CN108092306A - 一种考虑不匹配线阻的低压微电网储能系统下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑不匹配线阻的低压微电网储能系统下垂控制方法，包括：动态虚拟阻抗控制步骤；SOC下垂控制步骤；其中，在所述低压微电网储能系统满足SOC均衡条件时，由所述动态虚拟阻抗控制步骤切换至所述SOC下垂控制步骤。与现有技术相比，本发明能够消除不匹配线路阻抗对有功功率分配精度的影响，使得孤岛低压微电网储能系统在传统下垂控制放电过程中SOC均衡。

Description

一种考虑不匹配线阻的低压微电网储能系统下垂控制方法

技术领域

本发明属于微网下垂控制优化策略设计技术领域，尤其是涉及一种考虑不匹配线阻的低压微电网储能系统下垂控制方法。

背景技术

随着全球范围内的能源问题和环境问题的日益加剧，微电网受到了各国学者广泛的关注。微电网是由分布式电源、负荷、储能装置、电力电子变换器、监控和保护装置等构成的中小型发配电，实现了分布式电源(distributed generation,DG)的灵活控制。由于DG的输出功率具有间歇性与随机性特征，其安全性与可靠性较弱。因此，需增加电池储能系统(battery energy storage system,BESS)以保障微电网功率平衡。储能系统由蓄电池储能单元(battery energy storage unit，BESU)组成。

BESU在充放电过程中由于负荷功率分配不均会导致SOC出现差异。SOC不平衡会导致BESU过充电或过放电，使SOC超过安全运行范围，缩短BESU使用寿命；SOC不平衡严重时会使蓄电池发生过热现象，甚至发生火灾，对系统安全可靠运行构成威胁。因此必须对各BESU进行协调控制，实现负荷功率在各单元之间的动态均衡分配。

为此，很多文章都提出了各自解决SOC均衡问题的方法。文献“直流微电网储能系统中带有母线电压跌落补偿功能的负荷功率动态分配方法”(陆晓楠,孙凯,黄立培,等.中国电机工程学报,2013,33(16):37-46)和“State-of-Charge Balance Using AdaptiveDroop Control for Distributed Energy Storage Systems in DC MicrogridApplications”(Lu X,Sun K,Guerrero J M,et al.IEEE Transactions on IndustrialElectronics,2013,61(6):2804-2815)公开的直流微电网中，采用自适应下垂控制，利用下垂系数反比于SOC的n次方，实时改变下垂系数，实现SOC均衡。放电时下垂系数mp正比于1/SOCn，n越大SOC均衡速度越高，均分精度越低。文献“基于多组储能动态调节的独立直流微电网协调控制”(米阳,吴彦伟,纪宏澎,等.电力自动化设备,2017(5):170-176)和“Intelligent Distributed Generation and Storage Units for DC Microgrids—ANew Concept on Cooperative Control Without Communications Beyond DroopControl”(Diaz N L,T,Vasquez J C,et al.IEEE Transactions on SmartGrid,2014,5(5):2476-2485)利用模糊控制器，SOC偏差于输出电压偏差为模糊控制器的输入量，输出量为虚拟阻抗，实时改变输出功率，实现SOC均衡，但模糊控制器设计较为复杂，工程上较难实现。文献“孤岛电网中多储能设备SOC一致性优化策略”(王炜信,段建东,张润松,等.电工技术学报,2015,30(23):126-135)和“孤岛运行交流微电网中分布式储能系统改进下垂控制方法”(陆晓楠,孙凯,黄立培,等.电力系统自动化,2013,37(1):180-185)在交流微电网中，提出以SOC的自适应调节各储能单元的下垂系数，实现负荷功率在各储能之间的动态分配和SOC均衡，但均分精度较低且缺少足够的算例验证。上述文献中提出的SOC均衡控制策略均没有考虑线路阻抗，然而在实际工程中，不匹配的线路阻抗将会对功率分配有很大的影响，造成BESU的SOC无法实现均衡，尤其是在交流微电网中。文献“微电网分布式储能单元荷电状态平衡和电压恢复”(孙孝峰,郝彦丛,王宝诚,等.中国电机工程学报,2016,36(15):4047-4054)考虑了线路阻抗对SOC均衡的影响，同时利用本地脉冲序列协调控制实现SOC平衡和电压恢复，但是缺少具体消除线路阻抗影响的控制细节。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑不匹配线阻的低压微电网储能系统下垂控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种考虑不匹配线阻的低压微电网储能系统下垂控制方法，所述低压微电网储能系统包括至少一个储能单元，各储能单元连接有一逆变器，包括：

动态虚拟阻抗控制环节；

SOC下垂控制环节；

其中，在所述低压微电网储能系统满足SOC均衡条件时，由所述动态虚拟阻抗控制环节切换至所述SOC下垂控制环节。

进一步地，所述动态虚拟阻抗控制环节具体为：

以传统下垂控制为基础，在电压电流双闭环模型中引入虚拟阻抗，实时跟踪各储能单元输出的有功功率，并根据所述有功功率动态调整虚拟阻抗。

进一步地，所述引入虚拟阻抗后电压电流双闭环模型的等效表达式为：

u₀(s)＝G(s)u_ref ^*(s)-[G(s)Z_vl(s)+Z₀(s)]×i₀(s)

其中，G(s)为等效闭环电压增益，Z₀(s)为逆变器等效输出阻抗，(s)为加入虚拟阻抗前电压外环的参考电压，i₀(s)为逆变器输出电流信号，u₀(s)为逆变器输出电压信号，Z_vl(s)为引入的虚拟阻抗。

进一步地，所述动态调整虚拟阻抗具体为：

将各储能单元输出的有功功率与平均功率的差值进行积分作用，以动态调整虚拟阻抗。

进一步地，所述动态虚拟阻抗控制环节包括：

实时存储当前时刻获得的虚拟阻抗。

进一步地，所述SOC下垂控制环节具体为：

在满足SOC均衡条件的情况下利用SOC下垂方程调整下垂参数，实现各储能单元的SOC收敛，达到SOC均衡。

进一步地，所述SOC下垂方程为：

U_i＝U^*-n_iP_i

其中，n为通用下垂系数，n_i为第i个逆变器的实时下垂系数，N为加速因子，U_i为第i个逆变器的输出电压，U^*为额定参考电压，P_i为第i个逆变器输出的有功功率，SOC_i为第i个储能单元的荷电状态，k为储能单元的个数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用动态虚拟阻抗环节消除不匹配线路阻抗的影响，使得有功功率能够精确均分，进而使得孤岛低压微电网储能系统在传统下垂控制放电过程中SOC均衡；

2、本发明在系统稳定时切换至SOC下垂控制环节，避免动态虚拟阻抗控制中的积分对SOC均衡产生影响，提高了控制精度；

3、在SOC下垂控制中，本发明利用e指数实现，使得SOC误差以e指数曲线下降，减少误差收敛过程对系统的冲击，逐渐实现SOC均衡，避免储能单元过放电；

4、通过仿真，本发明控制方法在系统正常运行、负荷投切、DG单元故障切除等情况下均具有正确性和有效性。

附图说明

图1为分布式电源与微电网连接图；

图2为两台VSI并联结构图；

图3为线路阻抗不匹配时两台VSI的有功功率分配关系；

图4为改进下垂控制系统结构图；

图5为电压电流双环控制示意图；

图6为基于等效输出阻抗的逆变器模型；

图7为加入动态虚拟阻抗控制框图；

图8为加入虚拟电阻后两台VSI的有功功率分配关系；

图9为三台并联BESU输出的有功功率波形图，其中，(9a)为传统下垂控制波形图，(9b)为本发明波形图；

图10为三台并联BESU的SOC波形图，其中，(10a)为传统下垂控制波形图，(10b)为本发明波形图；

图11为有负荷投切情况下输出的有功功率波形图，其中，(11a)为传统下垂控制波形图，(11b)为本发明波形图；

图12为有负荷投切情况下SOC波形图，其中，(12a)为传统下垂控制波形图，(12b)为本发明波形图；

图13为有BESU切除情况下输出的有功功率波形图，其中，(13a)为传统下垂控制波形图，(13b)为本发明波形图；

图14为有BESU切除情况下BESU的SOC波形图，其中，(14a)为传统下垂控制波形图，(14b)为本发明波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

(1)传统P-V下垂控制原理

如图1所示，低压微电网中，线路阻抗以阻性为主，此时忽略线路感性成分，所以低压微电网有功功率和无功功率传输特性分别为：

V_PCC和U分别是PCC(Point of Common Coupling，公共耦合点)和DG单元输出电压幅值，R_L为低压微电网等效线路电阻，δ为DG输出电压与PCC电压的相角差。

由上两式可知，在低压微电网中，VSI(Voltage Source Inverter，电压型逆变器)输出的有功功率与电压幅值差成正比，而输出的无功功率与相角差成正比。所以，可以通过调节每个VSI输出的电压幅值来调节有功功率，通过调节系统的频率来调节无功功率。由此得出P-V下垂控制表达式：

f＝f^*-mQ (3)

U＝U^*-nP (4)

式中m是Q-F下垂系数，n是P-V下垂系数，f^*是额定参考频率，U^*是额定参考电压。

(2)传统P-V下垂控制SOC不均衡分析

BESU的SOC表征的是储能单元的当前输出能力，定义为：

当忽略逆变器损耗时，根据能量守恒原理，则有：

P＝P_DC＝V_DCi_DC (6)

式中SOC₀为蓄电池单元初始SOC；C_e是蓄电池的容量；P为VSI输出有功功率。

根据上式得到BESU的SOC与DG输出的有功功率密切相关，且有功功率为SOC变化的斜率。因此，SOC平衡的必要条件为VSI输出的有功功率能够精确均分，即稳态时SOC变化的斜率一致。

在传统P-V下垂控制中，在下垂系数相同的情况下，频率作为全局量，并联VSI的无功功率可得到很好的均分，但是有功功率却难以得到均分。

线路阻抗上的压降可近似为：

式中X、R代表线路电感和电阻，P、Q代表VSI输出的有功和无功功率，ΔU为线路阻抗上的压降。

由此可以根据式(8)和图2的电路关系得出如下两式：

从上式可看出有功功率均分误差主要受线路阻抗影响。在低压微电网系统中，R>>X，由此可简化为：

式中k₁代表VSI₁侧线路阻抗系数，k₂代表VSI₂侧线路阻抗系数。

由于R₁≠R₂，使得k₁≠k₂，此时P₁不等于P₂，两台VSI间有功功率不均分，SOC无法得到均衡。线路阻抗不匹配时两台VSI的有功功率分配关系如图3所示。

(3)改进下垂控制设计

改进下垂控制应用的低压微电网储能系统的结构图如图4所示，包括至少一个储能单元，各储能单元连接有一逆变器。如图4所示，本发明提出的改进下垂控制主要分为两环节，分别是动态虚拟阻抗环节和SOC下垂控制环节，其中，在所述低压微电网储能系统满足SOC均衡条件时，由所述动态虚拟阻抗控制环节切换至所述SOC下垂控制环节。

所述动态虚拟阻抗控制环节具体为：以传统下垂控制为基础，在电压电流双闭环模型中引入虚拟阻抗，实时跟踪各储能单元输出的有功功率，并根据所述有功功率动态调整虚拟阻抗。在某些实施例中，动态虚拟阻抗控制环节包括：实时存储当前时刻获得的虚拟阻抗。本实施例中采用中央控制器的存储器实时储存虚拟阻抗。

所述SOC下垂控制环节具体为：在满足SOC均衡条件的情况下利用SOC下垂方程调整下垂参数，实现各储能单元的SOC收敛，达到SOC均衡。

1、动态虚拟阻抗环节

根据图5所示，建立电压电流双闭环模型。

i_L(s)＝i₀(s)+sCu₀(s) (14)

u^*(s)为电压外环参考电压信号，u₀(s)为逆变器输出电压信号,i₀(s)为逆变器输出电流信号，k_p、k_i是PI控制器参数，k_c是P控制器的参数，k_pwm为逆变器等效增益，L为逆变器滤波电感，C为逆变器滤波电容。

对其进行变换得到：

等效为：

u₀(s)＝G(s)u^*(s)-Z₀(s)i₀(s) (16)

式中G(s)为等效闭环电压增益；Z₀(s)为逆变器等效输出阻抗。

加入虚拟阻抗：

Z_vl(s)为系统加入的虚拟阻抗。(s)为加入虚拟阻抗前的电压外环参考电压信号。

变换为：

u₀(s)＝G(s)u_ref ^*(s)-[G(s)Z_vl(s)+Z₀(s)]×i₀(s) (18)

根据图6可得逆变器等效输出阻抗：

Z(s)＝G(s)Z_vl(s)+Z₀(s)+Z_load(s) (19)

式中Z_load(s)为线路阻抗值，Z(s)为最终等效阻抗。

在传统P-V下垂控制中，线路阻抗不匹配将影响系统有功功率的精确均分。在VSI相同的前提下，系统可通过串联虚拟阻抗，使得最终等效阻抗相等。在低压微电网中，线路阻抗呈现阻性，忽略其感性成分，即最终等效电阻相等，此时系统的有功功率能够实现精确均分。而且虚拟电阻没有功率损耗，实现灵活，因此得到广泛应用。

考虑微电网中，等效线路参数的不确定性，无法准确得到线路阻抗值，由此也无法得到虚拟阻抗值，因此设计如图7所示动态虚拟阻抗环节。

动态虚拟阻抗环节实时接收各VSI输出的有功功率。当有功功率没有均分时，VSI输出功率P与平均功率Pref产生差值，将该差值进行积分作用动态调整虚拟电阻。输出的虚拟电阻值实时储存在中央控制器的存储器中，直到功率均分。

系统稳定时，动态虚拟电阻也趋于稳定，由于动态虚拟阻抗控制器中的积分会对SOC均衡产生影响，此时切换至SOC下垂控制环节。

2、SOC下垂控制环节

SOC下垂控制环节主要有两部分组成，首先虚拟电阻值由存储器储存的上一时刻稳定的值代替接入，使得SOC均衡条件得以满足。然后，利用SOC实时调整下垂系数，实现SOC均衡。

BESU的SOC随着VSI输出有功功率实时改变，要使SOC均衡，就要使得SOC大的VSI多输出功率，SOC小的VSI少输出功率。又因为e指数下垂有以下优点：

a)在初始阶段误差以较大的速率下降，快速降低误差幅值；

b)在调节过程中，误差下降的速率逐渐变化，减少调节过程对系统的冲击；

c)在误差调节的最终阶段，误差缓慢趋近于零，有效防止由于调节速度过快引起超调而生成新的误差。

因此改写传统P-V下垂控制表达式：

U_i＝U^*-n_iP_i (20)

式中n为通用下垂系数，n_i是VSI_i实时下垂系数，N为加速因子。

在满足功率均分的条件下，k台并联BESU的SOC收敛过程可表示为：

E_SOC＝SOC_i-SOC_j (22)

式中i,j∈[1,k],i≠j。

对左右两边求导：

式中U＝U_i＝U_j为VSI输出电压。

采用泰勒级数展开式，e指数函数的一阶展开式近似可表示为：

e^x＝1+x (25)

因此E_SOC的导数可近似表示为：

上式证明SOC_i与SOC_j的误差和收敛速度在逐渐变小，最终实现SOC均衡，避免BESU过放电。

并联储能单元放电时，期望各个蓄电池能以较快的速度收敛至同一SOC状态，否则SOC较低的BESU即使运行在较低的输出功率情况下，也会由于长时间工作累积造成SOC过低从而退出并联状态，对孤岛电网造成冲击。

同时E_SOC的导数与N有关，N越大，E_SOC的导数的绝对值越大，储能单元间SOC收敛速度越快。

(4)算例分析

为了验证所提出的控制方法在各个工况下的的有效性，在Matlab/Simulink搭建仿真模型进行分析，系统结构图如图4所示。采用的储能单元BESU₁、BESU₂、BESU₃容量均为4.5A.h，SOC分别为80％，75％和70％，最大允许输出功率均为±20kw。负荷采用三相平衡负荷且负荷大小可调。仿真分别对以下三个算例进行仿真分析。

算例1：三台并联储能单元正常运行

系统的仿真过程为：0～t₁s，系统工作在动态虚拟阻抗环节。通过动态虚拟阻抗控制，系统稳定时，DG的虚拟电阻分别趋于稳定，此时有功功率实现精确均分，满足SOC均衡条件。t₁s时切换至SOC下垂控制环节，最终实现各BESU的SOC均衡，避免BESU过放电。

由图9、图10可知，传统下垂控制由于线路阻抗不匹配会导致输出有功功率按照线路阻抗的大小自由分配，无法实现有功功率精确均分，同时由于传统下垂以恒定下垂系数进行控制，使得SOC无法均衡。通过动态虚拟阻抗环节，系统消除了不匹配线路阻抗的影响，使得有功功率能够精确均分，满足SOC均衡条件。SOC的e指数下垂控制，使得SOC较高的BESU输出较多的功率，SOC较低的BESU输出较少的功率。SOC误差以e指数曲线下降，最终实现SOC均衡，避免了BESU的过放电，提高了BESS的安全性。

算例2：储能系统投切负荷

系统的仿真过程为：0～t₁s，系统工作在动态虚拟阻抗环节。通过动态虚拟阻抗控制，当系统稳定时，DG的虚拟电阻分别趋于稳定，此时有功功率实现精确均分，满足SOC均衡条件。t₁s时切换至SOC下垂控制环节，各BESU的SOC逐渐收敛。2s时投入15kw负荷，3s时切除这个负荷。

通过图11、图12可知，负荷大小并不影响SOC均衡的趋势，只是改变了SOC均衡的速率。相比于传统下垂控制，改进下垂控制能有效消除线路阻抗对有功功率均分的影响，同时能够使得储能单元间的误差以e指数曲线下降，最终实现SOC均衡，避免了BESU的过放电，提高了BESS的安全性。

算例3：储能单元故障切除。

系统的仿真过程为：0～t₁s，系统工作在动态虚拟阻抗控制环节。t₁s时切换至SOC下垂控制环节，各BESU的SOC逐渐收敛。2s时，BESU₃由于故障，对其进行切除，只有BESU₁、BESU₂并联运行。这使得系统稳定的各DG的虚拟阻抗发生变化，无法实现有功功率精确均分，需要重新进行动态虚拟阻抗控制。所以2～t₂s，系统重新工作在动态虚拟阻抗环节，t₂s时再次切换至SOC下垂控制环节，最终实现BESU间的SOC均衡，避免储能单元过放电。

由图13、图14可知，DG₁、DG₂、DG₃在0～t₁s和DG₁、DG₂在2～t₂s分别工作在动态虚拟阻抗环节，系统消除了不匹配线路阻抗的影响，有功功率能够分别精确均分，满足SOC均衡条件。SOC的e指数下垂控制，使得SOC误差以e指数曲线下降，最终实现SOC均衡，避免了BESU的过放电，提高了BESS的安全性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种考虑不匹配线阻的低压微电网储能系统下垂控制方法，所述低压微电网储能系统包括至少一个储能单元，各储能单元连接有一逆变器，其特征在于，包括：

动态虚拟阻抗控制环节；

SOC下垂控制环节；

其中，在所述低压微电网储能系统满足SOC均衡条件时，由所述动态虚拟阻抗控制环节切换至所述SOC下垂控制环节。

2.根据权利要求1所述的考虑不匹配线阻的低压微电网储能系统下垂控制方法，其特征在于，所述动态虚拟阻抗控制环节具体为：

以传统下垂控制为基础，在电压电流双闭环模型中引入虚拟阻抗，实时跟踪各储能单元输出的有功功率，并根据所述有功功率动态调整虚拟阻抗。

3.根据权利要求2所述的考虑不匹配线阻的低压微电网储能系统下垂控制方法，其特征在于，所述引入虚拟阻抗后电压电流双闭环模型的等效表达式为：

u₀(s)＝G(s)u_ref ^*(s)-[G(s)Z_vl(s)+Z₀(s)]×i₀(s)

其中，G(s)为等效闭环电压增益，Z₀(s)为逆变器等效输出阻抗，为加入虚拟阻抗前电压外环的参考电压，i₀(s)为逆变器输出电流信号，u₀(s)为逆变器输出电压信号，Z_vl(s)为引入的虚拟阻抗。

4.根据权利要求2所述的考虑不匹配线阻的低压微电网储能系统下垂控制方法，其特征在于，所述动态调整虚拟阻抗具体为：

将各储能单元输出的有功功率与平均功率的差值进行积分作用，以动态调整虚拟阻抗。

5.根据权利要求2所述的考虑不匹配线阻的低压微电网储能系统下垂控制方法，其特征在于，所述动态虚拟阻抗控制环节包括：

实时存储当前时刻获得的虚拟阻抗。

6.根据权利要求1所述的考虑不匹配线阻的低压微电网储能系统下垂控制方法，其特征在于，所述SOC下垂控制环节具体为：

在满足SOC均衡条件的情况下利用SOC下垂方程调整下垂参数，实现各储能单元的SOC收敛，达到SOC均衡。

7.根据权利要求6所述的考虑不匹配线阻的低压微电网储能系统下垂控制方法，其特征在于，所述SOC下垂方程为：

U_i＝U^*-n_iP_i

<mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>n</mi> <msup> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <msub> <mi>SOC</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </msup> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>k</mi> </mfrac> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mn>0</mn> <mi>k</mi> </munderover> <msub> <mi>SOC</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </msup> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mi>N</mi> </msup> </mfrac> </mrow>

其中，n为通用下垂系数，n_i为第i个逆变器的实时下垂系数，N为加速因子，U_i为第i个逆变器的输出电压，U^*为额定参考电压，P_i为第i个逆变器输出的有功功率，SOC_i为第i个储能单元的荷电状态，k为储能单元的个数。