CN111244932B - 一种能量路由器用储能多工况运行控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能量路由器用储能多工况运行控制方法及装置，包括，在传统电压下垂控制环中加入电流跟踪环，使得储能能够传输容量范围内任意功率大小，从而实现功率的精准分配；基于状态跟随，实现了储能恒流模式与恒压模式之间的无缝切换，从而实现了储能的灵活控制，保证了模式切换时直流母线的电能质量。

Description

一种能量路由器用储能多工况运行控制方法及装置
技术领域
本发明公开了一种能量路由器用储能多工况运行控制方法及装置，属于能量路由器的多工况协调控制技术领域。
背景技术
多端口能量路由器中，储能装置作为一个关键设备，在提升可再生能源本地消纳的同时，也提高了系统的运行可靠性。因而研究如何设计储能的充放电控制策略是一大热点。现有研究主要侧重于控制储能的充放电来控制直流母线电压稳定以及维持系统功率平衡，虽然这对于能量路由器的可靠运行来说是十分有利的，但是缺乏对储能自身运行情况的考虑。在实际情况下，储能随着荷电状态(SOC)逐渐接近上限，充电电流(功率)要逐渐减小，即由恒流充电模式转为恒压充电模式，直至浮充将电池电量充满。这个过程就涉及到储能控制策略的切换，由控直流母线电压转变为控制电池的端口电压。此外，在储能进入恒压充电模式时，如果此时有放电的现实需要，如何无缝切换回恒流放电模式也是一大难点。现有文献对于储能从恒流模式到恒压模式进行了一定的研究，但缺乏对于两者之间无缝切换的全面研究。因而研究储能的多工况控制策略是一大研究热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能量路由器用储能多工况运行控制方法及装置，考虑储能实际SOC变化对于充放电的限制，从而实现储能在恒流模式下的任意功率精准传输，恒压模式充放电，以及两者之间的无缝切换。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明实施例一方面提供一种能量路由器用储能多工况运行控制方法，包括：恒流模式储能控制，恒压模式储能控制，恒流充电模式到恒压充电模式切换控制，和恒压充电模式到恒流放电模式切换控制；
所述恒流模式储能控制和恒压模式储能控制共用电流内环；
所述恒流充电模式到恒压充电模式切换控制和所述恒压充电模式到恒流放电模式切换控制通过如下判据实现：
当S2,S3,S4的值由0变为1时，由恒流充电模式切换到恒压充电模式；
当S2,S3,S4的值由1变为0时，由恒压充电模式切换到恒流放电模式；
所述S2,S3,S4为部署于恒流模式储能控制和恒压模式储能控制中PI控制器前的开关，取值为1表示开关闭合，取值为0表示开关断开；
所述S2,S3,S4的取值方式为：
Discharge和Vt进行逻辑“与”运算得到S2,S3,S4的值；
其中，Discharge表示充放电信号对应的逻辑值，Vt表示储能电池端口电压判断信号对应的逻辑值。
进一步的，所述S2,S3,S4为部署于恒流模式储能控制和恒压模式储能控制中PI控制器前的开关，取值为1表示开关闭合，取值为0表示开关断开。
进一步的，所述充放电信号由能量路由器控制层根据需要给出，充电信号时Discharge为1，放电信号时Discharge为0；
所述储能电池端口电压判断信号由储能本地控制器根据检查到的储能电池端口电压给出，储能电池端口电压达到临界值时Vt为1，小于临界值时Vt为0。
进一步的，所述临界值根据储能电池特性选取，且小于充满电的储能电池电压。
进一步的，所述恒流模式储能控制采用基于电流跟踪的下垂控制方法，包括：
储能变换器的输入电流I1通过一个电流环控制跟踪参考电流I1ref；
I1和I1ref相减经PI调节后的值通过低通滤波器滤除高频纹波，与直流母线电压Udc相乘得到功率参考值P1ref；
功率参考值P1ref经过一个电压-功率的下垂控制得到直流母线电压当前参考值U1ref；
直流母线电压当前参考值U1ref加入下垂控制的二次电压补偿量δu后，得到直流母线电压的最后给定参考值；
直流母线电压的最后给定参考值经过电压电流双闭环控制以及移相控制得到DAB原边开关管的移相角，进行单移相控制得到开关管驱动信号。
进一步的，所述二次电压补偿量δu为，
将直流母线电压当前参考值U1ref和实际值相减后经过一个PI控制后的值作为δu。
进一步的，所述恒压模式储能控制采用电压电流双闭环控制方法，包括：
采样的储能电池端口电压Ubat与参考电压Ubatref比较；
比较后的差值通过PI调节后的输出Ibatref2作为电流参考值；
电流参考值Ibatref2与采样的储能电池端口电流Ibat比较；
比较后的差值通过PI调节后进行移相控制得到DAB原边开关管的移相角，进行单移相控制得到开关管驱动信号。
本发明实施例另一方面还提供一种能量路由器用储能多工况运行控制装置，包括下垂控制模块，双闭环控制模块和切换控制模块，
所述下垂控制模块用于对储能进行恒流模式控制；
所述双闭环控制模块用于对储能进行恒压模式控制；
所述下垂控制模块和双闭环控制模块共用电流内环；
所述切换模块用于根据如下判据对储能进行恒流充电模式到恒压充电模式切换控制以及恒压充电模式到恒流放电模式切换控制；
所述判据为：
当S2,S3,S4的值由0变为1时，由恒流充电模式切换到恒压充电模式；
当S2,S3,S4的值由1变为0时，由恒压充电模式切换到恒流放电模式；
所述S2,S3,S4为部署于下垂控制模块和双闭环控制模块中PI控制器前的开关，取值为1表示开关闭合，取值为0表示开关断开；
所述S2,S3,S4的取值方式为：
Discharge和Vt进行逻辑“与”运算得到S2,S3,S4的值；
其中，Discharge表示充放电信号对应的逻辑值，Vt表示储能电池端口电压判断信号对应的逻辑值。
进一步的，所述充放电信号由能量路由器控制层根据需要给出，充电信号时Discharge为1，放电信号时Discharge为0；
所述储能电池端口电压判断信号由储能本地控制器根据检查到的储能电池端口电压给出，储能电池端口电压达到临界值时Vt为1，小于临界值时Vt为0。
进一步的，所述下垂控制模块用于采用基于电流跟踪的下垂控制对储能进行恒流模式控制；
所述双闭环控制模块用于采用电压电流双闭环控制对储能进行恒压模式控制。
本发明的有益效果为：
(1)本发明采用基于电流跟踪的新型下垂控制方法，从而实现了传输电流(功率)在恒流模式下的精准分配；
(2)本发明中恒流模式与恒压模式共用电流内环进行状态跟随，从而实现了两者之间的无缝切换；
(3)本发明全面考虑了储能SOC对于充放电功率的限制，使得储能满足能量路由器多工况运行要求。
附图说明
图1是本发明提出的能量路由器用储能多工况运行控制策略原理图；
图2是本发明实施例中三端口能量路由器拓扑结构图；
图3是本发明实施例中储能模式切换过程中对应的波形图；
图4是本发明实施例中储能模式切换对应的VSC电流波形图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
能量路由器中储能装置的运行工况包括：恒流模式，恒压模式，恒流充电模式无缝切换到恒压充电模式和恒压充电模式无缝切换到恒流放电模式，基于上述四种运行工况，本发明一方面提供一种能量路由器用储能多工况运行控制方法，包括：
工况一：储能在恒流模式下的控制策略采用基于电流跟踪的新型下垂控制方法，如图1所示，具体如下：
通过一个电流环控制，使得从直流母线到储能变换器的输入电流I1能够跟踪参考电流I1ref，从而实现储能变换器与直流母线交换功率的控制；
输入电流I1与参考电流I1ref相减，经过PI(proportional integral controller比例调节和积分调节)调节后的值通过低通滤波器(LPF)滤除高频纹波，与直流母线电压Udc相乘得到功率参考值P1ref；
功率参考值P1ref经过一个电压-功率的下垂控制得到直流母线电压当前参考值U1ref；
直流母线电压当前参考值U1ref加入下垂控制的二次电压补偿量δu后，作为直流母线电压的最后给定参考值；二次电压补偿，一般根据需要来补偿，当需要维持直流母线电压稳定时，就将直流母线电压参考值和实际值相减后经过一个PI控制后的值作为δu。
经过电压电流双闭环控制以及移相控制得到DAB原边开关管的移相角。
本发明中DAB采用单移相控制，副边只需要给一个同频率固定相位的方波信号即可。
在此控制中，在下垂控制参考电压中加入了二次电压补偿，从而能够对直流母线电压进行二次校正，避免了下垂控制固有特性导致的直流母线电压随着功率变化偏离额定值的情况。
工况二：储能在恒压模式下的控制策略通过传统的电压电流双闭环实现，具体为：
采样到的电池端口电压Ubat与参考电压Ubatref比较；
比较后的差值通过PI调节后的输出Ibatref2作为电流参考值；
电流参考值Ibatref2与采样到的电池端口电流Ibat比较；
比较后的差值通过PI调节后进行移相控制得到DAB原边开关管的移相角，进行单移相控制得到开关管驱动信号。
由图1可见，储能的恒流模式与恒压模式共用电流内环，为模式切换时电流的连续变化奠定了基础。通过电压电流双闭环后，得到DAB所需的移相角，进行单移相控制得到开关管驱动信号。
工况三：图1中，Discharge为1表示充电信号，为0表示放电信号；电池端口电压达到临界值时Vt判断为1，小于临界值时Vt判断为0。
其中，Discharge充放电信号由能量路由器控制层根据需要给出；Vt判断信号是储能本地控制器根据检查到的储能端口电压决定(随着储能SOC的上升，端口电压逐渐升高)。
所述临界值根据电池特性选取合适的值，小于充满电的电压。
设定判据：
Discharge和Vt进行逻辑“与”运算得到S2,S3,S4的取值。
S2,S3,S4表示开关状态，值为1表示开关闭合，值为0表示开关断开，
S2,S3,S4配置位置如下：
S2配置于储能的恒流模式电流环PI控制之前；
S3配置于储能的恒压模式电压环PI控制之前；
S4配置于储能的恒流模式与恒压模式共用电流内环的PI控制之前。
需要说明的是，S2,S3,S4的取值相同。
当储能工作于恒流充电模式时，Discharge为1，Vt为0，此时S2,S3,S4＝0，恒压模式的电压控制环输出Ibatref2一直跟踪恒流模式的储能电流参考值Ibatref1，从而保证了在模式切换时，储能电流参考值的一致性。
电池端口电压达到临界值时Vt判断为1，此时S2,S3,S4＝1，进行模式切换，储能由恒流充电模式进入恒压充电模式，控制储能电池端口电压稳定，充电电流逐渐减小，直至充满电。
工况四：当储能工作于恒压充电模式时，如果需要进行放电，则储能要切换到恒流放电模式。
参考上述工况三，在恒压充电模式下，S2,S3,S4＝1，恒流模式的储能电流参考值Ibatref1一直跟踪恒压模式的储能电流参考值Ibatref2，从而保证了模式切换时储能电流参考值的连续性。
与恒流充电模式切换到恒压充电模式不同的是，恒压充电模式切换到恒流放电模式时还需要保证输入电流的连续。
在恒流充电模式下，当Discharge为0时，表明由充电模式进入放电模式，S2,S3,S4＝0，进行模式切换，储能控制器采样储能变换器当前输入工作电流I1，作为恒流模式的输入参考电流I1ref，从而实现了模式的无缝切换。
实施例
以三端口能量路由器为例，如图2所示，在3.5s前，储能一直工作在恒流充电模式，充电电流保持不变，储能SOC逐渐升高，如图3所示。此时光伏出力完全由储能消纳，VSC(Voltage Source Converter，电压源型并网变换器)电流基本为零，如图4所示。由于三相电流的对称性，选取C相电压(缩小200倍)与C相电流作为对照说明。随着储能SOC的升高，其端口电压也逐渐升高。在3.5s时，储能端口电压达到临界值Vt，储能由恒流充电模式切换到恒压充电模式。由于在恒流充电模式下恒压控制环路输出实时跟踪恒流控制环路，控制策略无缝切换。恒压充电模式下，储能端口电压保持不变，则储能充电电流逐渐减小，SOC上升速率逐渐减小，如图3对应曲线所示。由于储能不能完全消纳光伏出力，VSC逆变电流逐渐增大，如图4中4-4.5s的局部放大图所示，且电流电压相位相反。在6.5s时，调度储能对交流电网侧放电，则储能由恒压充电模型无缝切换回恒流放电模式。从图3可以看到，储能充电电流快速减小，直至放电至额定出力；VSC逆变电流快速增大，如图4中6.8-7.3s的局部放大图所示。整个过程中功率实时平衡，直流母线电压维持不变，充分验证了本发明控制策略的有效性。
本发明实施例另一方面还提供一种能量路由器用储能多工况运行控制装置，包括下垂控制模块，双闭环控制模块和切换控制模块，
所述下垂控制模块用于对储能进行恒流模式控制；
所述双闭环控制模块用于对储能进行恒压模式控制；
所述下垂控制模块和双闭环控制模块共用电流内环；
所述切换模块用于根据如下判据对储能进行恒流充电模式到恒压充电模式切换控制以及恒压充电模式到恒流放电模式切换控制；
所述判据为：
当S2,S3,S4的值由0变为1时，由恒流充电模式切换到恒压充电模式；
当S2,S3,S4的值由1变为0时，由恒压充电模式切换到恒流放电模式；
所述S2,S3,S4为部署于下垂控制模块和双闭环控制模块中PI控制器前的开关，取值为1表示开关闭合，取值为0表示开关断开。
所述S2,S3,S4的取值方式为：
Discharge和Vt进行逻辑“与”运算得到S2,S3,S4的值；
其中，Discharge表示充放电信号对应的逻辑值，Vt表示储能电池端口电压判断信号对应的逻辑值。
进一步的，所述充放电信号由能量路由器控制层根据需要给出，充电信号时Discharge为1，放电信号时Discharge为0；
所述储能电池端口电压判断信号由储能本地控制器根据检查到的储能电池端口电压给出，储能电池端口电压达到临界值时Vt为1，小于临界值时Vt为0。
进一步的，所述下垂控制模块用于采用基于电流跟踪的下垂控制对储能进行恒流模式控制；
所述双闭环控制模块用于采用电压电流双闭环控制对储能进行恒压模式控制。
值得指出的是，该装置实施例是与上述方法实施例对应的，上述方法实施例的实现方式均适用于该装置实施例中，并能达到相同或相似的技术效果，故不在此赘述。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种能量路由器用储能多工况运行控制方法，其特征在于，包括：恒流模式储能控制，恒压模式储能控制，恒流充电模式到恒压充电模式切换控制，和恒压充电模式到恒流放电模式切换控制；
所述恒流模式储能控制和恒压模式储能控制共用电流内环；
当储能工作于恒流充电模式时，Discharge为1，Vt为0，此时S2,S3,S4＝0，恒压模式的电压控制环输出Ibatref2一直跟踪恒流模式的储能电流参考值Ibatref1；
在恒压充电模式下，S2,S3,S4＝1，恒流模式的储能电流参考值Ibatref1一直跟踪恒压模式的储能电流参考值Ibatref2；
所述恒流充电模式到恒压充电模式切换控制和所述恒压充电模式到恒流放电模式切换控制通过如下判据实现：
当S2,S3,S4的值由0变为1时，由恒流充电模式切换到恒压充电模式；
当S2,S3,S4的值由1变为0时，由恒压充电模式切换到恒流放电模式；
所述S2,S3,S4为部署于恒流模式储能控制和恒压模式储能控制中PI控制器前的开关，取值为1表示开关闭合，取值为0表示开关断开；
所述S2,S3,S4的取值方式为：
Discharge和Vt进行逻辑“与”运算得到S2,S3,S4的值；
其中，Discharge表示充放电信号对应的逻辑值，Vt表示储能电池端口电压判断信号对应的逻辑值。
2.根据权利要求1所述的一种能量路由器用储能多工况运行控制方法，其特征在于，所述充放电信号由能量路由器控制层根据需要给出，充电信号时Discharge为1，放电信号时Discharge为0；
所述储能电池端口电压判断信号由储能本地控制器根据检查到的储能电池端口电压给出，储能电池端口电压达到临界值时Vt为1，小于临界值时Vt为0。
3.根据权利要求2所述的一种能量路由器用储能多工况运行控制方法，其特征在于，所述临界值根据储能电池特性选取，且小于充满电的储能电池电压。
4.根据权利要求1所述的一种能量路由器用储能多工况运行控制方法，其特征在于，所述恒流模式储能控制采用基于电流跟踪的下垂控制方法，包括：
储能变换器的输入电流I1通过一个电流环控制跟踪参考电流I1ref；
I1和I1ref相减经PI调节后的值通过低通滤波器滤除高频纹波，与直流母线电压Udc相乘得到功率参考值P1ref；
功率参考值P1ref经过一个电压-功率的下垂控制得到直流母线电压当前参考值U1ref；
直流母线电压当前参考值U1ref加入下垂控制的二次电压补偿量δu后，得到直流母线电压的最后给定参考值；
直流母线电压的最后给定参考值经过电压电流双闭环控制以及移相控制得到DAB原边开关管的移相角，进行单移相控制得到开关管驱动信号。
5.根据权利要求4所述的一种能量路由器用储能多工况运行控制方法，其特征在于，所述二次电压补偿量δu为，
将直流母线电压当前参考值U1ref和实际值相减后经过一个PI控制后的值作为δu。
6.根据权利要求1所述的一种能量路由器用储能多工况运行控制方法，其特征在于，所述恒压模式储能控制采用电压电流双闭环控制方法，包括：
采样的储能电池端口电压Ubat与参考电压Ubatref比较；
比较后的差值通过PI调节后的输出Ibatref2作为电流参考值；
电流参考值Ibatref2与采样的储能电池端口电流Ibat比较；
比较后的差值通过PI调节后进行移相控制得到DAB原边开关管的移相角，进行单移相控制得到开关管驱动信号。
7.一种能量路由器用储能多工况运行控制装置，其特征在于，包括下垂控制模块，双闭环控制模块和切换控制模块，
所述下垂控制模块用于对储能进行恒流模式控制；所述恒流模式控制下，Discharge为1，Vt为0，此时S2,S3,S4＝0，恒压模式的电压控制环输出Ibatref2一直跟踪恒流模式的储能电流参考值Ibatref1；
所述双闭环控制模块用于对储能进行恒压模式控制；所述恒压模式控制下，S2,S3,S4＝1，恒流模式的储能电流参考值Ibatref1一直跟踪恒压模式的储能电流参考值Ibatref2；
所述下垂控制模块和双闭环控制模块共用电流内环；
所述切换控制模块用于根据如下判据对储能进行恒流充电模式到恒压充电模式切换控制以及恒压充电模式到恒流放电模式切换控制；
所述判据为：
当S2,S3,S4的值由0变为1时，由恒流充电模式切换到恒压充电模式；
当S2,S3,S4的值由1变为0时，由恒压充电模式切换到恒流放电模式；
所述S2,S3,S4为部署于下垂控制模块和双闭环控制模块中PI控制器前的开关，取值为1表示开关闭合，取值为0表示开关断开；
所述S2,S3,S4的取值方式为：
Discharge和Vt进行逻辑“与”运算得到S2,S3,S4的值；
其中，Discharge表示充放电信号对应的逻辑值，Vt表示储能电池端口电压判断信号对应的逻辑值。
8.根据权利要求7所述的一种能量路由器用储能多工况运行控制装置，其特征在于，所述充放电信号由能量路由器控制层根据需要给出，充电信号时Discharge为1，放电信号时Discharge为0；
所述储能电池端口电压判断信号由储能本地控制器根据检查到的储能电池端口电压给出，储能电池端口电压达到临界值时Vt为1，小于临界值时Vt为0。
9.根据权利要求7所述的一种能量路由器用储能多工况运行控制装置，其特征在于，
所述下垂控制模块用于采用基于电流跟踪的下垂控制对储能进行恒流模式控制；
所述双闭环控制模块用于采用电压电流双闭环控制对储能进行恒压模式控制。
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