CN108565880B - 一种分散式交直流混合系统储能soc控制方法 - Google Patents

一种分散式交直流混合系统储能soc控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种分散式交直流混合系统储能SOC控制方法，属于电力电子领域中的变流器控制技术。本发明应用于交直流混合系统的直流储能变流器、交流储能三相变流器以及双向潮流控制器，适合交直流子网中均存在储能电池的孤岛微电网拓扑采用。该方法利用交流侧母线频率信号和直流侧母线电压信号分别携带交流侧储能和直流侧储能的SOC信息，通过协调控制算法实现两侧储能的SOC管理，有效避免了由于单侧储能的过充过放导致交直流混合微电网系统崩溃的情况。同时，本方法可利用本地信息实现潮流控制器的控制，不需要通信线缆，有效节约了通信成本。

Description

一种分散式交直流混合系统储能SOC控制方法
技术领域
本发明涉及一种分散式交直流混合系统储能SOC控制方法，属于电力电子领域中的变流器控制技术。
背景技术
随着可再生能源的不断应用，针对可再生能源接入电网发电技术的研究显得愈发重要。对于微电网控制技术的研究是解决分布式电源应用，确保微电网安全稳定运行的有效途径。考虑到现今的负载特性，直流负载远多于交流负载，但是由于传统的大电网依然是交流网，单独直流微电网的建设相对困难。因此，国内外开始研究交直流混合微电网。为了确保微电网在孤岛状态下能够稳定运行，微电网通常需要储能电池进行功率平衡。因而对于微电网的控制算法设计还需要考虑储能的剩余电量。对于存在多台储能的交直流混合微电网，在功率平衡之外还需要考虑SOC的平衡，以确保整个微电网能够安全稳定地运行。
本发明提出一种分散式交直流混合系统储能SOC控制方法，能够有效解决交直流混合系统中交流子网和直流子网均配置有分布式储能拓扑的SOC平衡问题，从而确保微电网在孤岛情况下稳定运行。
发明内容
本发明旨在提出一种分散式交直流混合系统储能SOC控制方法，利用交直流子网自身母线的电气信息携带各自子网中储能SOC的状态，并通过双向潮流控制器实时改变交流子网和直流子网交换的功率，实现无通信情况下的SOC协调控制。从而解决交直流混合微电网中单侧储能过充或过放引发微电网故障的问题。
本发明具体技术方案步骤如下：一种分散式交直流混合系统储能SOC控制方法，包括如下步骤：
(1)利用交流侧储能的电池管理系统BMS估计交流侧储能的剩余电量SOCac，利用直流侧储能的电池管理系统BMS估计直流侧储能的剩余电量SOCdc；
(2)利用SOC-f下垂算法得到交流侧储能输出频率参考fref，并通过dq0/abc变换得到储能交流三相变流器PWM控制信号；利用所述PWM控制信号控制变流器输出频率，实现交流母线频率f对频率参考fref的跟踪；所述交流侧储能输出频率参考fref通过公式(1)得到：
fref＝m(SOCac-SOCac.h)+frated (1)
其中，m为交流SOC-f下垂系数，SOCac,h为交流侧储能电池最佳状态下的SOC，frated为交流母线额定频率，frated＝50Hz。
(3)利用SOC-V下垂算法得到直流侧储能输出电压参考Vdc,ref，并通过PI控制器得到储能直流变流器的PWM控制信号；利用所述PWM控制信号控制变流器输出电压，实现直流母线电压Vdc对电压参考Vdc,ref的跟踪；所述直流侧储能输出电压参考Vdc,ref通过公式(2)得到：
Vdc,ref＝n(SOCdc-SOCdc,h)+Vdc,rated (2)
其中，n为SOC-V下垂系数，SOCdc,h为直流侧储能电池最佳状态下的SOC，Vdc,rated为直流母线额定电压。
(4)双向潮流控制器采样交流母线频率f以及直流母线电压Vdc，利用协调控制算法计算得到双向潮流控制器输出功率参考Pref；
Figure BDA0001667647040000021
其中，Kp为PI控制器的比例系数，Ki为PI控制器的积分系数。s为拉普拉斯变换后的复变量。
(5)利用步骤4获得的输出功率参考Pref，采用PI控制器获得双向潮流控制器的电流环f轴电流参考id,ref，并通过dq0/abc变换得到双向潮流控制器PWM控制信号，利用PWM控制信号对输出电流进行控制，实现变流器输出电流对电流参考的跟踪，从而最终实现直流侧储能SOCdc和交流侧储能SOCac同步变化。
进一步地，SOCac,h＝40％～60％。
进一步地，SOCdc,h＝40％～60％。
进一步地，Vdc,rated＝220V～1000V。
进一步地，步骤1采用测量储能电池端口电压，测量储能电池内阻，累积电量的方法进行估计得到剩余电量SOCac和SOCdc。
与现有技术相比，本发明的优点有：
(1)本发明依靠交直流子网自身母线携带SOC信息，不需要额外的通信线缆，也不需要集中式控制器，可以实现分散式控制。
(2)本发明考虑了储能SOC的协调控制，可有效解决交直流混合孤岛微电网中单侧储能过充或过放引发微电网故障的问题。
(3)本发明采用的交直流混合系统拓扑及算法拥有交流子网和直流子网独立运行的能力。
附图说明
图1为交直流混合系统主拓扑图；
图2为交流侧储能变流器控制框图；
图3为直流侧储能变流器控制框图；
图4为双向潮流控制器控制框图；
图5为仿真实例SOC波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
交直流混合系统的主拓扑如图1所示，本发明主要应用于孤岛微电网情况，因此交流母线不与配电网相连。交流子网包括交流储能、分布式电源(如光伏，风机等)和交流负载。直流子网包括直流储能、分布式电源(如光伏，风机等)和直流负载。交流子网和直流子网通过双向潮流控制器相连。潮流控制器可以是单个或者多个三相变流器并联，图中潮流控制器为两个三相变流器并联。
交直流混合系统中的分布式电源均运行在最大功率点跟踪(MPPT)模式，交流负载可以是阻性，阻感性或者阻容性负荷，直流负荷为阻性负荷。
交流子网的储能变流器工作在V/f模式，其控制框图如图2所示。由于交流子网在并网模式下与380V配电网相连，因此储能变流器的电压参考为Vref＝311V，即相电压幅值。储能变流器通过自身电池管理系统BMS估计储能剩余电量SOCac，经过SOC-f下垂环，即
fref＝m(SOCac-SOCac.h)+frated，
得到频率参考fref。根据电压和频率参考得到abc坐标下的三相电压参考值，再利用锁相环得到当前母线电压相位信息，经abc/dq0转换，得到dq0坐标下的电压参考Vd,ref和Vq,ref。通过两个PI控制器，得到电流内环的参考值id,ref和iq,ref。电流环同样通过两个PI控制器得到储能变流器输出电压控制信号，经过dq0/abc转换，并经过PWM生成模块处理生成PWM控制信号。
直流子网的储能变流器工作在电压源模式下，其控制框图如图3所示。储能变流器通过自身电池管理系统BMS估计储能剩余电量SOCdc，经过SOC-V下垂环，即
Vdc,ref＝n(SOCdc-SOCdc,h)+Vdc,rated，
得到电压参考Vdc,ref，经过PI控制器后得到电流内环参考值，再经过PI控制器得到储能变流器输出电压控制信号，经过PWM生成模块处理生成PWM控制信号。
双向潮流控制器工作在PQ模式下，其控制框图如图4所示。采样交流母线频率以及直流母线电压，利用协调控制算法，即
Figure BDA0001667647040000051
计算得到双向潮流控制器输出功率参考Pref，功率参考经过一个PI控制器得到dq0坐标系下的电流内环参考值id,ref。q轴和0轴的电流环参考值均为0，即iq,ref＝0，i0,ref＝0。q轴控制主要用于实现功率因数为1，0轴控制主要用于解决并联潮流控制器之间的环流抑制问题。电流环同样通过三个PI控制器得到双向潮流控制器输出电压控制信号，经过dq0/abc转换，并经过PWM生成模块处理生成PWM控制信号。
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。根据图1的拓扑，设置直流侧光伏输出功率为37kW，交流侧光伏输出功率为2kW，交流负荷为30kW，直流负荷为36kW。两侧储能SOC的最佳状态定为50％，额定容量为100Wh。交流母线额定电压为380V，额定频率为50Hz，直流母线额定电压600V。设置下垂参数m＝1，n＝40；设置PI控制器参数Kp＝6，Ki＝16。由上述参数可计算出
fref＝SOCac-0.5+50，
Vdc,ref＝40×(SOCdc-0.5)+600，
Figure BDA0001667647040000052
实例通过Matlab/Simulink仿真，获取交直流两侧储能SOC波形如图5所示。本发明所述的控制算法从0.5秒开始介入。算法介入前，两侧储能SOC无法同步变化，算法介入后经过短暂的调整过程，两侧储能的SOC实现同步变化，有效避免了由于单侧储能的过充过放导致交直流混合微电网崩溃的情况。

Claims (5)

1.一种分散式交直流混合系统储能SOC控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用交流侧储能的电池管理系统BMS估计交流侧储能的剩余电量SOCac，利用直流侧储能的电池管理系统BMS估计直流侧储能的剩余电量SOCdc；
(2)利用SOC-f下垂算法得到交流侧储能输出频率参考fref，并通过dq0/abc变换得到储能交流三相变流器PWM控制信号；利用所述PWM控制信号控制储能交流三相变流器输出频率，实现交流母线频率f对频率参考fref的跟踪；所述交流侧储能输出频率参考fref通过公式(1)得到：
fref＝m(SOCac-SOCac.h)+frated (1)
其中，m为SOC-f下垂系数，SOCac,h为交流侧储能电池最佳状态下的SOC，frated为交流母线额定频率，frated＝50Hz；
(3)利用SOC-V下垂算法得到直流侧储能输出电压参考Vdc,ref，并通过PI控制器得到储能直流变流器的PWM控制信号；利用所述PWM控制信号控制储能直流变流器输出电压，实现直流母线电压Vdc对电压参考Vdc,ref的跟踪；所述直流侧储能输出电压参考Vdc,ref通过公式(2)得到：
Vdc,ref＝n(SOCdc-SOCdc,h)+Vdc,rated (2)
其中，n为SOC-V下垂系数，SOCdc,h为直流侧储能电池最佳状态下的SOC，Vdc,rated为直流母线额定电压；
(4)双向潮流控制器采样交流母线频率f以及直流母线电压Vdc，利用协调控制算法计算得到双向潮流控制器输出功率参考Pref；
Figure FDA0002428097750000011
其中，Kp为PI控制器的比例系数，Ki为PI控制器的积分系数；s为拉普拉斯变换后的复变量；
(5)利用步骤(4)获得的输出功率参考Pref，采用PI控制器获得双向潮流控制器的电流环d轴电流参考id,ref，并通过dq0/abc变换得到双向潮流控制器PWM控制信号，利用PWM控制信号对输出电流进行控制，实现双向潮流控制器输出电流对电流参考的跟踪，从而最终实现直流侧储能SOCdc和交流侧储能SOCac同步变化。
2.根据权利要求1所述的分散式交直流混合系统储能SOC控制方法，其特征在于，SOCac,h＝40％～60％。
3.根据权利要求1所述的分散式交直流混合系统储能SOC控制方法，其特征在于，SOCdc,h＝40％～60％。
4.根据权利要求1所述的分散式交直流混合系统储能SOC控制方法，其特征在于，Vdc,rated＝220V～1000V。
5.根据权利要求1所述的分散式交直流混合系统储能SOC控制方法，其特征在于，步骤(1)采用测量储能电池端口电压，测量储能电池内阻，累积电量的方法进行估计得到剩余电量SOCac和SOCdc。
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