CN110518613A - 电池储能系统的荷电状态平衡与无功分配的分散控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池储能系统的荷电状态平衡与无功分配的分散控制方法，包括以下步骤：步骤S1：通过过测量模块测得BESSs的输出电流和输出电压；步骤S2:根据得到的输出电流和输出电压，通过低通滤波器，得到相应的平均输出功率；步骤S3:将得到的平均输出功率，通过改进的p‑f下垂控制和改进后的Q‑V下垂控制，得到参考角频率与参考电压；步骤S4:将得到参考角频率与参考电压通过基准正弦信号发生器，得到合成电压;步骤S5:将合成电压传给PWM模块，通过PWM模块实现对BESSs的输出功率的控制。本发明实现了BESSs的荷电状态平衡、输出无功功率按比例分配以及即插即用的功能。

Description

电池储能系统的荷电状态平衡与无功分配的分散控制方法

技术领域

本发明涉及电池储能系统控制领域，具体涉及一种电池储能系统的荷电状态平衡与无功分配的分散控制方法。

背景技术

电池储能系统(Battery Energy Storage Systems,BESSs)作为微电网的重要组成部分，主要用于解决微电网中光伏与风机发电的间歇性所带来的电网功率不匹配问题。然而，由于其特性以及运行状态的多样性，BESSs在充放电的过程中可能引起荷电状态不平衡状况,进而造成个别电池储能系统提前退出运行，因此需要采用一种合理的控制方法，使得荷电状态平衡在运行中保持平衡。此外，由于微电网不同于以往线路阻抗，不呈感性而呈阻性，故BESSs在运行中还会存在无功功率输出不均的问题。当BESSs的输出功率不能按比例进行分配时，容易造成个别BESS的输出功率超出容许值，从而导致微电网控制策略的失效或者系统的崩溃。

现有的控制方法中主要分为集中控制、分布式控制和分散控制。

集中控制主要基于全局信息与中心控制器来进行控制，因此存在较大的缺陷，例如单点故障的脆弱性、有限的灵活性以及隐私问题等。

分布式控制仅需要当地的信息，因此能够弥补集中控制的不足，但是分布式通信网络的延迟和通信失败会导致分布式控制器的故障。

在分散控制中，主要采用下垂控制方法来对BESSs进控制，即p-f下垂控制方法和Q-V下垂控制方法。其中，传统的控制原理为

根据(1)式设计p-f与Q-V下垂控制，但由于BESSs的频率相等，而参考电压幅值不相等，即

将式(2)和(3)代入(1)，可得

根据以上分析，可得传统的下垂控制方法能够实现BESSs的有功功率按比例分配，但不能实现无功功率的按比例分配，然而微网中无功功率的按比例分配又是十分重要的。此外，传统的下垂控制方法也未能兼顾荷电状态平衡，因此需要对传统的下垂控制方法进行改进。然而，目前改进下垂控制方法的数学建模大都比较复杂，增加了控制的复杂性，限制了使用范围，未能实现电池储能系统的即插即用，故现有方法无法保证系统运行的稳定性和灵活性。

综上，现有的控制方法中存在的不足有：1.集中控制在单点故障、灵活性以及隐私问题方面存在着明显的缺陷；2.分布式控制在通信网络方面存在着延迟和通信失败等问题；3.传统的下垂控制未能实现无功功率按比率分配以及兼顾荷电状态平衡；4.采用分散下垂控制方法的下垂控制数学模型较为复杂，且不具有即插即用的功能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电池储能系统的荷电状态平衡与无功分配的分散控制方法，现了BESSs的荷电状态平衡、输出无功功率按比例分配以及即插即用的功能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电池储能系统的荷电状态平衡与无功分配的分散控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：通过测量模块测得BESSs的输出电流I_abc和输出电压V_abc；

步骤S2:根据得到的输出电流I_abc和输出电压V_abc，通过低通滤波器，得到相应的平均输出功率；

步骤S3:将得到的平均输出功率，通过改进的p-f下垂控制和改进的Q-V下垂控制，得到参考角频率与参考电压；

步骤S4:将得到参考角频率与参考电压通过基准正弦信号发生器，得到合成电压；

步骤S5:将合成电压传给PWM模块，通过PWM模块实现对BESSs的输出功率的控制。

进一步的，所述步骤S2具体为:

步骤S21:将测量模块测得的输出电流I_abc和输出电压V_abc，获得各个BESS的瞬时有功功率P和无功功率Q；

步骤S22:通过低通滤波器，得到相应的平均有功功率P和平均无功功率Q。

进一步的，所述改进的p-f下垂控制具体为：

f_i ^ref＝f^max-m_i·C_i(B,i)

C_i(B,i)＝a_i·P_B,i+b_i(1-SoC_i)

式中，f_i ^ref，m_i，C_i(B,i)分别为第i个电池储能系统的参考频率、

下垂系数和基于荷电状态的功率分配方程；f^max是空载频率；a_i和b_i为第i个电池储能系统的基于荷电状态的功率分配方程的系数；P_B,i和SoC_i分别为第i个电池储能系统的输出功率和荷电状态。

进一步的，所述改进的Q-V下垂控制具体为：

式中，V^*为电池储能系统的额定电压值；Q_i，V_i ^ref，n_i分别为第i个BESS的输出无功功率，参考电压和下垂系数；V^max是BESSs的空载电压。

进一步的，所述基于荷电状态的功率分配方程的系数的选择具体如下：

采用库伦定律测量各个BESS的荷电状态，计算表达式为

SoC_i＝SoC₀-μ∫P_B,idt

式中，SoC_i，SoC₀分别是该时刻的荷电状态、荷电状态初始值，即通过初始荷电状态与输出有功功率可以求得该时刻的荷电状态；

选择合适的基于荷电状态的功率分配方程的系数，基于荷电状态的功率分配方程的系数的选择标准如下

根据上面的不等式，求解符合要求的基于荷电状态的功率分配方程的系数a_i和b_i。

进一步的，所述步骤S3具体为：

步骤S31:将p-f下垂控制系数与基于荷电状态的功率分配方程C_i(B,i)相乘，用空载频率f^max减去上述相乘之积，获得参考频率f_i ^ref；

步骤S32:将经过低通滤波器所得的平均无功功率Q与Q-V下垂控制系数n_i相乘，用空载电压V^max减去上述相乘之积，获得参考电压V_i ^ref。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明相较于现有的集中控制和分布式控制方法，采用了完全分散的控制方法，解决了控制的不灵活与通信的延迟等问题；相较于传统的下垂控制方法，实现了输出无功功率按比例分配以及荷电状态一致；相较于现有的分散控制方法，具有更为简单的数学模型，以及实现了即插即用。因此本发明提出的方法更具有优越性。

附图说明

图1是本发明控制流程图；

图2是本发明一实施例中的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图1，本发明提供一种电池储能系统的荷电状态平衡与无功分配的分散控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：通过测量模块测得BESSs的输出电流I_abc和输出电压V_abc；

步骤S2:将输出电流I_abc和输出电压V_abc相乘，获得各个BESS的瞬时有功功率P和无功功率Q，再通过低通滤波器，得到相应的平均有功功率P和平均无功功率Q；

步骤S3:将得到的平均有功功率P和平均无功功率Q，通过改进的p-f下垂控制和改进的Q-V下垂控制，得到参考角频率与参考电压；

所述步骤S3具体为：

步骤S31:将p-f下垂控制系数与基于荷电状态的功率分配方程C_i(B,i)相乘，用空载频率f^max减去上述相乘之积，获得参考频率f_i ^ref；

步骤S32:将经过低通滤波器所得的平均无功功率Q与Q-V下垂控制系数n_i相乘，用空载电压V^max减去上述相乘之积，获得参考电压V_i ^ref。将参考电压V_i ^ref与定电压幅值V^*相比较，并通过PI控制环节使得各参考电压等于额定电压幅值V^*。

步骤S4:将得到参考角频率与参考电压通过基准正弦信号发生器，得到合成电压；

步骤S5:将合成电压传给PWM模块，通过PWM模块实现对BESSs的输出功率的控制。

在本实施例中，所述改进的p-f下垂控制具体为：

f_i ^ref＝f^max-m_i·C_i(B,i)

C_i(B,i)＝a_i·P_B,i+b_i(1-SoC_i)

式中，f_i ^ref，m_i，C_i(B,i)分别为第i个电池储能系统的参考频率、下垂系数和基于荷电状态的功率分配方程；f^max是空载频率；a_i和b_i为第i个电池储能系统的基于荷电状态的功率分配方程的系数；P_B,i和SoC_i分别为第i个电池储能系统的输出功率和荷电状态。

在本实施例中，所述改进的Q-V下垂控制具体为：

式中，V^*为电池储能系统的额定电压值；Q_i，V_i ^ref，n_i分别为第i个BESS的输出无功功率，参考电压和下垂系数；V^max是BESSs的空载电压。

本实施例中，所述基于荷电状态的功率分配方程的系数的选择具体如下：

采用库伦定律测量各个BESS的荷电状态，计算表达式为

SoC_i＝SoC₀-μ∫P_B,idt

式中，SoC_i，SoC₀分别是该时刻的荷电状态、荷电状态初始值，即通过初始荷电状态与输出有功功率可以求得该时刻的荷电状态；

选择合适的基于荷电状态的功率分配方程的系数，基于荷电状态的功率分配方程的系数的选择标准如下

根据上面的不等式，求解符合要求的基于荷电状态的功率分配方程的系数a_i和b_i。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种电池储能系统的荷电状态平衡与无功分配的分散控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：通过测量模块测得BESSs的输出电流I_abc和输出电压V_abc；

步骤S2:根据得到的输出电流I_abc和输出电压V_abc，通过低通滤波器，得到相应的平均输出功率；

步骤S3:将得到的平均输出功率，通过改进的p-f下垂控制和改进的Q-V下垂控制，得到参考角频率与参考电压；

步骤S4:将得到参考角频率与参考电压通过基准正弦信号发生器，得到合成电压；

步骤S5:将合成电压传给PWM模块，通过PWM模块实现对BESSs的输出功率的控制。

2.根据权利要求1所述的电池储能系统的荷电状态平衡与无功分配的分散控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体为:

步骤S21:将测量模块测得的输出电流I_abc和输出电压V_abc，获得各个BESS的瞬时有功功率P和无功功率Q；

步骤S22:通过低通滤波器，得到相应的平均有功功率P和平均无功功率Q。

3.根据权利要求1所述的电池储能系统的荷电状态平衡与无功分配的分散控制方法，其特征在于，所述改进的p-f下垂控制具体为：

f_i ^ref＝f^max-m_i·C_i(B,i)

C_i(B,i)＝a_i·P_B,i+b_i(1-SoC_i)

式中，f_i ^ref，m_i，C_i(B,i)分别为第i个电池储能系统的参考频率、下垂系数和基于荷电状态的功率分配方程；f^max是空载频率；a_i和b_i为第i个电池储能系统的基于荷电状态的功率分配方程的系数；P_B,i和SoC_i分别为第i个电池储能系统的输出功率和荷电状态。

4.根据权利要求1所述的电池储能系统的荷电状态平衡与无功分配的分散控制方法，其特征在于，所述改进的Q-V下垂控制具体为：

式中，V^*为电池储能系统的额定电压值；Q_i，V_i ^ref，n_i分别为第i个BESS的输出无功功率，参考电压和下垂系数；V^max是BESSs的空载电压。

5.根据权利要求3所述的电池储能系统的荷电状态平衡与无功分配的分散控制方法，其特征在于，所述充放电成本系数的选择具体如下：

采用库伦定律测量各个BESS的荷电状态，计算表达式为

SoC_i＝SoC₀-μ∫P_B,idt

式中，SoC_i，SoC₀分别是该时刻的荷电状态、荷电状态初始值，即通过初始荷电状态与输出有功功率可以求得该时刻的荷电状态；

基于荷电状态的功率分配方程的系数的选择标准如下

根据上面的不等式，求解符合要求的基于荷电状态的功率分配方程的系数a_i和b_i。

6.根据权利要求1所述的电池储能系统的荷电状态平衡与无功分配的分散控制方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

步骤S31:将p-f下垂控制系数与基于荷电状态的功率分配方程C_i(B,i)相乘，用空载频率f^max减去上述相乘之积，获得参考频率f_i ^ref；

步骤S32:将经过低通滤波器所得的平均无功功率Q与Q-V下垂控制系数n_i相乘，用空载电压V^max减去上述相乘之积，获得参考电压V_i ^ref。