CN110112723B - 一种直流微电网离网状态下的下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流微电网离网状态下的下垂控制方法，采用k初始虚拟阻抗、N加速因子、蓄电池的容量、荷电状态、放电深度自适应调整虚拟阻抗，引入λ因子消除不匹配线阻影响，引入电压恢复项恢复母线参考电压。与现有技术相比，本发明消除不匹配线路阻抗对储能单元电流分配的影响，同时在储能单元中实现电流按容量进行分配，使得各储能单元的荷电状态逐步达到均衡，避免部分储能单元过度充放电，且本发明不需要测得线路阻抗信息，只需要加入消除不匹配线阻影响的补偿项，进而实现荷电状态均衡，同时加入电压恢复项来保证电压恢复到参考值。

Description

一种直流微电网离网状态下的下垂控制方法

技术领域

本发明涉及直流微电网领域，尤其是涉及一种直流微电网离网状态下的下垂控制方法。

背景技术

为了减少化石燃料有关的环境污染问题，近十年来，以可再生能源(renewableenergy source,RES)为基础的分布式发电(distributed generators,DGs)技术得到了广泛的发展，微电网是一种集成可再生能源与负载的解决方案。微电网具有各种直流源(如光伏(Photovoltaic,PV))、交流源(如风机(Wind Turbine generator,WTG))和负载(如电动汽车)，与交流微电网相比，直流微电网不会存在谐波、无功等问题，因此，直流微电网得到了广泛地研究和关注。

为了保证微电网的可靠运行和电能质量，如何降低太阳能、风能等RES引起的功率波动是研究微电网的重点所在，因此，配置储能系统(energy storage system,ESS)的协调控制显得十分重要。由于微电网的分布特性，这些储能单元通常并联运行在直流母线上，当出现储能单元(distributed energy storage units,DESUs)的荷电状态(state ofcharge,SoC)不均衡时，会导致部分储能单元的深度充电或过度放电，缩短储能系统的使用寿命。为了避免储能系统损坏，各储能单元的SoC必须达到均衡。

在直流微电网中，通常采用I-U下垂来控制母线上的DC/DC变流器，但在传统下垂控制中，各储能单元只能按照其输出电流成比例地分配功率，并没有考虑到初始SoC是否相同，所以DESUs之间的SoC无法达到均衡。为了使SoC快速达到均衡，诸多国内外学者提出了不同的解决方法，一种方法是幂函数SoCⁿ自适应地调节各储能单元的下垂系数，其中n为收敛因子，该控制方法在储能单元SoC均衡实验中显示了有效性，但并没有考虑直流微电网因下垂控制而造成的电压偏差；有学者提出一种自适应分级协调控制方法，先利用功率分配级确定储能系统的主导储能单元，进而通过功率平衡级控制，实现SoC均衡；除此之外，各个储能独立自治的模糊算法被提出来实现功率按照储能荷电状态自动分配，但最终的功率平衡需要通过储能的恒压充电才能实现，在放电期间无法确定各储能单元荷电状态是否可以达到平衡，且复杂的控制器设计并不适用于实际工程。

在上述的研究中，即使通过调整每个DESU的虚拟阻抗实现SoC均衡，但在储能单元中，不可避免地存在不匹配线阻，所以不能保证DESUs之间的准确的电流或功率分配。利用电压变化率替代下垂控制中的电压，可有效降低线路阻抗对负荷分配精度的影响，但是该方法未考虑荷电状态的信息，用于储能单元SoC均衡控制时不能按容量进行功率分配；另一种方法提出利用SoC相关的e指数下垂控制，对下垂系数中的控制参数进行分析，通过选择合适的参数减小线路阻抗的影响，实现SoC的均衡，但该方法不能完全消除线路阻抗对电流负荷分配的影响，并且设置的控制参数要足够的大，这势必会引起一定程度的直流母线电压偏差。

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线阻与容量的直流微电网在离网状态下的下垂控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种直流微电网离网状态下的下垂控制方法，所述的直流微电网包括多个连接在母线上的储能单元，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1，自适应调整各储能单元的虚拟阻抗，第i个储能单元虚拟阻抗R_{v_i}计算式为：

其中，k为初始虚拟阻抗，N为加速因子，SoC_i为第i个储能单元的当前荷电状态，DoD_i为第i个储能单元放电深度，DoD_i＝1-SoC_i，SoC_ave与DoD_ave分别为储能单元平均荷电状态与平均放电深度，C_{bat_i}为第i个储能单元的容量，I_i为第i个储能单元的输出电流；

S2，采用PI控制器，将电压补偿项加入到参考电压上，消除不匹配线阻对功率分配的影响，第i个储能单元的电压补偿项ΔV_{R_i}计算式为：

其中，λ_ave为个储能单元的中间量λ_i的平均值，k_{P_R}和k_{I_R}为用于消除不匹配线阻的PI控制器的系数；

其中，ΔV_max为最大母线电压偏差；

S3，采用PI控制器，将电压恢复项加入到参考电压上，恢复母线参考电压，电压恢复项ΔV_V计算式为：

其中，V_ref为母线参考电压，V_ave为储能单元输出电压的平均值，k_{P_V}和k_{I_V}为用于恢复母线参考电压的PI控制器的系数。

恢复母线参考电压即消除公共母线电压偏差，公共母线电压偏差由下垂控制方法引入。

所述的第i个储能单元的当前荷电状态为：

其中，SoC_{i_0}为第i个储能单元的初始荷电状态。

所述的PI控制器为基于电压电流的双PI控制器，包括电压外环以及电流内环。

所述的第i个储能单元放电时，若当前荷电状态高于储能单元平均荷电状态，则第i个储能单元的虚拟阻抗减小，当前荷电状态低于储能单元平均荷电状态时，则第i个储能单元的虚拟阻抗增大；在充电期间，若第i个储能单元的放电深度高于平均放电深度时，则第i个储能单元的虚拟阻抗减小，放电深度低于平均放电深度时，则第i个储能单元的虚拟阻抗增大。

不匹配线阻对每个储能单元荷电状态的影响消除时，所述的每个储能单元的λi值相等。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)虚拟阻抗与储能单元容量关联，在储能单元中实现电流按容量进行分配。

(2)消除不匹配线路阻抗对储能单元电流分配的影响，使得各储能单元的荷电状态逐步达到均衡，避免部分储能单元过度充放电。

(3)本发明不需要测得线路阻抗信息，只需要加入消除不匹配线阻影响的补偿项，即可实现荷电状态均衡。

(4)本发明同时加入电压恢复项来保证电压恢复到参考值。

(5)本发明基于电压电流的双PI控制器，速度较快，精确度较高。

附图说明

图1为直流微电网典型的结构示意图；

图2为并联双储能单元结构示意图；

图3为基于虚拟电流额定值的下垂控制方法示意图；

图4为有精确电流分配和电压恢复的下垂控制方法示意图；

图5(a)为采用本发明方法储能单元稳定充电时储能单元SoC与输出电流示意图；

图5(b)为采用SoC相关的e指数下垂控制方法储能单元稳定充电时储能单元SoC与输出电流示意图；

图5(c)为储能单元稳定充电时直流母线电压波形；

图6(a)为采用本发明方法储能单元稳定放电时储能单元SoC与输出电流示意图；

图6(b)为采用SoC相关的e指数下垂控制方法储能单元稳定放电时储能单元SoC与输出电流示意图；

图6(c)为储能单元稳定放电时直流母线电压波形；

图7为光伏系统出现扰动时系统功率分配情况；

图8(a)为采用本发明方法光伏系统出现扰动时储能单元SoC与输出电流示意图；

图8(b)为采用SoC相关的e指数下垂控制方法光伏系统出现扰动时储能单元SoC与输出电流示意图；

图8(c)为光伏系统出现扰动时直流母线电压波形；

图9为负荷出现扰动时系统功率分配情况；

图10(a)为采用本发明方法负荷出现扰动时储能单元SoC与输出电流示意图；

图10(b)为采用SoC相关的e指数下垂控制方法负荷出现扰动时储能单元SoC与输出电流示意图；

图10(c)为负荷出现扰动时直流母线电压波形；

图11为本发明流程图；

附图标记：

1为光伏；2为风机；3为线阻；4为母线；5为储能系统；6为负载。

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。

实施例

如图1所示，典型的直流微电网包括直流源(如光伏1)、交流源(如风机2)、储能系统5和负载6，其均与母线4并联，光伏1、风机2和储能系统5均存在线阻3。

在直流微电网中，负荷分配方法主要采用下垂控制，传统I-U下垂控制表达式为：

V_out＝V_ref-R_vI_out                         (1)

式中，V_out和I_out为DC/DC变流器输出电压与输出电流；V_ref为参考电压；R_v为虚拟阻抗。

SoC不均衡分析：SoC_i代表第i个储能单元的当前荷电状态，可定义为:

式中SoC_{i_0}代表第i个储能单元的初始荷电状态；I_i代表第i个储能单元的输出电流；C_{bat_i}为第i个储能单元的容量。SoC_i的导数为：

因此系统运行时，各储能单元输出电流和容量决定了SoC_i的充放电速度。为了提高微电网的冗余性和可靠性，将多组储能单元通过DC/DC变流器并联连接于公共母线上。为了便于分析，使用具有两个DESU的简单并联系统模型，如图2所示，其中R_{line_1}和R_{line_2}分别是DBEU₁和DBEU₂的等效线阻，R_load是等效负载电阻，V_bus为直流母线电压，I_{out_1}与I_{out_2}分别是DESU₁和DESU₂变流器的输出电流，V_{out_1}与V_{out_2}分别是DESU₁和DESU₂变流器的输出电压。假设系统中的DC/DC变流器是理想变流器，DESUs的输出电压可以完全跟随参考值。

根据图2可得各变流器输出电流为：

将式(1)带入式(4)、(5)，可得

显然，两组储能单元DESU₁、DESU₂在传统I-U下垂控制下SoC_i导数的比值为:

从式(8)可以看出，储能单元的SoC均衡与R_{line_i}、R_v和C_{bat_i}有关。

改进下垂控制策略设计：在传统I-U下垂控制式(1)中，DBEUs只能按照其输出电流成比例地分配功率，并没有考虑到初始SoC是否相同，所以DBEUs之间的SoC无法达到均衡。为了使DBEUs快速达到SoC均衡的状态，本发明提出一种自适应地调整虚拟阻抗的方法，具体为：

式(9)中，R_{v_i}为第i个储能单元的虚拟阻抗，k为初始虚拟阻抗，N为加速因子，目的在于加快SoC收敛速度，但如果数值过大会影响系统的稳定性，所以折中选取本实施例表1中的数值；DoD_i代表第i个DESU放电深度，其值为：DoD_i＝1-SoC_i；SoC_ave与DoD_ave代表储能单元平均荷电状态和储能单元平均放电深度，其值为：

如(9)所示，虚拟阻抗可以根据SoC_i、SoC_ave或DoD_i、DoD_ave自适应地调整。在放电期间，当每个DBEU的SoC_i高于SoC_ave时，虚拟阻抗较小，SoC_i低于SoC_ave时，虚拟阻抗较大；在充电期间，当每个DBEU的DoD_i高于DoD_ave时，虚拟阻抗较小，DoD_i低于DoD_ave时，虚拟阻抗较大。

在实际应用中，不可避免地存在不匹配线阻，所以，在式(1)和(9)中提出的储能系统SoC均衡策略会受到直流微网中的不匹配线阻影响。在上文的分析中可知，如果传统的下垂控制没有考虑不匹配线阻，那么储能系统功率的分配精度会受到影响。为了实现精确的电流分配与SoC均衡，本发明提出一种基于虚拟电流额定值的下垂控制方法来消除线路阻抗对分配精度的影响，如图3所示。

图3中的虚拟电流额定值可以根据最大的母线电压偏差ΔV_max和虚拟阻抗R_{v_i}得到：

为了消除不匹配线阻的影响，引入λ_i与λ_ave两个量，定义如下：

λ₁＝λ₂＝λ₃＝……＝λ_i＝……＝λ_n               (15)

当满足式(15)成立时，表明每个DESU的λ_i达到相同，以此消除不匹配线阻对SoC均衡的影响。因此用λ_ave、λ_i和目前比较常用的PI控制器就可以计算出每个DESU用于消除不匹配线阻所需的补偿项。

其中，ΔV_{R_i}为第i个DESU的补偿项，k_{P_R}和k_{I_R}为消除不匹配线阻影响的PI控制器的系数。

由于采用了下垂控制来均衡储能系统的SoC，所以不可避免地会造成公共母线电压的偏差。而直流微电网中的电压必须保持在允许范围内，为解决这个问题，考虑在下垂控制中加入电压恢复项。

式(17)中，ΔV_V为电压恢复项，V_ave为各储能单元输出电压的平均值，k_{P_V}和k_{I_V}为电压恢复项的PI控制器的系数。

在图4中，实线代表最初的下垂曲线，DESU₁和DESU₂的工作点分别在点A₁和点A₂。首先，通过加入消除不匹配线阻的补偿项ΔV_{R_1}和ΔV_{R_2}后，下垂曲线移位，两条下垂曲线移动到点A。紧接着，下垂曲线以ΔV_V作为电压补偿项向上移位，将输出电压恢复到参考值。此时DESU₁和DESU₂的相交点移动到点B。由此，通过增加消除不匹配线阻补偿项和电压恢复项，DESUs的SoC可以在不匹配线阻的情况下达到均衡，并使母线电压恢复到参考值。

基于RTDS实验平台搭建了含三个储能单元(DESU₁、DESU₂、DESU₃)的光储直流微电网系统，采用的储能单元容量均为10Ah，设置各储能单元初始荷电状态均为0.50，负荷用可变电阻等效，分别对以下三个实施例进行仿真分析，系统参数如表1所示。

表1微电网系统参数

实例1：储能系统正常充电/放电

当直流微电网离网运行时，一般通过储能系统的稳定充电和放电来平衡光储直流微电网系统功率的供需，当光伏系统发出的功率大于负荷消耗的功率时，储能系统处于稳定充电状态。相反，若光伏系统发出的功率小于负荷消耗的功率时，储能系统处于稳定放电状态，当光储直流微电网系统稳定运行时，储能系统充电和放电过程实验波形如图5和图6所示。

采用本发明所提下垂控制方法的实验结果如图5(a)和图6(a)所示。0s到5s时，DESUs在传统的下垂控制方法中工作，传统下垂控制由于存在不匹配线阻，势必会导致输出电流不合理的分配，进而引起SoC不平衡。各储能单元在5s后切换到本发明提出的下垂控制方法，图5(a)中可以看出，当储能系统处于稳定充电状态时，各DESU的输入电流逐渐按容量分配，并且其荷电状态逐渐达到均衡；从图6(a)中有可以看出储能系统在稳定放电时，各DESU的输出电流逐渐按容量分配，与此同时它们的荷电状态逐渐达到均衡。

对比实验采用SoC相关的e指数下垂控制方法，具体实验结果如图5(b)和图6(b)所示。在图中可以清晰地看出，由于SoC相关的e指数下垂控制方法没有考虑容量，当DESUs处于稳定充电与放电时，其荷电状态无法达到均衡。通过与SoC相关的e指数下垂控制方法的对比，证明本发明所提出的下垂控制方法能够有效地消除不匹配线阻对DESUs荷电状态均衡的影响，并且最终实现SoC快速的均衡。

图5(c)和图6(c)的母线电压波形可以看出，虽然采用SoC相关的e指数下垂控制方法的电压在允许的范围内波动，但采用本发明所提出的下垂控制方法，直流母线电压可以恢复到参考值。

实例2：分布式电源输出功率波动

实例2对光伏系统输出功率突变的情况进行验证。光伏系统在10s时因光照强度变化而导致发电功率增加，与此同时，光储直流微电网系统中的储能系统从放电的状态快速地切换到充电状态，其通过调整DESUs的输出功率来保证系统稳定地运行。ESS具体变化情况如图8所示，图8(a)中，各DESU在0s到5s时处于传统下垂控制方法阶段。此时，由于存在不匹配线阻，将使DESUs的输出电流不合理的分配，进而导致储能系统的SoC无法达到均衡。

在5s时，ESS中的各储能单元切换至本发明所提的下垂控制方法中工作。而后在10s时，光伏系统因光照强度增加导致发电功率增加，此时的ESS由放电状态迅速切换至充电状态。图8(a)可以看出，采用本发明所提的下垂控制能使储能单元的电流逐渐地按容量分配，并且使SoC逐渐均衡，最终达到平衡。采用SoC相关的e指数下垂控制方法的对比实验如图8(b)所示。由于SoC相关的e指数下垂控制方法没有考虑储能系统中DESUs，所以其荷电状态无法达到均衡。通过图8(a)与图8(b)的对比，可以看出采用本发明提出的下垂控制方法能更好地均衡各储能单元荷电状态。

对比图8(c)中的直流母线电压波形，可以看出相较于采用SoC相关的e指数下垂控制方法，本发明所采用的下垂控制方法可以使母线电压恢复到参考值，而采用SoC相关的e指数下垂控制方法会使电压有偏差。

实例3：负载出现变化

实例3对光储直流微电网系统负荷发生突变的情况进行验证。光储直流微电网系统负荷在8s时增大，此时，系统中的ESS快速调整储能单元的输出功率来平衡系统的功率供需，从充电状态迅速调节到放电状态来提供负荷缺少的功率。采用本发明所提的下垂控制方法时DESUs的实验结果如图10(a)所示，储能单元在0s到5s时工作在传统下垂控制中，并且负荷在8s时出现变化，在5s时，DESUs切换至本发明所提改进下垂控制，可以看出，即使在负荷发生突变时，采用改进下垂仍然可以使DESUs的电流按容量进行合理地分配，并最终达到荷电状态均衡，避免DESUs过放电。

与图10(b)采用SoC相关的e指数下垂控制方法对比，可以看出，由于SoC相关的e指数下垂控制方法没有考虑容量，其荷电状态无法达到均衡。最后，从图10(c)的直流母线电压波形可以看出，虽然采用SoC相关的e指数下垂控制方法的电压在允许的范围内波动，但采用本发明所提出的改进下垂控制，直流母线电压可以恢复到参考值。

Claims (6)

1.一种直流微电网离网状态下的下垂控制方法，所述的直流微电网包括多个连接在母线上的储能单元，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1，自适应调整各储能单元的虚拟阻抗，第i个储能单元虚拟阻抗R_{v_i}计算式为：

其中，k为初始虚拟阻抗，N为加速因子，SoC_i为第i个储能单元的当前荷电状态，DoD_i为第i个储能单元放电深度，DoD_i＝1-SoC_i，SoC_ave与DoD_ave分别为储能单元平均荷电状态与平均放电深度，C_{bat_i}为第i个储能单元的容量，I_i为第i个储能单元的输出电流；

S2，采用PI控制器，将电压补偿项加入到参考电压上，消除不匹配线阻对功率分配的影响，第i个储能单元的电压补偿项ΔV_{R_i}计算式为：

其中，λ_ave为个储能单元的中间量λ_i的平均值，k_{P_R}和k_{I_R}为用于消除不匹配线阻的PI控制器的系数；

其中，ΔV_max为最大母线电压偏差；

还包括以下步骤：

S3，采用PI控制器，将电压恢复项加入到参考电压上，恢复母线参考电压，电压恢复项ΔV_V计算式为：

其中，V_ref为母线参考电压，V_ave为储能单元输出电压的平均值，k_{P_V}和k_{I_V}为用于恢复母线参考电压的PI控制器的系数。

2.根据权利要求1所述的一种直流微电网离网状态下的下垂控制方法，其特征在于，恢复母线参考电压即消除公共母线电压偏差，公共母线电压偏差由下垂控制方法引入。

3.根据权利要求1所述的一种直流微电网离网状态下的下垂控制方法，其特征在于，所述的第i个储能单元的当前荷电状态为：

其中，SoC_{i_0}为第i个储能单元的初始荷电状态。

4.根据权利要求1所述的一种直流微电网离网状态下的下垂控制方法，其特征在于，所述的PI控制器为基于电压电流的双PI控制器，包括电压外环以及电流内环。

5.根据权利要求1所述的一种直流微电网离网状态下的下垂控制方法，其特征在于，所述的第i个储能单元放电时，若当前荷电状态高于储能单元平均荷电状态，则第i个储能单元的虚拟阻抗减小，当前荷电状态低于储能单元平均荷电状态时，则第i个储能单元的虚拟阻抗增大；在充电期间，若第i个储能单元的放电深度高于平均放电深度，则第i个储能单元的虚拟阻抗减小，放电深度低于平均放电深度时，则第i个储能单元的虚拟阻抗增大。

6.根据权利要求1所述的一种直流微电网离网状态下的下垂控制方法，其特征在于，不匹配线阻对每个储能单元荷电状态的影响消除时，所述的每个储能单元的λi值相等。

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