CN111371084B - 一种虚拟直流发电机控制下荷电状态均衡功率分配方法 - Google Patents

一种虚拟直流发电机控制下荷电状态均衡功率分配方法 Download PDF

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Abstract

一种虚拟直流发电机控制下荷电状态均衡功率分配方法，属于直流微网储能单元DC/DC变换器控制方法领域。其特征在于：包括如下步骤：步骤1001，计算蓄电池需要承担的总功率；步骤1002，录入各蓄电池最大容量，采集各蓄电池当前荷电状态信息；步骤1003，根据蓄电池功率分配流程，计算得到每一个蓄电池在n次功率分配后分配到的功率；步骤1004，计算得到虚拟直流发电机输出的电枢电流；步骤1005，根据电枢电流通过PWM控制输出作用于直流变换器的信号。通过本虚拟直流发电机控制下荷电状态均衡功率分配方法，针对总容量不同，荷电状态不同的蓄电池进行功率分配，从而减少各个不同容量蓄电池的荷电状态差值，解决蓄电池因功率分配不均而提前退出充电/放电等问题。

Description

一种虚拟直流发电机控制下荷电状态均衡功率分配方法
技术领域
一种虚拟直流发电机控制下荷电状态均衡功率分配方法，属于直流微网储能单元DC/DC变换器控制方法领域。
背景技术
目前，为了解决直流微网惯性低的问题，提出了各种解决方法，虚拟直流发电机控制方法是其中一种。然而目前对于虚拟直流发电机控制方法主要停留在单个储能单元的情况，对于多台电源侧虚拟直流发电机的情况的研究较少。对于多台电源侧虚拟直流发电机的情况，其主要存在的问题是虚拟直流发电机直接并联功率分配的问题。一旦出现功率分配不均的情况会导致蓄电池过冲过放或提前退出充放电等问题，损害电池寿命，影响系统运行安全。
虽然在现有技术中实现功率分配的方法，一般是根据蓄电池的最大容量进行分配，使蓄电池放电电流与容量成正比，进而使SOC均匀下降。但是这种功率分配方法只适用于初始荷电状态(State of Charge，简称SOC)相等的蓄电池，而在实际应用中蓄电池经常启始于不同的初始荷电状态，在这种情况下应用现有的最大容量进行分配的方法，仍旧会导致蓄电池出现过冲过放或提前退出充放电的问题，故在应用中受到诸多制约。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种针对总容量不同，荷电状态不同的蓄电池进行功率分配，从而减少各个不同容量蓄电池的荷电状态差值，解决蓄电池因功率分配不均而提前退出充电/放电等问题的虚拟直流发电机控制下荷电状态均衡功率分配方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该虚拟直流发电机控制下荷电状态均衡功率分配方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1001，计算蓄电池需要承担的总功率；
步骤1002，录入各蓄电池最大容量，采集各蓄电池当前荷电状态信息；
步骤1003，根据蓄电池功率分配流程，计算得到每一个蓄电池在n次功率分配后分配到的功率；
步骤1004，计算得到虚拟直流发电机输出的电枢电流；
步骤1005，根据电枢电流通过PWM控制输出作用于直流变换器的信号。
优选的，步骤1003中所述的蓄电池功率分配流程，包括如下步骤：
步骤1003-1，设定蓄电池参考容量，对所有蓄电池设置虚拟容量，使所有蓄电池的容量与参考容量相同；
步骤1003-2，计算包含虚拟容量在内时，每一个蓄电池第一次功率分配实际承担功率、虚拟容量第一次功率分配承担功率以及第一次功率分配剩余功率；
步骤1003-3，将第一次功率分配剩余功率作为第二次功率分配的总功率，计算得出蓄电池第二次功率分配实际承担功率、虚拟容量第二次功率分配承担功率和第二次功率分配剩余功率；
步骤1003-4，根据步骤1003-2～步骤1003～3，将第(n-1)次功率分配剩余功率作为第n次功率分配的总功率，计算得出蓄电池第n次功率分配实际承担功率，虚拟容量第n次功率分配承担功率，第n次功率分配剩余功率；
步骤1003-5，计算得到每一个蓄电池在n次功率分配后分配到的功率。
优选的，步骤所述1003-5中所述每一个蓄电池n次功率分配后分配到的功率为蓄电池n次功率分配实际承担功率之和，其中第i个蓄电池分配到的功率Pbati为：
Figure GDA0004064266200000021
式中，Pbat为蓄电池在微网运行中所要承担的总功率；Cmax为蓄电池的参考容量，k为人为设定的数值，Ct为第t个蓄电池的容量，Ci为第i个蓄电池的容量。
优选的，所述的蓄电池参考容量的设定标准为：参考容量的值大于等于所有蓄电池中容量最高的一个蓄电池的容量值。
优选的，所述的第一次功率分配剩余功率为所有蓄电池虚拟容量一次承担功率之和。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
1、通过本虚拟直流发电机控制下荷电状态均衡功率分配方法，针对总容量不同，荷电状态不同的蓄电池进行功率分配，从而减少各个不同容量蓄电池的荷电状态差值，解决蓄电池因功率分配不均而提前退出充电/放电等问题。
2、通过本虚拟直流发电机控制下荷电状态均衡功率分配方法，适于多台电源侧虚拟直流发电机，能够在不同容量的储能单元间使用。
3、通过设置参考容量，然后以该参考容量为基准对其他蓄电池分别增设虚拟容量，将其他蓄电池的容量虚拟增大至该参考容量后进行功率分配，以此来解决功率分配不均匀的问题。
4、通过本虚拟直流发电机控制下荷电状态均衡功率分配方法，面向初始荷电状态相同的储能单元，能够达到荷电状态均匀变化的效果；面向初始荷电状态不同的储能单元，能够达到根据差值幅度均衡储能单元间荷电状态的作用，差值越大，趋近速度越快。当荷电状态相等时，恢复到荷电状态均匀变化的效果。
附图说明
图1为虚拟直流发电机控制下荷电状态均衡功率分配方法流程图。
具体实施方式
图1是本发明的最佳实施例，下面结合附图1对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种虚拟直流发电机控制下荷电状态均衡功率分配方法(以下简称分配方法)，包括如下步骤：
步骤1001，计算蓄电池需要承担的总功率；
在本分配方法中，以光储直流微网为例，蓄电池所要承担的功率为光伏电源输出功率与负载消耗功率之差和维持直流微网母线电压稳定的补偿功率之和，即光储直流微网运行时储能单元需要承担的功率为：
Figure GDA0004064266200000031
式中，Pbat.n为蓄电池所要承担的功率；Ppv为光伏单元输出的总功率；Uref为母线参考电压；Ubat与Ibat分别为负载电压与负载电流。
为了减小光储直流微网在运行过程中的母线电压偏差，维持微网安全稳定运行，故增加一个功率补偿环节，蓄电池所要承担的补偿功率为：
Pbat.c＝K(Uref-Ubus)×Uref (2)
式中，Pbat.c为蓄电池所要承担的补偿功率；Ubus为母线的实际电压；Ibus为母线的实际电流；K为电压调节系数；Uref为母线参考电压。
故蓄电池在微网运行中所要承担的总功率Pbat为：
Pbat＝Pbat.n+Pbat.c (3)
式中，Pbat.c为蓄电池所要承担的补偿功率，Pbat.n为蓄电池所要承担的功率。
步骤1002，录入各蓄电池最大容量，采集各蓄电池当前荷电状态信息。
步骤1003，根据蓄电池功率分配流程，计算得到每一个蓄电池在n次功率分配后分配到的功率；
蓄电池功率分配流程，进一步包括如下步骤：
步骤1003-1，设定蓄电池参考容量，对所有蓄电池设置虚拟容量，使所有蓄电池的容量等于参考容量；
在本分配方法中，设蓄电池的总数为m，并定义蓄电池承担的总功率为Pbat，定义SOC为蓄电池的当前容量与总容量的比值，如式(4)所示：
Figure GDA0004064266200000041
(4)
式中，SOCi为第i个蓄电池的荷电状态；Cbatr.i与Cbat.i分别为第i个蓄电池当前的剩余容量与总容量。
蓄电池的总容量乘以其自身的SOC可以得到蓄电池当前的剩余容量。故在各个蓄电池的总容量相同的时候，根据各个蓄电池SOC进行功率分配可以理解为根据各个蓄电池的剩余容量进行分配。SOC的计算方式采用电荷累积法，在此基础上提出根据蓄电池SOC的功率分配方式为：
Figure GDA0004064266200000042
式中，SOCi为第i个蓄电池的荷电状态；SOCx为第x个蓄电池的荷电状态，用于与SOCi区分；SOCit＝0为第i个蓄电池的初始荷电状态；Cbat.i为第i个蓄电池总容量；Pbat.i为第i个蓄电池被分配到应承担的功率；ibati为第i个蓄电池流出的电流；m为总的蓄电池数量；Pbat为蓄电池在微网运行中所要承担的总功率；k为人为设定的数值，通过改变k的大小可以改变蓄电池荷电状态的均衡速度，可根据需求设定。
由式(5)可知，当k＝1时，该公式等同于根据各个蓄电池当前的剩余容量进行功率分配；当k≠1时，通过调节k的大小，可以调节蓄电池间SOC均衡的速度，k越大，SOC越大的蓄电池就会承担更多的功率，蓄电池间的SOC差值会减小的更快。但是随着k的增大，功率分配针对蓄电池SOC变化的灵敏度增高，会造成蓄电池输出电流波动较大的问题，故对于k的选择需要根据实际情况而定。
由公式(5)所示的功率分配方式只适用于总容量相同的蓄电池，总容量不同的蓄电池相同百分比的SOC所代表的容量不相同，会造成给总容量较低的蓄电池分配过多功率的问题。故在本分配方法中，设定一个参考容量，可以选择m个蓄电池中蓄电池容量最大的作为参考容量或者设定一个比所有蓄电池容量都大的容量值作为参考容量。然后以该参考容量为基准对其他蓄电池分别增设虚拟容量，将其他蓄电池的容量虚拟增大至该参考容量后进行功率分配，以此来解决功率分配不均匀的问题。
在本分配方法中，以两个蓄电池(m＝2)：蓄电池1和蓄电池2为例进行说明，且蓄电池2的容量大于蓄电池1的容量，并将蓄电池2的容量作为参考容量，因为蓄电池2作为参考容量所以没有虚拟容量，总的虚拟容量所承担的功率即剩余功率实际为蓄电池1虚拟容量所承担的功率。
步骤1003-2，计算包含虚拟容量在内时，每个蓄电池的第一次功率分配时实际承担功率以及虚拟容量承担功率，并将其所有蓄电池在第一次功率分配时，虚拟容量承担功率相加作为第一次功率分配剩余功率，进一步的，假设参考容量大于蓄电池1的容量，以蓄电池1为例，进一步得到关于蓄电池1的如下公式：
Figure GDA0004064266200000051
式中，
Figure GDA0004064266200000052
为蓄电池1在叠加虚拟功率后，第一次功率分配时所需要承担的功率；
Figure GDA0004064266200000053
为蓄电池1在第一次功率分配时实际承担功率；
Figure GDA0004064266200000054
为蓄电池1在第一次功率分配时由虚拟容量所承担的功率。Cbat1～Cbat2分别为第1个和第2个蓄电池总容量，Pbat为蓄电池在微网运行中所要承担的总功率。
因此可以以公式(6)为例，得到每一个蓄电池在第一次功率分配时所需要承担的功率、第一次功率分配时实际承担功率以及第一次功率分配时由虚拟容量所承担的功率。
步骤1003-3，将第一次功率分配剩余功率作为第二次功率分配的总功率，将
Figure GDA0004064266200000055
的值代入Pbat，计算得出蓄电池第二次功率分配实际承担功率
Figure GDA0004064266200000056
虚拟容量第二次功率分配承担功率
Figure GDA0004064266200000057
和第二次功率分配剩余功率
Figure GDA0004064266200000058
由上述可知，参考容量可以选择m个蓄电池中最大的蓄电池容量作为参考容量或者设定一个比所有蓄电池容量都大的容量作为参考容量，因此在将m个蓄电池中最大的蓄电池容量作为参考容量时，容量最大的蓄电池与其他蓄电池的区别在于：容量最大的蓄电池不会出现由虚拟容量承担的功率，如果参考容量的值大于所有蓄电池的容量值，则所有蓄电池均会拥有虚拟容量承担的功率，那么剩余功率即为所有蓄电池虚拟容量所承担功率之和。
步骤1003-4，根据上述步骤1003-2～步骤1003-3，将第(n-1)次功率分配剩余功率作为第n次功率分配的总功率，计算得出蓄电池1第n次功率分配时所需要承担的功率，第n次功率分配实际承担功率，虚拟容量第n次功率分配承担功率以及第n次功率分配剩余功率，累积求解后其结果为：
Figure GDA0004064266200000061
式中，
Figure GDA0004064266200000062
为增大容量后的蓄电池1在第n次功率分配所需要承担的功率；
Figure GDA0004064266200000063
为蓄电池1在第n次功率分配时所需要承担的功率；
Figure GDA0004064266200000064
为蓄电池1在第n次功率分配时由虚拟容量所承担的功率，Cbat1～Cbat2分别为第1个和第2个蓄电池总容量，Pbat为蓄电池在微网运行中所要承担的总功率。
步骤1003-5，计算得到蓄电池n次功率分配后分配到的功率。
蓄电池n次功率分配后分配到的功率为蓄电池n次功率分配实际承担功率之和，由上述可知，蓄电池1在n次功率分配后，实际需要承担的总功率Pbat1为：
Figure GDA0004064266200000065
式中，
Figure GDA0004064266200000066
分别为蓄电池1在第一次、第二次、……、第n次功率分配时实际承担功率。
由式(8)可知
Figure GDA0004064266200000067
为以
Figure GDA0004064266200000068
为首项，以
Figure GDA0004064266200000069
为比例的等比数列。
故蓄电池1在n次功率分配后，实际需要承担的总功率Pbat1为：
Figure GDA00040642662000000610
(9)
式中，Cbat1～Cbat2分别为第1个和第2个蓄电池总容量，Pbat为蓄电池在微网运行中所要承担的总功率。
同理可得，蓄电池2在第n次功率分配后的公式为：
Figure GDA0004064266200000071
即蓄电池2在n次功率分配后，实际需要承担的总功率为：
Figure GDA0004064266200000072
式(10)～(11)中，
Figure GDA0004064266200000073
为蓄电池2在第n次功率分配时所需要承担的功率；
Figure GDA0004064266200000074
为蓄电池2在第n次功率分配时由虚拟容量所承担的功率，Cbat1～Cbat2分别为第1个和第2个蓄电池的总容量，Pbat为蓄电池在微网运行中所要承担的总功率。
式(6)至式(11)所提功率分配是应用于两个蓄电池且将蓄电池2的容量定为基准容量的情况下。把功率分配扩展到m个蓄电池的一般情况时，功率分配为：
Figure GDA0004064266200000075
式中，Cmax为蓄电池的参考容量，
Figure GDA0004064266200000076
为增大容量后的蓄电池i在第n次功率分配所需要承担的功率；
Figure GDA0004064266200000077
为蓄电池i在第n次功率分配时所需要承担的功率；
Figure GDA0004064266200000078
为蓄电池在第n次功率分配时由虚拟容量所承担的功率，SOCi为第i个蓄电池的荷电状态；Pbat为蓄电池在微网运行中所要承担的总功率；Ct为第t个蓄电池的容量，Ci为第i个蓄电池的容量，SOCt为第t个蓄电池的荷电状态，SOCx为第x个蓄电池的荷电状态，k为人为设定的数值，通过改变k的大小可以改变蓄电池荷电状态的均衡速度，可根据需求设定。
则第i个蓄电池分配到的功率Pbati为：
Figure GDA0004064266200000081
(13)
式中，Pbat为蓄电池在微网运行中所要承担的总功率；Cmax为蓄电池的参考容量，x、t为加和公式中变化的常数，k为人为设定的数值，通过改变k的大小可以改变蓄电池荷电状态的均衡速度，可根据需求设定。Ct为第t个蓄电池的容量，Ci为第i个蓄电池的容量。
将SOCk作为变量值适用于蓄电池放电阶段，当控制蓄电池充电阶段时，将功率分配中的SOCk更改为(1-SOC)k即可使得荷电状态较低的蓄电池得以分配到更多的功率，能够维持蓄电池间的SOC均衡。
步骤1004，计算得到虚拟直流发电机输出的电枢电流。
直流发电机是电气设备，拥有机械与电气两部分。虚拟直流发电机控制方法是通过模拟直流发电机的机械方程与电枢方程，从而达到使储能单元DC/DC直流变换器拥有与直流发电机输出特性相似的外特性的目的。虚拟直流发电机数学模型如下：
机械方程：
Figure GDA0004064266200000082
Figure GDA0004064266200000083
式中，J为转动惯量；D为阻尼系数；Tm与Te分别为直流发电机的机械转矩与电磁转矩；ω与ω0分别为直流发电机的实际角速度与额定角速度；Pe为电磁功率。
电枢方程：
E＝U-RaIa (16)
E＝CTΦω (17)
式中，E为感应电动势；U为机端电压；Ia为电枢电流；Ra为电枢电阻；Ct与Φ分别为转矩系数与每极磁通。
在本分配方法中，由上述公式(9)和公式(11)所得到的Pbat1与Pbat2即为机械功率Pm，结合上述的虚拟直流发电机的数学模型可知，机械功率Pm与额定角速度ω0相除即可得到机械转矩Tm，Tm通过虚拟直流发电机控制方法的机械方程可得到实际角速度ω为：
Figure GDA0004064266200000091
式中，Tm与Te分别为直流发电机的机械转矩与电磁转矩；ω与ω0分别为直流发电机的实际角速度与额定角速度；D为阻尼系数；J为转动惯量。
实际角速度ω通过虚拟直流发电机控制方法电枢方程可以得电枢电流Ia为：
Figure GDA0004064266200000092
式中，U为机端电压；Ra为电枢电阻；Ct与Φ分别为转矩系数与每极磁通，ω为实际角速度。
步骤1005，根据电枢电流通过PWM控制输出作用于直流变换器的信号；
输出的电枢电流Ia为虚拟直流发电机控制方法的参考输出电流，也为各DC/DC变换器的参考输出电流，与变换器输出电流相比较通过PWM控制输出控制信号。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.一种虚拟直流发电机控制下荷电状态均衡功率分配方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1001，计算蓄电池需要承担的总功率；
步骤1002，录入各蓄电池最大容量，采集各蓄电池当前荷电状态信息；
步骤1003，根据蓄电池功率分配流程，计算得到每一个蓄电池在n次功率分配后分配到的功率；
步骤1004，计算得到虚拟直流发电机输出的电枢电流；
步骤1005，根据电枢电流通过PWM控制输出作用于直流变换器的信号；
步骤1003中所述的蓄电池功率分配流程，包括如下步骤：
步骤1003-1，设定蓄电池参考容量，对所有蓄电池设置虚拟容量，使所有蓄电池的容量与参考容量相同；
所述的蓄电池参考容量的设定标准为：参考容量的值大于等于所有蓄电池中容量最高的一个蓄电池的容量值；
以参考容量为基准对其他蓄电池分别增设虚拟容量，将其他蓄电池的容量虚拟增大至该参考容量后进行功率分配；
步骤1003-2，计算包含虚拟容量在内时，每一个蓄电池第一次功率分配实际承担功率、虚拟容量第一次功率分配承担功率以及第一次功率分配剩余功率；
所述的第一次功率分配剩余功率为所有蓄电池虚拟容量一次承担功率之和；
步骤1003-3，将第一次功率分配剩余功率作为第二次功率分配的总功率，计算得出蓄电池第二次功率分配实际承担功率、虚拟容量第二次功率分配承担功率和第二次功率分配剩余功率；
步骤1003-4，根据步骤1003-2～步骤1003～3，将第n-1次功率分配剩余功率作为第n次功率分配的总功率，计算得出蓄电池第n次功率分配实际承担功率，虚拟容量第n次功率分配承担功率，第n次功率分配剩余功率；
步骤1003-5，计算得到每一个蓄电池在n次功率分配后分配到的功率。
2.根据权利要求1所述的虚拟直流发电机控制下荷电状态均衡功率分配方法，其特征在于：所述步骤1003-5中所述每一个蓄电池n次功率分配后分配到的功率为蓄电池n次功率分配实际承担功率之和，其中第i个蓄电池分配到的功率Pbati为：
Figure FDA0004064266190000011
式中，Pbat为蓄电池在微网运行中所要承担的总功率；Cmax为蓄电池的参考容量，k为人为设定的数值，Ct为第t个蓄电池的容量，Ci为第i个蓄电池的容量，SOCi为第i个蓄电池的荷电状态，SOCt为第t个蓄电池的荷电状态，SOCx为第x个蓄电池的荷电状态，m为总的蓄电池数量，k为改变蓄电池荷电状态均衡速度的数值。
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