CN109742749A - 一种用于直流微电网的基于soc的改进下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对直流微电网中多个储能单元在补充或吸收系统功率的过程中，由于自身初始荷电状态（SOC）不同而出现的过充过放问题以及传统下垂控制法不能实时合理分配储能系统负荷电流的不足，研究开发了一种新的基于蓄电池SOC指数函数的下垂控制方法。与传统方法的不同在于该方法能够根据SOC指数函数的变化实时改变下垂系数，使蓄电池SOC和负荷电流达到均衡状态。最终达到负荷均分且延长蓄电池使用寿命的效果。

Description

一种用于直流微电网的基于SOC的改进下垂控制方法

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，具体为一种用于直流微电网的基于SOC的改进下垂控制方法。

背景技术

随着可再生能源的不断应用和发展，提高电网对可再生能源的综合利用与系统整体能效成为一种趋势。光伏发电输出功率具有间歇性、随机性和波动性，若仅通过光伏发电系统自身的调整会降低其功率利用率，也限制了能源利用的灵活性。为提高光伏发电系统的运行能力，需利用储能系统对系统缺额或盈余功率进行补偿，从而平滑控制光伏的输出功率，进而满足直流微电网稳定运行的要求。

在实际应用中，多个储能装置均通过电力电子变换器并联在直流母线上，因此这些储能单元之间的电流分配问题成为一个重要待解决的问题。目前已有的实现电流分配的方法有主从控制法、下垂控制法等等。下垂控制法使用中各单元之间不需要进行通信，系统状态量可直接作为控制的输入量，更适用于分布式的直流微电网系统，因此下垂控制法受到广泛应用。但是在传统的下垂控制中，下垂系数恒定使得储能单元只能以固定速度充放电，这种方法虽然实现了负荷电流的分配，但是忽略了储能单元过充过放造成的寿命缩短问题。

发明内容

本发明研究开发了一种用于直流微电网中的基于储能单元荷电状态(SOC)指数函数的改进下垂控制方法。该方法解决了并联蓄电池储能单元初始荷电状态不同时，以同一速度持续充放电导致的其中一组元件出现过充过放以及负荷电流分配不均的问题。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种用于直流微电网的基于SOC的改进下垂控制方法，包括以下内容：

(1)根据采样得到的储能单元输出电流i_dc判断储能单元处于充电或放电状态，当i_dc>0，即储能单元处于放电状态时，下垂系数设定为R(SOC_i)＝R_D exp[-n(SOC_i-A)],R_D为初始给定的下垂系数，A为储能单元的平均荷电状态，n为影响多组储能单元SOC均衡快慢的速度因子，i为直流微电网中储能单元的序号，SOC_i为储能单元i的实时荷电状态；

(2)当i_dc<0，即储能单元处于充电状态时，下垂系数为R(SOC_i)＝R_D exp[n(SOC_i-A)]；

(3)改进下垂控制遵循公式u_dc＝u_dcref-R(SOC_i)i_dc，即给定值u_dcref与直流母线电压实际值u_dc、下垂控制环节做差，再经过电压PI调节器后得到电流参考量，电流参考量经过电流控制内环与PWM比较得到触发脉冲。

上述一种用于直流微电网的基于SOC的改进下垂控制方法，所述改进下垂控制的使用范围是储能单元的SOC值处于20％-80％之间，当i_dc<0时，若SOC<80％,则启动下垂控制，反之储能单元退出运行；当i_dc>0时，若SOC>20％,则启动下垂控制，否则储能单元退出运行。

上述一种用于直流微电网的基于SOC的改进下垂控制方法，在下垂控制中，负荷电流的均分带来了直流母线电压的跌落，为了使母线电压稳定在允许电压值范围内，在直流母线电压实际值与电压给定值做差比较之后加入二次电压补偿，补偿度为其中，k_p和k_i为PI控制器的参数，控制结构见附图3。由于下垂控制的本质就是通过引入电流反馈量对母线电压指令值进行修正，是对控制精度和均流效果的折中。换言之，下垂控制的应用必然会导致母线电压在一定程度上偏离给定值。在这个不可避免的缺陷上为了使电压波动范围更小，为下垂控制增加二级电压补偿，补偿方式为在电压给定值u_dcref的基础上叠加一个二级电压补偿量δu，

本发明具备的优点有：

(1)下垂系数可以根据蓄电池SOC的增加减少实时变化，使蓄电池的充放电速度能够根据自身SOC值调整，最终达到蓄电池组的均衡和负荷电流的均分；且当储能单元SOC值过低时，下垂系数不会因为数值过大导致系统失去稳定性。

(2)二级电压控制的加入减少了下垂控制带来的母线电压偏移，提高了系统的稳定性。

(3)该方法能够避免蓄电池的过充过放的现象，在一定程度上增加蓄电池的使用寿命。

附图说明

图1是本发明中直流微电网的简化结构图。

图2是该系统中各部分的控制结构图。

图3是本发明中改进下垂法中二级电压补偿的控制结构图。

图4是本发明中实验实例的硬件结构图。

图5是本发明中改进下垂法的控制算法流程图。

图6是采用传统下垂控制时，下垂系数设置为1:2的两个蓄电池组的输出电流波形和未添加二级电压补偿的负载突变时的直流母线电压波形。

图7是采用传统下垂控制时，下垂系数设置为1:2的两个蓄电池组的输出电流波形和添加了二级电压补偿的负载突变时的直流母线电压波形。

图8是采用传统下垂控制时，下垂系数设置为1:1的两个蓄电池组的输出电流波形和未添加二级电压补偿的负载突变时的直流母线电压波形。

图9是采用传统下垂控制时，下垂系数设置为1:1的两个蓄电池组的输出电流波形和添加了二级电压补偿的负载突变时的直流母线电压波形。

图10是采用基于SOC的改进下垂控制且负载不断波动时，两个蓄电池组的输出电流波形和未添加二级电压补偿的直流母线电压波形。

图11是采用基于SOC的改进下垂控制且负载不断波动时，两个蓄电池组的输出电流波形和添加了二级电压补偿的直流母线电压波形。

具体实施方式

为便于理解，下面结合附图进一步对该方法的具体实验实施方式进行详细介绍，本实验中两组蓄电池并联，实际使用中可以拓展到多组。

1.搭建以附图4所示的实验平台。对直流母线电压、两蓄电池组的电感电流和输出电流、储能部分端电压通过霍尔元件、调理电路进行采样，输入到DSP中。

2.如图1所示，在该方法中，光伏阵列构成直流微电网的分布式能源系统，并联的蓄电池组构成储能系统，电阻作为直流负荷；并将直流微电网的母线电压值作为反馈量，与给定的电压值相结合，设计了下垂系数根据蓄电池SOC随时变化的下垂控制法，实现了蓄电池能够根据自身SOC值改变充放电速度，均衡两组蓄电池状态，避免其中任一组电池出现过充过放现象，同时实现了负荷电流的分配。本发明中，光伏阵列通过Boost电路连接在直流母线上，蓄电池组1通过双向DC-DC变换器Ⅰ连接在直流母线上，蓄电池组2通过双向DC-DC变换器Ⅱ以相同形式连接在直流母线上，直流负荷直接并在母线上。整体来看，本发明中的直流微电网是并联结构。

该下垂控制中考虑到传统下垂控制的缺陷，以储能单元(蓄电池)SOC作为中间变量对下垂系数进行实时控制，使得负荷电流逐渐均分，最终达到负荷均流的状态且保持母线电压稳定在允许范围内。储能单元的下垂系数与电流之间满足的关系如下：

R(SOC_i)i_dci＝R(SOC_j)i_dcj

为了促进SOC平衡及负荷电流的均分，要求每组蓄电池吸收或释放给直流微电网的功率必须关于其电荷状态加权，即在充电过程中SOC高的蓄电池组吸收较少电量，SOC低的蓄电池组吸收较多电量；在放电过程中SOC高的蓄电池组释放较多电量，SOC低的蓄电池组释放较少电量，实现SOC的快速均衡。该控制中下垂系数的计算公式如下：

上式中，SOC_i0为蓄电池的初始荷电状态，R_D是一个初始给定的下垂系数，A为两个蓄电池组的平均荷电状态。当i_dc<0时，如果储能单元iSOC值大于平均值，即SOC_i>A，则将导致R(SOC)>R_D，意味着储能单元将比没有添加SOC控制时提供更小的负荷电流；另一方面，如果SOC_i<A，则R(SOC)<R_D，下垂系数减小使其提供的负荷电流增大。当i_dc>0，情况与上述相反。值得说明的是，添加的SOC控制只在SOC值在20％-80％时启动，一旦SOC超出这个范围，储能单元将退出运行。

3.在DSP中对提出的改进下垂控制进行应用，主要步骤为：

S1.根据采样得到的蓄电池输出电流i_dc判断储能单元处于充电或放电状态，并根据采样得到的电感电流i_L和公式计算出蓄电池组的实时SOC值(蓄电池初始状态SOC_i0和容量C_bat为已知值)。

S2.若蓄电池处于放电状态，即i_dc>0，且自身荷电状态不小于20％时，启动放电状态时的下垂控制，计算下垂系数设定为R(SOC_i)＝R_D exp[-n(SOC_i-A)]。

S3.若蓄电池处于充电状态，即i_dc<0，且自身荷电状态不大于80％时，启动充电状态时的下垂控制，计算下垂系数设定为R(SOC_i)＝R_D exp[n(SOC_i-A)]。

S4.在给定电压u_dcref的基础上叠加一个二次电压补偿量δu，公式为将补偿后新的给定值u_dcref+δu与直流母线电压实际值u_dc、下垂控制环节做差，再经过电压PI调节器后得到电流参考量，电流参考量经过电流控制内环与PWM比较得到触发脉冲。

S5.时刻判断充电过程中蓄电池荷电状态是否小于80％，放电过程中荷电状态是否大于20％。若不满足条件，则蓄电池组退出运行。

Claims (3)

1.一种用于直流微电网的基于SOC的改进下垂控制方法，其特征是包括以下内容：

(1)根据采样得到的储能单元输出电流i_dc判断储能单元处于充电或放电状态，当i_dc>0，即储能单元处于放电状态时，下垂系数设定为R(SOC_i)＝R_Dexp[-n(SOC_i-A)],R_D为初始给定的下垂系数，A为储能单元的平均荷电状态，n为影响多组储能装置SOC均衡快慢的速度因子，i为直流微电网中储能单元的序号，SOC_i为储能单元i的荷电状态；

(2)当i_dc<0，即储能单元处于充电状态时，下垂系数为R(SOC_i)＝R_D exp[n(SOC_i-A)]；

(3)改进下垂控制遵循公式u_dc＝u_dcref-R(SOC_i)i_dc；给定值u_dcref与直流母线电压实际值u_dc、下垂控制环节做差，再经过电压调节器后得到电流参考量，电流参考量经过电流控制内环与PWM比较得到触发脉冲。

2.根据权利要求1所述一种用于直流微电网的基于SOC的改进下垂控制方法，其特征是所述改进下垂控制的使用范围是储能单元的SOC值处于20％-80％之间，当i_dc<0时，若SOC<80％,则启动下垂控制，反之储能单元退出运行；当i_dc>0时，若SOC>20％,则启动下垂控制，否则储能单元退出运行。

3.根据权利要求1或2所述一种用于直流微电网的基于SOC的改进下垂控制方法，其特征是包括以下内容：在下垂控制中，负荷电流的均分带来了直流母线电压的跌落，为了使母线电压稳定在允许电压值范围内，在电压实际值与电压给定值做差比较之后加入二次电压补偿，补偿度为其中，k_p和k_i为PI控制器的参数。