CN107069693A - 应用于直流微电网分布式超级电容储能的协调控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于直流微电网分布式超级电容储能的协调控制方法，通过搭建直流微电网分布式超级电容储能系统模型，计算超级电容的荷电状态，得到各自功率分配系数；当有负载从微电网接入或切除时，采集电压、电流信息；采用虚拟电阻下垂控制微源，采用虚拟电容下垂控制超级电容，控制中引入计算得到的功率分配系数，以确定参考比例电流，使内部电流环输入电流跟随当前参考，实现功率按比例分配；根据得到的功率比例分配，利用超级电容补偿瞬时功率，直到输出为零，达到稳态。本发明可以实现超级电容器功率按照SOC比例分配，并且维持母线电压恒定。

Description

应用于直流微电网分布式超级电容储能的协调控制方法
技术领域
本发明涉及一种微电网协调控制方法，具体的说，是一种应用于直流微电网分布式超级电容储能的基于虚拟阻抗的协调控制方法。
背景技术
微电网是含有分布式发电单元、储能单元和负荷，并具备一定自我调节和控制能力的自制系统，既可以并网运行，也可以在大电网故障时孤岛运行。与交流微电网相比，将微源、储能单元和负荷通过直流传输线路连接起来的直流微电网，无须考虑相位和无功功率损耗等问题，减少了多级变换带来的能量损耗，提高了变流器利用率，备受国内外研究学者重视。如图1为直流微电网典型结构图。储能系统作为直流微电网的重要组成部分，是其稳定运行的关键，特别是在孤岛运行时，储能系统在稳定直流母线电压和补偿功率供需不平衡方面发挥着重要作用。
储能系统可以平衡系统功率，当加载时，储能系统可以提供不足的功率；当减载时，储能系统可以吸收多余的功率。对于一个只含有蓄电池的储能系统，其局限性在于：电池难以在短时间内快速充放电，它的动态响应不能跟上快速的瞬变过程，这将降低系统的效率；而且充放电的次数也很有限，反复快速充放电会缩短电池的使用寿命。与电池相比，超级电容功率密度大、动态响应快，并且具有较长的使用寿命，它可以不断快速的提供瞬时功率补偿。因此，在储能系统中，超级电容有较广泛的应用前景。
目前对于储能系统的研究多为蓄电池和超级电容构成的混合储能系统，一般采用集中式主从控制能量管理策略，超级电容作为辅助电流源为系统供电。但是，大多数方法需要准确的电流参考信号，对传感器和通信链路的要求比较高，测量难度也比较大；还有一些能量管理策略分别控制各储能单元变换器充放电，通过状态切换实现能量控制，但是该方法需要保证稳定的状态过渡，一般控制过程较复杂。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种应用于直流微电网分布式超级电容储能的协调控制方法，本发明应用于直流微电网分布式超级电容储能系统，在不影响储能系统外部特性的前提下，对储能单元进行合理控制，为分布式超级电容器动态分配功率，实现多个超级电容器之间的功率按SOC比例分配，进行能量管理，达到增强系统可靠性的目的。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明应用的直流微电网分布式超级电容储能系统，具体结构包括微源、储能单元和直流负荷，其中微源通过双向DC/DC变换器连接到直流母线；储能单元采用多台超级电容并联，分别通过双向DC/DC变换器连接到直流母线；负荷直接连接在直流母线上。
微源采用蓄电池。
一种应用于直流微电网分布式超级电容储能的协调控制方法，包括以下步骤：
(1)搭建直流微电网分布式超级电容储能系统模型，计算超级电容的荷电状态，得到各自功率分配系数；
(2)当有负载从微电网接入或切除时，采集电压、电流信息；
(3)采用虚拟电阻下垂控制微源，采用虚拟电容下垂控制超级电容，控制中引入计算得到的功率分配系数，以确定参考比例电流，使内部电流环输入电流跟随当前参考，实现功率按比例分配；
(4)根据得到的功率比例分配，利用超级电容补偿瞬时功率，直到输出为零，达到稳态。
所述步骤(1)中，在MATLAB/Simulink环境中搭建直流微电网分布式超级电容储能系统模型，模型包括微源、储能单元和直流负荷，其中微源通过双向DC/DC变换器连接到直流母线；储能单元采用多台超级电容并联，分别通过双向DC/DC变换器连接到直流母线；负荷直接连接在直流母线上。
所述步骤(1)中，各个超级电容的荷电状态为超级电容输出电压与其额定电压的比值。
所述步骤(1)中，各个超级电容的功率分配系数为各个超级电容的荷电状态的比值。
所述步骤(2)中，有负载从微电网接入或切除时，微电网系统的功率平衡被打破，电压、电流信息通过低带宽通信网络传送到各个本地控制器。
低带宽通信网络只负责传递电压和电流等信息，所有计算都是在本地控制器中实现的，且各本地控制器相同，均包括外部电压环控制，下垂控制及内部电压环、电流环控制。
所述步骤(3)中，微源的下垂控制为，控制电压等于参考电压与微源下垂控制虚拟电阻与输出电流的乘积之间的差值。
所述步骤(3)中，超级电容下垂控制为，超级电容的控制电压为参考电压与超级电容器的输出电流与超级电容器下垂控制虚拟电容的比值之间的差值。
所述步骤(4)中，超级电容补偿瞬时功率后，发挥作用逐渐减小，直到稳态时输出为零，同时，蓄电池逐渐发挥作用，为负载供电。
所述步骤(4)中，经过电压环后的电流参考信号，乘以功率分配比例系数，得到参考比例电流信号作为电流环的参考输入，使电流环输入电流跟随当前参考，进而实现功率按比例分配。
当功率波动再次发生时，重复调节步骤(1)-步骤(4)。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明将超级电容作为独立储能元件进行研究，采用低带宽通信，控制方法简单易操作，且系统具有较强的鲁棒性。
(2)本发明可以实现瞬时功率补偿，当母线电压波动或者功率不平衡时，超级电容器迅速响应使其恢复平衡；
(3)本发明可以实现超级电容器功率按照SOC比例分配，并且维持母线电压恒定。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为直流微电网典型结构图；
图2为直流微电网分布式超级电容储能系统结构图；
图3为直流微电网分布式超级电容储能系统等效电路图；
图4为并联超级电容器基于虚拟阻抗的协调控制框图；
图5是在传统控制方法下，加载时，电流瞬时响应仿真结果；
图6(a)为在延时2ms情况下，加载时，电流瞬时响应仿真结果；
图6(b)为在延时2ms情况下，加载时，功率瞬时响应仿真结果；
图6(c)为在延时2ms情况下，加载时，母线电压响应仿真结果；
图7(a)为在延时2ms情况下，减载时，电流瞬时响应仿真结果；
图7(b)为在延时2ms情况下，减载时，功率瞬时响应仿真结果；
图7(c)为在延时2ms情况下，减载时，母线电压响应仿真结果；
图8(a)为在延时30ms情况下，加载时，电流瞬时响应仿真结果；
图8(b)为在延时30ms情况下，加载时，功率瞬时响应仿真结果；
图8(c)为在延时30ms情况下，加载时，母线电压响应仿真结果；
图9(a)为在延时30ms情况下，减载时，电流瞬时响应仿真结果；
图9(b)为在延时30ms情况下，减载时，功率瞬时响应仿真结果；
图9(c)为在延时30ms情况下，减载时，母线电压响应仿真结果。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
作为一种典型实施例，一种直流微电网分布式超级电容储能系统，包括：
直流微电网分布式超级电容储能系统由微源、储能单元、直流负荷组成。微源选取蓄电池，通过双向DC/DC变换器连接到直流母线；储能单元采用两台超级电容并联，分别通过双向DC/DC变换器连接到直流母线；负荷直接连接在直流母线上。
一种应用于直流微电网分布式超级电容储能的基于虚拟阻抗的协调控制方法，包括以下步骤：
(1)在MATLAB/Simulink环境中搭建上述直流微电网分布式超级电容储能系统模型；
(2)计算两台超级电容的荷电状态SOC1和SOC2，并计算其比值，得到各自功率分配系数k1和k2；
(3)当有负载从微电网接入或切除时，微电网系统的功率平衡被打破，电压、电流等信息通过低带宽通信网络传送到各个本地控制器；
(4)蓄电池采用虚拟电阻下垂控制，而超级电容采用虚拟电容下垂控制，控制中引入上述功率分配系数k1和k2得到参考比例电流，使内部电流环输入电流跟随当前参考，进而实现功率按比例分配；
(5)超级电容补偿瞬时功率后，发挥作用逐渐减小，直到稳态时输出为零，同时，蓄电池逐渐发挥作用，为负载供电；
(6)当下一次功率波动发生时，重复上述调节步骤。
所述步骤(2)中，两台超级电容的荷电状态SOC1、SOC2以及k1和k2的关系为：
式中，voSC1和voSC2为超级电容器输出电压，vSCN1和vSCN2为超级电容器的额定电压。
所述步骤(3)中，低带宽通信网络只负责传递电压和电流等信息，所有计算都是在本地控制器中实现的。各本地控制器相同，均包括外部电压环控制，下垂控制及内部电压环、电流环控制。
所述步骤(4)中，蓄电池采用虚拟电阻下垂控制，动态响应慢，稳态时发挥主要作用，而超级电容只让其在瞬态时发挥作用，稳态输出为零，因此采用虚拟电容下垂控制阻碍其稳态输出。蓄电池、超级电容下垂控制的公式如下：
式中，为参考电压，voB为蓄电池输出电压，RV0、CVSC1、CVSC2分别为蓄电池下垂控制虚拟电阻和超级电容器下垂控制虚拟电容，ioB、ioSC1、ioSC2分别为蓄电池和超级电容器的输出电流。
进一步的，所述步骤(4)中，功率按比例分配控制过程为：经过电压环后的电流参考信号，乘以功率分配比例系数，得到参考比例电流信号作为电流环的参考输入，使电流环输入电流跟随当前参考，进而实现功率按比例分配，即：
即，超级电容器SOC之比：
式中，PSC1和PSC2分别为超级电容器各自输出功率。
图1所示为直流微电网典型结构图。本发明所指的直流微电网分布式超级电容储能系统由微源、储能单元、直流负荷三部分组成。采用如图2所示的拓扑结构。主发电单元为蓄电池，储能单元采用两台超级电容器并联，均通过双向DC/DC变换器连接到直流母线上。负荷直接连接在直流母线上。
在本分布式超级电容储能系统中，希望在稳定状态时，蓄电池为负荷供电，当系统功率波动时，超级电容快速提供或者吸收系统的峰值功率或者冲击功率。基于虚拟阻抗的协调控制策略的任务就是使储能系统能够快速、准确的补偿外部功率波动，保护系统正常稳定工作，并能够实现两台超级电容功率按SOC比例分配。
对图2所示的直流微电网分布式超级电容储能系统进行分析，得到直流微电网分布式超级电容储能系统等效电路图，如图3所示。其中，RVSC1、RVSC2、RL1和RL2分别为超级电容的虚拟电阻和线电阻。分析可得：
经进一步分析，可得超级电容电流响应公式，由公式得出，电流响应为二阶响应，可能存在振荡。同时得出，超级电容虚拟阻抗选取时虚拟电阻R应尽量小，或可忽略。考虑到超级电容稳态输出为零，因此选用虚拟电容下垂阻碍其稳态输出。
综上所述，并联超级电容组成的储能系统的基于虚拟阻抗的协调控制框图如图4所示，具体实现方法如下：
本地控制器之间只通过低带宽通信网络相联系，当有负载从微电网接入或切除时，微电网系统的功率平衡被打破，超级电容迅速补偿瞬时功率。电压、电流信息通过低带宽通信网络传送到各个本地控制器，所有计算都是在本地控制器中实现的。经过控制器一系列动作，包括外部电压环控制、下垂控制及内部电压环控制，得到电流参考信号。此电流参考信号，乘以各自功率分配比例系数后，得到参考比例电流信号作为内部电流环的参考输入，使电流环输入电流跟随当前参考，进而实现功率按比例分配。待系统到达稳态，微源为负载供电，超级电容输出为零，等待下一次功率波动到来。
本发明中所提出的基于虚拟阻抗的协调控制方法可以在不引起电流振荡的情况下实现瞬时功率补偿，当母线电压波动或者功率不平衡时，超级电容器迅速响应使其恢复平衡；更为重要的是，可以实现功率按照SOC比例分配，并且维持母线电压恒定。提出的基于虚拟阻抗的协调控制方法在MATLAB进行仿真实验。
在MATLAB/Simulink R2014b中，为了验证所提控制方法的有效性，以2ms和30ms的通信延时分别进行仿真实验(假设SOC比为1:2)，并使用传统控制方法进行仿真实验对比。仿真参数如表1所示。
表1
图5为使传统控制方法，加载时电流响应仿真结果，可以看出，存在明显的电流振荡，且最终无法达到相对稳定，更无法实现功率按比例分配。图6和图7分别为延时2ms的情况下，加载和减载时，系统电流、功率和电压的仿真结果。由图6(a)和图7(a)可以看出，无论加载和减载，本发明中所述控制方法均能保证超级电容的输出电流与SOC成比例；由图6(b)和图7(b)可以明显看出，无论加载和减载，本发明中所述控制方法均能保证超级电容功率响应按照SOC比例分配；由图6(c)和图7(c)可以明显看出，无论加载和减载，本发明中所述控制方法均能保证母线电压恒定。
图8(a)-图8(c)和图9(a)-图9(c)分别为延时30ms的情况下，加载和减载时，系统电流、功率和电压的仿真结果。由仿真结果可知，加载和减载时，本发明所述控制方法均能保证超级电容的电流响应和功率响应按照SOC比例分配，同时维持母线电压恒定。因此得出结论，系统具有较强的鲁棒性。
通过以上仿真结果可知，本发明中基于虚拟阻抗的协调控制方法能够使超级电容快速平衡瞬时功率波动，并且实现了功率响应按照SOC比例分配，同时系统具有较强的鲁棒性。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种应用于直流微电网分布式超级电容储能的协调控制方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)搭建直流微电网分布式超级电容储能系统模型，计算超级电容的荷电状态，得到各自功率分配系数；
(2)当有负载从微电网接入或切除时，采集电压、电流信息；
(3)采用虚拟电阻下垂控制微源，采用虚拟电容下垂控制超级电容，控制中引入计算得到的功率分配系数，以确定参考比例电流，使内部电流环输入电流跟随当前参考，实现功率按比例分配；
(4)根据得到的功率比例分配，利用超级电容补偿瞬时功率，直到输出为零，达到稳态。
2.如权利要求1所述的一种应用于直流微电网分布式超级电容储能的协调控制方法，其特征是：所述步骤(1)中，在MATLAB/Simulink环境中搭建直流微电网分布式超级电容储能系统模型，模型包括微源、储能单元和直流负荷，其中微源通过双向DC/DC变换器连接到直流母线；储能单元采用多台超级电容并联，分别通过双向DC/DC变换器连接到直流母线；负荷直接连接在直流母线上。
3.如权利要求1所述的一种应用于直流微电网分布式超级电容储能的协调控制方法，其特征是：所述步骤(1)中，各个超级电容的荷电状态为超级电容输出电压与其额定电压的比值。
4.如权利要求1所述的一种应用于直流微电网分布式超级电容储能的协调控制方法，其特征是：所述步骤(1)中，各个超级电容的功率分配系数为各个超级电容的荷电状态的比值。
5.如权利要求1所述的一种应用于直流微电网分布式超级电容储能的协调控制方法，其特征是：所述步骤(2)中，有负载从微电网接入或切除时，微电网系统的功率平衡被打破，电压、电流信息通过低带宽通信网络传送到各个本地控制器。
6.如权利要求5所述的一种应用于直流微电网分布式超级电容储能的协调控制方法，其特征是：低带宽通信网络只负责传递电压和电流等信息，所有计算都是在本地控制器中实现的，且各本地控制器相同，均包括外部电压环控制，下垂控制及内部电压环、电流环控制。
7.如权利要求1所述的一种应用于直流微电网分布式超级电容储能的协调控制方法，其特征是：所述步骤(3)中，微源的下垂控制为，控制电压等于参考电压与微源下垂控制虚拟电阻与输出电流的乘积之间的差值；
或超级电容下垂控制为，超级电容的控制电压为参考电压与超级电容器的输出电流与超级电容器下垂控制虚拟电容的比值之间的差值。
8.如权利要求1所述的一种应用于直流微电网分布式超级电容储能的协调控制方法，其特征是：所述步骤(4)中，超级电容补偿瞬时功率后，发挥作用逐渐减小，直到稳态时输出为零，同时，蓄电池逐渐发挥作用，为负载供电。
9.如权利要求1所述的一种应用于直流微电网分布式超级电容储能的协调控制方法，其特征是：所述步骤(4)中，经过电压环后的电流参考信号，乘以功率分配比例系数，得到参考比例电流信号作为电流环的参考输入，使电流环输入电流跟随当前参考，进而实现功率按比例分配。
10.如权利要求1所述的一种应用于直流微电网分布式超级电容储能的协调控制方法，其特征是：当功率波动再次发生时，重复调节步骤(1)-步骤(4)。
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