CN110061488B - 考虑直流微网不平衡电流变化率的混合储能分频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑直流微网不平衡电流变化率的混合储能分频控制方法，该方法主要是在传统分频控制方法基础上，加入了限制电流变化率环节，将混合储能系统需平衡的总电流分解成高变化率电流分量、低变化率瞬时电流分量和低变化率平均电流分量；高变化率电流分量与低变化率瞬时电流分量之和作为超级电容的输出参考电流，低变化率平均电流分量作为蓄电池输出参考电流。本发明克服了电池由于自身较慢的动态响应特性无法跟踪高变化率电流的缺陷，同时减小了电池受到的电流应力，延长其使用寿命；对不平衡电流的分配更精细准确，提高直流母线电压恢复速度，减小母线电压过冲；只需对直流母线电压进行检测，不需要各单元功率信息，降低对通信的需求。

Description

考虑直流微网不平衡电流变化率的混合储能分频控制方法

技术领域

本发明涉及混合储能系统控制的技术领域，尤其是指一种考虑直流微网不平衡电流变化率的混合储能分频控制方法。

背景技术

可再生能源发电系统输出功率具有间歇性、波动性和随机性的特点，因此在接入电网或应用于微网过程中，需配置储能系统对其输出功率进行平滑控制。电池具有高的能量密度但动态响应速度慢、充放电次数有效，超级电容具有高的功率密度和循环寿命但能量密度低，因此常用这两种储能元件构成混合储能系统。针对此混合储能系统所采用的最常见的控制方式是分频控制策略，即将不平衡功率进行高低频分解，由超级电容平抑高频功率，电池平抑低频功率。但这种分解方法未考虑由于电池偏慢的动态响应速度造成高变化率功率无法被补偿，从而导致整个混合储能系统响应速度偏慢；同时该方法需依赖通信装置采集各单元的功率信息，可靠性降低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种考虑直流微网不平衡电流变化率的混合储能分频控制方法，优化了混合储能间功率分配，使电池充放电电流更平缓，同时加快混合储能系统的动态响应速度；此方法只需要直流母线上电压信息，无需各单元功率信息，降低了对通信的需求，增强系统稳定性。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：考虑直流微网不平衡电流变化率的混合储能分频控制方法，所述直流微网包括光伏发电系统、直流母线、负载、第一DC-DC双向变换器、第二DC-DC双向变换器、单相Boost变换器及由蓄电池和超级电容构成的混合储能系统；其中，所述光伏发电系统经单相Boost变换器与直流母线相连，所述蓄电池经第一DC-DC双向变换器与直流母线连接，所述超级电容经第二DC-DC双向变换器与直流母线相连，负载直接接于直流母线上；

所述混合储能分频控制方法，包含两个过程：

S1、不平衡总电流I_tot根据其变化率分解成高变化率分量I_HR和低变化率分量I_LR，包括以下步骤：

S11、计算直流母线偏差量：

V^*＝V_ref-V_dc

其中，V^*、V_ref和V_dc分别表示直流母线电压偏差量、母线参考电压和母线实际运行电压；

S12、直流母线电压偏差量经PI控制器得到混合储能系统需平抑的不平衡总电流I_tot：

其中，K_{p_v}和K_{i_v}分别表示PI控制器的比例参数和积分参数，s是频域内的一个复变量；

S13、不平衡总电流I_tot经电流变化率限制环节分解成高变化率电流分量I_HR和低变化率电流分量I_LR，有：

I_HR＝(1-G_RL)I_tot

I_LR＝G_RLI_tot

其中，G_RL表示电流变化率限制环节计算函数，I_HR作为超级电容输出电流参考值的一部分，I_LR通过步骤S2进行进一步分解；

S2、低变化率电流分量I_LR根据其频率分解成高频的瞬时电流分量I_tran和低频的平均电流分量I_avg，包括以下步骤：

S21、低变化率电流分量I_LR经低通滤波器分解成高频的瞬时电流分量I_tran和低频的平均电流分量I_avg，有：

其中，T表示低通滤波时间常数；

S22、将平均电流分量I_avg作为蓄电池输出电流的参考值I_{b_ref}，瞬时电流分量I_tran与高变化率电流分量I_HR之和作为超级电容输出电流的参考值I_{SC_ref}：

I_{b_ref}＝I_avg

I_{SC_ref}＝I_tran+I_HR

S23、将蓄电池和超级电容电流参考值与实际电流之差分别送入PI控制器，输出占空比信号并分别作用于PWM发生器，进而控制双向DC-DC变换器的工作。

进一步，在蓄电池放电过程中，电流变化率限制环节的临界斜率k₁确定如下式所示：

式中，ρ_b、m_b、V_b和t_b分别为蓄电池的最大功率密度、质量、额定电压、在最大功率密度运行情况下的放电时间，假设蓄电池在整个放电过程中电压保持不变；同理，在蓄电池充电过程中，电流变化率限制环节的临界斜率k₂＝-k₁。

本发明的有益效果如下：

1、克服了由于电池较慢的动态响应速度无法跟踪高变化率电流的缺陷，同时减少了电池的电流应力，延长其使用寿命；

2、对不平衡电流分配更准确合理，提高直流母线电压恢复速度，减小母线电压过冲；

3、只需对直流母线电压进行检测，不需要各单元功率信息，降低对通信的需求，提高系统可靠性。

附图说明

图1为直流微网结构示意图。

图2为本发明方法的控制框图。

图3为不平衡电流分解示意图，其中，a)为不平衡总电流I_tot波形，b)为高变化率电流分量I_HR和低变化率电流分量波形I_LR波形图，c)为平均电流分量I_avg和瞬时电流分量I_tran波形图。

图4为MATLAB仿真实验图，其中，a)为光伏发电系统输出功率突变情况下两种控制策略仿真效果图；b)为负载功率突变情况下两种控制策略仿真效果图；c)为不同情况下两种控制方式直流母线电压恢复时间和电压过冲峰值比较图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施作进一步的详细叙述。但本发明的实施不限于此。

本实施例所提供的考虑直流微网不平衡电流变化率的混合储能分频控制方法，在MATLAB/Simulink仿真平台上得以实现，如图1所示，所述直流微网包括光伏发电系统(PV)、直流母线、负载(R_L)、第一DC-DC双向变换器、第二DC-DC双向变换器、单相Boost变换器及由蓄电池和超级电容构成的混合储能系统(HESS)；其中，光伏发电系统(PV)经单相Boost变换器与直流母线相连，蓄电池经第一DC-DC双向变换器与直流母线连接，超级电容经第二DC-DC双向变换器与直流母线相连，负载直流接于直流母线上；为了最高效地利用光伏发电系统，光伏发电系统采用最大功率点跟踪(MPPT)控制。图1中，u_PV、V_b和V_SC分别表示光伏发电系统、蓄电池和超级电容的额定电压；L_PV、L_b和L_SC分别表示光伏发电系统、蓄电池和超级电容的电感；C_PV、C_b和C_SC分别表示光伏发电系统、蓄电池和超级电容的滤波电感；S_a、S_b、S_c、S_d和S_e分别表示DC-DC变换器的控制开关；R_L表示直流微网的负载；i_PV、i_b、i_SC和i_L分别表示光伏发电系统、蓄电池、超级电容的电感电流以及直流微网的负载电流；直流微网的直流母线电压表示为V_dc。

图2所示为本发明的考虑直流微网不平衡电流变化率的混合储能分频控制方法控制框图，整个控制策略包含两个子过程：S1、不平衡总电流I_tot根据其变化率分解成高变化率分量I_HR和低变化率分量I_LR；S2、低变化率分量I_LR根据其频率分解成高频的瞬时电流分量I_tran和低频的平均电流分量I_avg。

S1过程具体包括如下步骤：

S11、计算直流母线偏差量：

V^*＝V_ref-V_dc

其中，V^*、V_ref和Vdc分别表示直流母线电压偏差量、母线参考电压和母线实际运行电压。

S12、如图3中a)所示，直流母线电压偏差量经PI控制器得到混合储能系统需平抑的不平衡总电流I_tot，为便于观察，在此以阶跃信号为例进行说明：

其中，K_{p_v}和K_{i_v}分别表示PI控制器的比例参数和积分参数，s是频域内的一个复变量。

S13、如图3中b)所示，不平衡总电流I_tot经电流变化率限制环节分解成高变化率电流分量I_HR和低变化率电流分量I_LR：

I_HR＝(1-G_RL)I_tot

I_LR＝G_RLI_tot

其中，G_RL表示电流变化率限制环节计算函数；I_HR作为超级电容输出电流参考值的一部分，I_LR通过步骤S2进行进一步分解。

S2过程具体包括以下步骤：

S21、如图3中c)所示，低变化率电流分量I_LR经低通滤波器分解成高频的瞬时电流分量I_tran和低频的平均电流分量I_avg：

其中，T表示低通滤波时间常数。

S22、将平均电流分量I_avg作为蓄电池输出电流的参考值I_{b_ref}，瞬时电流分量I_tran与高变化率电流分量I_HR之和作为超级电容输出电流的参考值I_{SC_ref}：

I_{b_ref}＝I_avg

I_{SC_ref}＝I_tran+I_HR

S23、将电池和超级电容实际电流与参考值的偏差量分别送入PI控制器，输出占空比信号并分别作用于PWM发生器，最后作用于S_a、S_b、S_c、S_d四个功率开关，控制双向DC-DC变换器的工作，实现混合储能系统对直流母线上不平衡电流的平抑。

在蓄电池放电过程中，电流变化率限制环节的临界斜率k₁确定方法如下式所示：

式中，ρ_b、m_b、V_b和t_b分别为蓄电池的最大功率密度、质量、额定电压、在最大功率密度运行情况下的放电时间，假设蓄电池在整个放电过程中电压保持不变；同理，在蓄电池充电过程中，电流变化率限制环节的临界斜率k₂＝-k₁，在本实施例中，取k₁＝10,k₂＝-10。

如图4所示，是应用本发明的MATLAB仿真效果图，具体仿真参数如表所示：

表格1-MATLAB仿真试验参数

从图4可见，本发明所提供的考虑直流微网不平衡电流变化率的混合储能分频控制策略能在光伏发电系统输出功率和负载功率突变情况下明显加快直流母线电压恢复速度、限制母线电压过冲，同时使电池充放电电流更平缓，减小其电流应力，从而延长其使用寿命，验证了其正确性和相对传统分频控制策略的优越性。

本领域技术人员可以在不违背本发明的原理和实质的前提下对本具体实施例做出各种修改或补充或者采用类似的方式替代，但是这些改动均落入本发明的保护范围。因此本发明技术范围不局限于上述实施例。

Claims (2)

1.考虑直流微网不平衡电流变化率的混合储能分频控制方法，所述直流微网包括光伏发电系统、直流母线、负载、第一DC-DC双向变换器、第二DC-DC双向变换器、单相Boost变换器及由蓄电池和超级电容构成的混合储能系统；其中，所述光伏发电系统经单相Boost变换器与直流母线相连，所述蓄电池经第一DC-DC双向变换器与直流母线连接，所述超级电容经第二DC-DC双向变换器与直流母线相连，负载直接接于直流母线上；

其特征在于，所述混合储能分频控制方法，包含两个过程：

S1、不平衡总电流I_tot根据其变化率分解成高变化率分量I_HR和低变化率分量I_LR，包括以下步骤：

S11、计算直流母线偏差量：

V^*＝V_ref-V_dc

其中，V^*、V_ref和V_dc分别表示直流母线电压偏差量、母线参考电压和母线实际运行电压；

S12、直流母线电压偏差量经PI控制器得到混合储能系统需平抑的不平衡总电流I_tot：

其中，K_{p_v}和K_{i_v}分别表示PI控制器的比例参数和积分参数，s是频域内的一个复变量；

S13、不平衡总电流I_tot经电流变化率限制环节分解成高变化率电流分量I_HR和低变化率电流分量I_LR，有：

I_HR＝(1-G_RL)I_tot

I_LR＝G_RLI_tot

其中，G_RL表示电流变化率限制环节计算函数，I_HR作为超级电容输出电流参考值的一部分，I_LR通过步骤S2进行进一步分解；

S2、低变化率电流分量I_LR根据其频率分解成高频的瞬时电流分量I_tran和低频的平均电流分量I_avg，包括以下步骤：

S21、低变化率电流分量I_LR经低通滤波器分解成高频的瞬时电流分量I_tran和低频的平均电流分量I_avg，有：

其中，T表示低通滤波时间常数；

S22、将平均电流分量I_avg作为蓄电池输出电流的参考值I_{b_ref}，瞬时电流分量I_tran与高变化率电流分量I_HR之和作为超级电容输出电流的参考值I_{SC_ref}：

I_{b_ref}＝I_avg

I_{SC_ref}＝I_tran+I_HR

S23、将蓄电池和超级电容电流参考值与实际电流之差分别送入PI控制器，输出占空比信号并分别作用于PWM发生器，进而控制双向DC-DC变换器的工作。

2.根据权利要求1所述的考虑直流微网不平衡电流变化率的混合储能分频控制方法，其特征在于：在蓄电池放电过程中，电流变化率限制环节的临界斜率k₁确定如下式所示：

式中，ρ_b、m_b、V_b和t_b分别为蓄电池的最大功率密度、质量、额定电压、在最大功率密度运行情况下的放电时间，假设蓄电池在整个放电过程中电压保持不变；同理，在蓄电池充电过程中，电流变化率限制环节的临界斜率k₂＝-k₁。

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