄电池储能系统的荷电状态均未达到上限或者下限阈值时，此时多个储能系统按照SOC实际状态进行功率均分控制；

2)当多个蓄电池储能系统中的任意一个蓄电池SOC达到上限阈值时，启动变下垂控制调整下垂曲线使其充电功率逐渐变小，而蓄电池SOC未达到上限阈值的系统充电功率逐渐增加；进而避免蓄电池因SOC达到上限进入停止模式；

3)当多个蓄电池储能系统中的任意一个蓄电池SOC进入下限阈值时，启动变下垂控制策略使其放电功率逐渐变小，而蓄电池SOC未进入下限阈值的储能系统放电功率逐渐增加，进而避免蓄电池因SOC达到下限进入停止模式。

进一步的，如图2、图3所示，步骤五中变下垂控制策略具体为：

引入蓄电池之间的比值系数k，将系数k分别与功率参考值和下垂系数进行相乘进而改变储能逆变器的下垂系数和功率参考点，使其按照SOC实际状态进行功率均分，变下垂控制等式为：

(P^*·k-P)·k_p·k＝ω^*-ω

(Q^*·k-Q)·k_q·k＝u_ref-u_m

式中，P^*和P分别为有功功率指令和实际值，Q^*和Q分别为无功功率指令和实际值，k_p和k_q分别为有功下垂系数和无功下垂系数，ω^*和ω分别为基波角频率指令值和实际值，u_ref和u_m分别为电压额定值和实际值，k为第一蓄电池和第二蓄电池的荷电状态比值。

将蓄电池SOC经过滞环控制器；

参见图4(a)-图4(b)，蓄电池SOC达到下限和上限阈值时有功功率下垂的表达式分别为：

(P^*·k-P)·k_p·k+k_xm＝ω^*-ω

(P^*·k-P)·k_p·k+k_sm＝ω^*-ω

式中：k_xm为下限变下垂因子；k_sm为上限变下垂因子；

当SOC达到下限阈值时，其滞环控制器输出为1激活积分支路，此时下限变下垂因子k_xm逐渐增加，使得达到下限的蓄电池储能逆变器输出功率逐渐减小；

当SOC达到上限阈值时，其滞环控制器输出为1激活积分支路，使得k_sm逐渐增加，进而使得达到上限的储能逆变器吸收功率减小；

通过变下垂因子可以调整变下垂控制输出曲线特性进而调整储能变换器的功率状态以保证蓄电池SOC处于安全运行范围。

通过仿真软件搭建风光储孤岛运行的仿真模型。光伏发电系统额定功率为0.5MW，风力发电系统额定功率为1.5MW，蓄电池储能系统容量为1200Ah，额定功率为2MW。下面分为两种情况进行仿真，分别为模式1和模式2。模式1为其中一个蓄电池SOC达到下限阈值，模式2为其中一个蓄电池SOC达到上限阈值。设置SOC上限为85％，下限为35％，上限阈值为80％，下限阈值为40％。当达到下限或者上限阈值时启动变下垂控制，当蓄电池SOC达到上限和下限时，储能系统停止工作。

图5(a)-图5(f)为本发明在蓄电池SOC达到下限时的仿真结果图，图5(a)为风机输出功率，图5(b)为负载功率，图5(c)为光伏输出功率，图5(d)为储能系统输出功率，图5(e)为蓄电池1的SOC，图5(f)为蓄电池2的SOC。

在起始阶段，蓄电池1的初始SOC为40.6％，蓄电池2的初始SOC为81.2％，大功率蓄电池储能系统首先建立稳定交流电压和频率，负载功率为1.8MW，仿真波形与模式1类似。在5s时，光伏发电系统和风力发电系统接入交流母线，此时风速为7m/s，光照强度为1000W/m²，采用MPPT算法可以实现分布式发电单元的最大功率运行，分布式发电单元输出功率小于负载功率，不足的功率由储能系统提供。在7s时，风速由7m/s变为8m/s，此时风速增加，风机输出功率增加。在10s时负载功率由1.8MW增加至3.3MW，储能系统按照SOC状态输出功率，当达到17.08s时，蓄电池1的SOC达到下限阈值40％，因此启动变下垂控制，使得蓄电池1的输出功率逐渐减小，而蓄电池2的功率逐渐增加进而减缓蓄电池1的荷电状态达到下限速度，防止蓄电池1较快的达到下限。

图6(a)-图6(f)为本发明在蓄电池SOC达到上限时的仿真结果图，图6(a)为风机输出功率，图6(b)为负载功率，图6(c)为光伏输出功率，图6(d)为储能系统输出功率，图6(e)为蓄电池1的SOC，图6(f)为蓄电池2的SOC。

在起始阶段，蓄电池1的初始SOC为41％，蓄电池2的初始SOC为79.8％，大功率蓄电池储能系统首先建立稳定交流电压和频率，负载功率为0.6MW。在5s时，光伏发电系统和风力发电系统接入交流母线，此时风速为8m/s，光照强度为1000W/m²，采用MPPT算法可以实现分布式发电单元的最大功率运行，分布式发电单元输出功率大于负载功率，剩余的功率对储能系统进行充电，蓄电池SOC逐渐增加。在9s和12s时，风速分别为10m/s和11m/s，此时风速增加，风机输出功率增加，分布式发电单元与负载吸收功率差值变大，蓄电池储能系统充电功率增加，SOC上升速度增加。在24.55s时，蓄电池2的SOC达到上限阈值80％，此时启动变下垂控制，从图中可以看出变下垂控制能够使得蓄电池2的吸收功率逐渐减小，而蓄电池1的吸收功率逐渐增加，进而防止蓄电池2达到上限。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的思想和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于大容量储能系统的孤岛并联运行的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、建立两级式拓扑结构的光伏发电系统，前级采用boost变换器进行最大功率跟踪控制，后级采用电压源型逆变器进行功率控制；

步骤二、建立由永磁同步电机、风力涡轮机以及双PWM变换器组成的风力发电系统，其中机侧变换器用于最大功率跟踪，网侧变换器用于直流电压控制；

步骤三、建立由蓄电池阵列和电压源型逆变器组成的大容量蓄电池储能系统；

步骤四、在孤岛运行模式时，将步骤三建立的系统采用下垂控制方法维持PCC电压和频率稳定；

步骤五、根据蓄电池荷电状态初始值的不同将储能系统运行状态分为两种情况：相同的荷电状态和不同荷电状态；

荷电状态相同时，对功率进行平均分配；

荷电状态不同时根据SOC的状态调整储能变换器的输出功率情况，将储能系统的充放电方式分为三种；

1)当蓄电池储能系统的荷电状态均未达到上限或者下限阈值时，此时多个储能系统按照SOC实际状态进行功率均分控制；

2)当多个蓄电池储能系统中的任意一个蓄电池SOC达到上限阈值时，启动变下垂控制调整下垂曲线使其充电功率逐渐变小，而蓄电池SOC未达到上限阈值的系统充电功率逐渐增加；

3)当多个蓄电池储能系统中的任意一个蓄电池SOC进入下限阈值时，启动变下垂控制策略使其放电功率逐渐变小，而蓄电池SOC未进入下限阈值的储能系统放电功率逐渐增加。

2.根据权利要求1所述的基于大容量储能系统的孤岛并联运行的控制方法，其特征在于，步骤五中变下垂控制策略具体为：

引入蓄电池之间的比值系数k，将系数k分别与功率参考值和下垂系数进行相乘进而改变储能逆变器的下垂系数和功率参考点，使其按照SOC实际状态进行功率均分，变下垂控制等式为：

(P^*·k-P)·k_p·k＝ω^*-ω

(Q^*·k-Q)·k_q·k＝u_ref-u_m

$k=\frac{{\mathrm{SOC}}_1}{{\mathrm{SOC}}_2}$

式中，P^*和P分别为有功功率指令和实际值，Q^*和Q分别为无功功率指令和实际值，k_p和k_q分别为有功下垂系数和无功下垂系数，ω^*和ω分别为基波角频率指令值和实际值，u_ref和u_m分别为电压额定值和实际值，k为第一蓄电池和第二蓄电池的荷电状态比值。

将蓄电池SOC经过滞环控制器；

蓄电池SOC达到下限和上限阈值时有功功率下垂的表达式分别为：

(P^*·k-P)·k_p·k+k_xm＝ω^*-ω

(P^*·k-P)·k_p·k+k_sm＝ω^*-ω

式中：k_xm为下限变下垂因子；k_sm为上限变下垂因子；

当SOC达到下限阈值时，其滞环控制器输出为1激活积分支路，此时下限变下垂因子k_xm逐渐增加，使得达到下限的蓄电池储能逆变器输出功率逐渐减小；

当SOC达到上限阈值时，其滞环控制器输出为1激活积分支路，使得k_sm逐渐增加，进而使得达到上限的储能逆变器吸收功率减小；

通过变下垂因子调整变下垂控制输出曲线特性进而调整储能变换器的功率状态以保证蓄电池SOC处于安全运行范围。