CN109088416B - 一种多储能系统具即插即用功能的微电网功率自平滑方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多储能系统具即插即用功能的微电网功率自平滑方法，适用于多储能系统，对每个储能系统的双向变流器采用双环控制策略。其中外环设计一种具有自适应截止频率的高通滤波器，用于提取波动功率，控制储能系统充放电，实现多储能系统并网时微电网内功率平滑；内环设计一种比例谐振控制器，实现储能系统并网电流跟踪参考轨迹。通过所述微电网功率自平滑方法，在各储能系统初始荷电状态存在差异、且各储能系统正常工作的荷电状态有不同限制的情况下，各储能系统之间能自动迅速达到荷电平衡状态，从而使多储能系统在并入微电网时有即插即用功能。并网过程中各储能系统均保持在各自荷电限制范围内运行，且微电网内功率平滑。

Description

一种多储能系统具即插即用功能的微电网功率自平滑方法

技术领域

本发明属于储能技术领域，特别涉及一种多储能系统具即插即用功能的微电网功率自平滑方法。

背景技术

随着国民经济发展和电力需求量的日益增长，微电网技术逐渐成为当前研究的热点。微电网中可再生能源的间歇性、波动性和冲击负荷引起的功率波动，严重影响微电网的供电质量，甚至造成安全稳定问题。

目前关于储能系统用于实现微电网功率平滑的研究工作多集中于设计储能系统荷电状态的反馈控制，确保储能系统在微电网功率波动运行条件下能够实现并网功率平滑功能，同时确保储能系统的安全稳定运行。但当微电网中的具有多个荷电状态不同的储能系统时，现有控制方法难以实现多个储能系统间的协调运行。例如实际运行中常出现多个储能系统间的相互充放电的状况，也会出现有些储能系统过度充放电而有些储能系统几乎不工作的状况。因此，具有不同荷电状态的多储能系统接入微电网时，难以协同工作，不能实现其并入微电网时的即插即用功能。提出一种多储能系统具即插即用功能的微电网功率自平滑方法，是多储能系统接入微电网时具有即插即用功能的关键所在。

发明内容

本发明涉及一种多储能系统具即插即用功能的微电网功率自平滑方法，适用于多储能系统。使多储能系统并入微电网时具有即插即用功能。所述微电网功率自平滑方法对每个储能系统的双向变流器采用双环控制策略。其中外环设计一种具有自适应截止频率的高通滤波器，用于提取波动功率，控制储能系统充放电，实现多储能系统并网时微电网内功率平滑；内环设计一种比例谐振控制器，实现储能系统并网电流跟踪参考轨迹。通过所述微电网功率自平滑方法，在各储能系统初始荷电状态存在差异的情况下，各储能系统之间能自动迅速达到荷电平衡状态，从而使多储能系统在并入微电网时有即插即用功能。整个过程中各储能系统均保持在各自荷电限制范围内正常运行，且微电网内功率平滑。

本发明所述的储能系统均包含储能蓄电池和双向变流器，储能蓄电池通过双向变流器并联接入微电网交流母线。本发明的一种多储能系统具即插即用功能的微电网功率自平滑方法，对双向变流器采用双环控制策略，包含：

外环设计一种具有自适应截止频率的高通滤波器，用于提取波动功率，控制储能系统充放电，实现多储能系统并网时微电网内功率平滑；

内环设计一种比例谐振控制器，实现储能系统并网电流跟踪参考轨迹。

所述高通滤波器的自适应控制频率f_ad设置为：

其中，SOC表示储能蓄电池的荷电状态。

所述比例谐振控制器具体设计为：

其中：k_p、k_r为控制参数，根据实际情况进行选择；w表示微电网角频率；

表示比例谐振控制器广义积分环节，s表示拉格朗日算子符号；i_L表示微电网电流实际值；I_ref表示参考并网电流幅值；w₀表示谐振频率。

本发明的有益效果在于：本发明提供的一种多储能系统具即插即用功能的微电网功率自平滑方法，适用于多储能系统，在对各储能系统的双向变流器采用的双环控制中，设计了一个具有自适应截止频率的高通滤波器，和一个比例谐振控制器，使得各储能系统在初始荷电状态存在差异，且各自正常工作的荷电状态有不同限制的情况下，所述多储能系统在并网时具有即插即用功能。整个过程中各储能系统均保持在各自荷电限制范围内正常运行，且微电网内功率平滑。该方法易于实现，实际工作中效果明显，具有很好的推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明的一种多储能系统具即插即用功能的微电网功率自平滑方法的实施流程框图。

图2为本发明所述的多储能系统在不同初始荷电状态下充放电电流波形图。

图3为本发明所述的多储能系统在不同初始荷电状态下荷电状态动态平衡波形图。

其中：1、储能蓄电池；2、低通滤波器；3、增益控制器3；4、自适应控制器；5、高通滤波器；6、第一求差环节；7、第二求差环节；8、比例谐振控制器；9脉宽调制器；10、双向变流器；11、饱和器；12、并网滤波器；13、微电网交流母线。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的表述。

本发明提供一种多储能系统具即插即用功能的微电网功率自平滑方法，适用于多储能系统。所述多储能系统位于微电网内，每个储能系统均包含一个储能蓄电池1和一个双向变流器10，储能蓄电池1通过双向变流器10并联接入微电网交流母线13。当外部能源系统发电功率突增时，电量充入储能蓄电池1，当外部能源系统发电功率突减时，储能蓄电池1释放部分能量，填补功率缺额，保证微电网并网功率平滑；

如图1所示，所述微电网功率自平滑方法主要由外环控制模块和内环控制模块来实现。外环控制模块与储能蓄电池1和微电网交流母线13电路连接，用以提取波动功率，控制储能蓄电池1充放电，实现功率平滑；内环控制模块，与外环控制模块、微电网交流母线13相连，用以实现储能系统并网电流跟踪参考轨迹，使储能模块输出的并网电流与微电网母线电压同频同相，消除电流谐波，提高供电功率。所述内环控制模块还根据微电网交流母线13电流，为储能蓄电池的并网电流实时生成脉冲采样控制信号。

所述外环控制模块包含：一个低通滤波器2，与微电网交流母线13相连，将交流母线的电压幅值信号作为输入，输出所述交流母线电压信号的低频信号；一个增益控制器3，与低通滤波器2相连，增益所述交流母线电压信号的低频信号，生成波动电流信号；一个自适应频率控制器4，与所述储能蓄电池1相连，根据储能蓄电池1的荷电状态自适应产生不同截止频率；一个高通滤波器5，与自适应频率控制器4连接，以自适应频率控制器4产生的截止频率为标准，输出所述波动电流信号的高频信号；第一求差环节6，与增益控制器3和高通滤波器5相连，比较所述波动电流信号和波动电流信号的高频信号，生成内环参考并网电流。外环控制模块通过所述自适应频率控制器4生成的自适应截止频率对储能系统的并网充放电功率进行调节。

所述内环控制模块包含：第二求差环节7，与外环控制模块的第一求差环节6和微电网交流母线13连接，比较所述内环参考并网电流和微电网交流母线13电流；饱和器11，对比较后的电流进行限幅；一个比例谐振控制器8，与饱和器11连接，用以实现储能系统并网电流跟踪参考轨迹。使储能模块输出的并网电流与微电网母线电压同频同相，消除电流谐波，提高供电功率；

本发明所述的微电网功率自平滑方法的实现过程还包括一个脉宽调制器9，与内环控制模块相连，根据比例谐振控制器的结果调整脉宽调制器9的占空比d。所述脉宽调制器9具体与内环控制模块的比例谐振控制器8相连。

储能系统中所述的双向变流器10，连接脉宽调制器9，用于实现储能蓄电池并网的直流电系统和微电网交流电系统的能量双向流动。

本发明所述的微电网功率自平滑方法的实现过程还包括一个并网滤波器11，位于双向变流器10和微电网交流母线13之间；经过双向变流器10转换的电流由并网滤波器10滤波后，传输给微电网交流母线13。

本发明提供的一种多储能系统具即插即用功能的微电网功率自平滑方法，其具体步骤为：

W1、测量交流母线电压幅值信号V_L，对V_L进行预处理得到波动电流信号I_f；

W2、高通滤波器5根据储能蓄电池1的荷电状态SOC，采用一种自适应截止频率的方法，对波动电流信号I_f进行滤波，得到波动电流信号I_f的高频波动部分；

W3、第一求差环节6对波动电流信号I_f及其高频波动部分进行比较，得到内环参考并网电流幅值I_ref；

所属步骤W1～W3在外环控制模块中完成，通过设计一种具有自适应频率控制器4，使高通滤波器5提取波动功率，控制储能系统充放电，实现并网功率平滑；

W4、测量交流母线电流信号i_L，第二求差环节7比较交流母线电流信号i_L与内环参考并网电流信号I_ref sinwt，生成偏差量I_ref sinwt-i_L；

W5、将第二求差环节7所得偏差量I_ref sinwt-i_L通过饱和器11进行限幅后，送入设计的比例谐振控制器8，实现储能系统并网电流跟踪参考轨迹；

所属步骤W4、W5在内环控制模块中完成，主要通过设计一个比例谐振控制器8，实现储能系统并网电流跟踪参考轨迹。使储能模块输出的并网电流与微电网母线电压同频同相，消除电流谐波，提高微电网并网有效功率；

W6、利用比例谐振控制器8的输出调整脉宽调制器9的占空比d；

W7、双向变流器10完成储能系统与微电网交流母线13的能量交换，交换后的电流经并网滤波器12滤波后，送入微电网交流母线13；

步骤W1所述的对V_L进行预处理的方法为：

a1、低通滤波器2对测量交流母线电压幅值信号V_L进行滤波处理；

a2、增益控制器3对步骤W2中的滤波结果进行增益，得到波动电流信号I_f；

步骤W2所述的一种生成自适应截止频率的方法为：

h1、获取储能蓄电池1实际荷电状态SOC；

h2、自适应频率控制器4根据储能蓄电池1实际荷电状态SOC，生成高通滤波器5自适应截止频率f_ad，其生成方式为：

h3、高通滤波器5以f_ad为截止频率进行工作。

步骤W5所述的比例谐振控制器8设计为：

其中：k_p、k_r为控制参数，根据实际情况进行选择；w表示微电网角频率；

表示比例谐振控制器8广义积分环节；i_L表示微电网电流实际值；I_ref表示参考并网电流幅值；w₀表示谐振频率。

自适应截止频率f_ad的设计原理如下所述：

S1、监测微电网交流母线13功率波形，以时长Δt为采样周期，对其进行采样，将所述微电网交流母线13功率波转换为多个阶跃功率信号；

S2、对阶跃功率信号进行高通滤波处理，得到储能系统在每个采样周期(t_k,t_k+1)内的充放电功率P_b(t)，t_k表示自适应截止频率控制器当前采样时刻，t_k+1表示t_k的后一采样时刻，Δt＝t_k+1-t_k；

S3、储能系统在周期(t_k,t_k+1)内的充放电功率P_b(t)表达式为：

其中：P_b(t)表示单个储能模块在采样周期(t_k,t_k+1)内的充放电功率；T为高通滤波器5时间常数，P(t)为微电网交流母线13在周期(t_k,t_k+1)内的功率，s为拉普拉斯算子符号。可以看出，储能系统的充放电功率完全由微电网交流母线13功率波动量决定。

S4、采用了本发明的微电网功率自平滑方法的储能系统，其在周期(t_k,t_k+1)内的充放电功率P_b(t)表达式为：

其中：

其中：t表示时间；Δt表示采样周期；f_ad表示高通滤波器5的自适应截止频率；e为指数函数；t_k表示自适应截止频率控制器当前采样时刻；t_k-1表示t_k的前一采样时刻；t_k+1表示t_k的后一采样时刻；P_m(t_k)表示储能系统在t_k时刻的功率；ΔP(t_k)表示微电网在t_k时刻的功率变化量。

S4、根据公式(4)、公式(5)得到储能系统充放能量与高通滤波器5截止频率f_ad间的关系表达式为：

其中：W_ad(t)表示储能系统充放电能量。

S5、根据步骤公式(6)得到高通滤波器5截止频率与储能系统蓄电池的荷电状态关系式为：

其中：SOC表示储能蓄电池1的荷电状态。

通过公式(1)和公式(3)的对比可以看出，公式(1)所述的自适应频率f_ad以储能蓄电池1的荷电状态SOC为生成依据；公式(6)说明了，储能系统充放电能量W_ad(t)受f_ad的控制。

外环控制模块和内环控制模块中的比例谐振控制器8、增益控制器3、自适应频率控制器4、并网滤波器12的各项参数如表1所示。

表1

本发明中的储能蓄电池1的直流侧额定电压、电流与微电网交流侧额定电压如表2所示。

表2

为了验证所述多储能系统具即插即用功能的微电网功率自平滑方法的正确性和有效性，仿真设置三个储能系统ESS1、ESS2、ESS3初始荷电状态为不同等级(SOC1＞SOC2＞SOC3)，仿真结果多储能系统在不同初始荷电状态下充放电电流波形如附图2所示。由附图2可知，根据式(1)求得高通滤波器5的截止频率满足f_ad1＜f_ad2＜f_ad3，当三个储能系统处于放电期间(5s，15s)时，储能系统ESS1提供了较大的放电电流和放电能量，而储能系统ESS3提供了较小的放电电流和放电能量；当三个储能系统处于充电期间(15s,30s)时，高通滤波器5的截止频率自动调整为f_ad1＞f_ad2＞f_ad3，ESS3充电最多，而ESS1充电最少。仿真结果表明，所述微电网功率自平滑方法实现了具有较高荷电状态的储能系统在放电期间能够提供更多能量并在充电期间吸收较少能量，而较低荷电状态的储能系统在放电期间将提供较少能量并在充电期间吸收更多能量，协调不同初始荷电状态的多储能系统快速达到荷电状态平衡，从而实现即插即用功能。

为了验证自适应截止频率控制方法的正确性和有效性，仿真设置三个储能系统ESS1、ESS2、ESS3初始荷电状态SOC1＞SOC2＞SOC3，仿真结果多储能系统在不同初始荷电状态下荷电状态动态平衡波形如附图3所示。由附图3可知，根据式(1)求得高通滤波器5的截止频率满足f_ad1＜f_ad2＜f_ad3，当t＝64s时，三个储能系统的荷电状态SOC1、SOC2、SOC3经放电快速趋于平衡，由于荷电状态平衡，各储能系统高通滤波器5的截止频率也趋向一致。仿真结果表明，自适应截止频率控制方法可以确保各储能系统在安全的荷电状态范围内运行，实现多储能系统荷电状态的自主平衡，使多储能系统接入微电网时具有即插即用功能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种多储能系统具即插即用功能的微电网功率自平滑方法，适用于多储能系统，各储能系统均包含储能蓄电池和双向变流器，储能蓄电池通过双向变流器并联接入微电网交流母线，其特征在于，对双向变流器采用双环控制策略，包含：

外环设计一种具有自适应截止频率的高通滤波器，用于提取波动功率，控制储能系统充放电，实现多储能系统并网时微电网内功率平滑；

内环设计一种比例谐振控制器，实现储能系统并网电流跟踪参考轨迹；所述高通滤波器的自适应控制频率f_ad设置为：

其中，SOC表示储能蓄电池的荷电状态；

所述比例谐振控制器具体设计为：

其中：k_p、k_r为控制参数，根据实际情况进行选择；w表示微电网角频率；

表示比例谐振控制器广义积分环节，s表示拉格朗日算子符号；i_L表示微电网电流实际值；I_ref表示参考并网电流幅值；w₀表示谐振频率。

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