CN111463798B - 用于储能协调控制装置的电网电压模糊控制方法 - Google Patents
用于储能协调控制装置的电网电压模糊控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种用于储能协调控制装置的电网电压模糊控制方法，包括如下步骤：储能协调控制装置获取电网实时电压值U；计算得出电网电压偏差e和电压偏差变化率Δe作为输入量，根据输入量划分模糊集后进行模糊推理，得到PI控制参数Kp和Ki作为输出量；通过步骤二获得的PI控制参数Kp和Ki计算出无功出力参考值Qref，对电池储能进行控制；得出无功出力参考值Qref后，再根据储能系统最大容性或感性无功输出大小的边界条件得出输出无功功率Q。与现有技术相比，可以快速准确地根据实时电压，准确快速地响应和调节电网电压的变化，提高电池储能系统无功功率控制精度，从而提高了动态调压的精确度。
Description
技术领域
本发明涉及一种电网控制，特别涉及一种用于储能协调控制装置的电网电压模糊控制方法。
背景技术
随着世界能源的日益枯竭，以太阳能、风能、地热能、燃料电池等为代表的新能源得到了越来越多的重视和应用。但是由于太阳能受光照强度的影响、风能发电受到风力条件的影响，其电能质量不稳定，接入导致比较大的弃光率和弃风率。对此，以锂离子电池、铅酸电池等蓄电池为载体来存储多余电能成为新能源利用中的关键一环，针对光伏、风能的不稳定性，储能系统可以将其富余的能量储存起来并在其他需要的时刻释放出来，继而起到稳定电网电压、频率的作用。
储能协调控制装置用于对大型储能系统的多台储能变流器进行快速协调控制。装置通过检测并网点电压、电流，按照预定要求的特性自动控制储能系统的有功无功出力，以对大电网电压频率进行实时调节。
现有的储能集中控制器主要针对于储能系统的通信管理，其主要功能在于把储能系统的电能信息汇集整理后传到远端主站。储能集中控制器方案下的储能系统的自主性比较低，不能很好的发挥储能系统多源协调控制的功能。
而储能协调控制装置在实现与上层电网、主站以及下层PCS通信的基础上，储能协调控制装置支持就地模式控制，包括削峰填谷、AGC调频、AVC调压、一次调频、动态无功补偿等；另外还支持聚合控制，可以根据云平台的指令，快速控制所辖储能系统的运行曲线，达到众多分布式储能系统聚合控制的目的。
传统PID控制方法存在反馈信号矫正动作滞后问题，并且当电网系统运行工作环境复杂时，传统PID控制的控制能力有限，甚至会出现失控现象。
PCS：(Power Conversion System)储能变流器，可以控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流变换。PCS控制器通过通讯接收后台控制指令，根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。PCS控制器通过CAN接口与BMS通讯，获取电池组状态信息，可实现对电池的保护性充放电，确保电池运行安全。
一次调频：电网的频率一旦偏离额定值时，电网中机组的控制系统就自动地控制机组有功功率的增减，限制电网频率变化，使电网频率维持稳定的自动控制过程。电网的频率是由发电功率与用电负荷大小决定的，当发电功率与用电负荷大小相等时，电网频率稳定；发电功率大于用电负荷时，电网频率升高；发电功率小于用电负荷时，电网频率降低。
AGC：二次调频，也称为自动发电控制(AGC)，是指发电机组提供足够的可调整容量及一定的调节速率，在允许的调节偏差下实时跟踪频率，以满足系统频率稳定的要求。二次调频可以做到频率的无差调节，且能够对联络线功率进行监视和调整。
AVC：(Automatic Voltage Control)自动电压控制，是指对全网无功电压状态进行集中监视和分析计算，从全局的角度对广域分散的电网无功装置进行协调优化控制，它不仅可以实现对无功电压的自动调节，而且具有一定的优化功能，是保持系统电压稳定、提升电网电压品质和整个系统经济运行水平、提高无功电压管理水平的重要技术手段。
动态无功补偿：无功补偿装置能够补偿电网中频繁波动的无功功率，抑制电网闪变和谐波，提高电网的功率因数，改善配电网的供电质量和使用效率，进而降低网络损耗，有利于延长输电线路的使用寿命。
削峰填谷是调整用电负荷的一种措施。根据不同用户的用电规律，有计划地安排和组织各类用户的用电时间。以降低负荷高峰，填补负荷低谷。减小电网负荷峰谷差，使发电用电趋于平衡。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于储能协调控制装置的电网电压模糊控制方法，要解决的技术问题是实现就地化控制，节省了调度部门的运算量，可以快速准确地根据实时电压，准确快速地响应和调节电网电压的变化，还提高电池储能系统无功功率控制精度和电网的电压稳定性。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案实现：一种用于储能协调控制装置的电网电压模糊控制方法，包括如下步骤：
步骤一：储能协调控制装置获取电网实时电压值U；
步骤二：由电网实时电压值U和电网额定电压值U0计算得出电网电压偏差e和电压偏差变化率Δe作为输入量，根据输入量划分模糊集后进行模糊推理，得到PI控制参数Kp和Ki作为输出量；
步骤三：通过步骤二获得的PI控制参数Kp和Ki计算出无功出力参考值Qref，对电池储能进行控制；
步骤四：得出无功出力参考值Qref后，再根据储能系统最大容性或感性无功输出大小的边界条件得出输出无功功率Q；若超出边界条件，则输出最大容性或最大感性无功功率；若未超出边界条件，则输出计算无功功率。
进一步地，所述步骤三中无功出力参考值采用下式计算得到：
Qref＝Kp×Qcal+Ki×Qcal
Qcal：无功计算值；X：系统电抗；Qref：无功出力参考值；Kp：比例常数；Ki为积分参数。
进一步地，所述步骤二的模糊推理包括以下步骤：
(1)计算电网实时电压值U和电网电压额定值U0的电网电压偏差e，在得到电网电压偏差e后计算电压偏差变化率Δe，将电压偏差变化率Δe作为输入变量；
(2)模糊化处理，根据隶属度函数确定电网电压偏差e和电压偏差变化率Δe的隶属度；
(3)模糊推理和去模糊化处理，对电网电压偏差e和电压偏差变化率Δe的隶属度模糊推理和反模糊得到PI控制的比例系数Kp和积分系数Ki。
进一步地，所述模糊化处理还包括在模糊推理中建立由语言变量引出的相应的模糊集控制规则库，建立由电网电压偏差e及电压偏差变化率Δe、PI控制的比例系数Kp和积分系数Ki构成的模糊控制表。
进一步地，所述的模糊集控制规则库采用以下方法建立：
(2.1)计算电网电压偏差e和电压偏差变化率Δe；
(2.2)模糊化处理，将电网电压偏差e的区间-4到4分成8个区间集，分别为-4～-3，-3～-2，-2～-1，-1～0，0～1，1～2，2～3，3～4；把-3，-2，-1，0，1，2，3分别用NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB表示；
将电压偏差变化率Δe的区间-0.4到0.4分成8个区间集，分别为-0.4～-0.3，-0.3～-0.2，-0.2～-0.1，-0.1～0，0～0.1，0.1～0.2，0.2～0.3，0.3～0.4；把-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3分别用NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB表示；
建立由电网电压偏差e及电压偏差变化率Δe、PI控制的比例系数Kp和积分系数Ki构成的模糊控制表；
通过计算电网电压偏差e及电压偏差变化率Δe与最近邻的区间的百分比，从而确认电网电压偏差e及电压偏差变化率Δe的隶属的区间集；
(2.3)模糊推理和去模糊化处理，通过计算隶属度确定模糊控制表中电网电压偏差e、电压偏差变化率Δe的区间集，以从模糊控制表中找出满足这两个值的PI控制的比例系数Kp和积分系数Ki的值。
进一步地，所述隶属度确定采用下式计算得到：
e(A)＝(b-e)/(b-a)；
e(B)＝(e-a)/(b-a)；
其中，区间集A对应的数值为a，区间集B对应的数值为b，b>e>a。
本发明与现有技术相比，在电网电压失衡时，利用电网实时电压作为输入，设备最大容性无功输出和感性无功输出作为约束条件，然后利用模糊控制算法对输出无功功率进行计算，然后储能按照输出无功功率进行动态调压，改变储能协调控制器输出无功功率大小参与电网电压调控，节省了调度部门的运算量，可以快速准确地根据实时电压，准确快速地响应和调节电网电压的变化，提高电池储能系统无功功率控制精度，从而提高了动态调压的精确度。
附图说明
图1是现有技术中储能协调控制装置的系统拓扑图。
图2是本发明的流程图。
图3是本发明模糊推理的流程图。
图4是本发明输入量e隶属度函数图。
图5是本发明输入量Δe隶属度函数图。
图6是本发明输出量隶属度Kp函数图。
图7是本发明输出量隶属度Ki函数图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，储能系统中，储能协调控制装置与PCS和负荷通过以太网以总线形式直接相连进行通信。在电气特性上通过公共连接点(PCC)与电网实现硬连接，各储能装置通过储能变流器(PCS)连接到储能协调控制装置。储能协调控制装置主要功能在对储能装置进行充放电管理以及响应调节电网变化。其中通信网路实现储能装置与储能接入终端的实时信息交互，通信速率快、实时性高，可实现对电网的毫秒级实时动态响应控制。
储能协调控制装置支持一次调频调压等功能，该装置通过光纤或以太网，使用IEC61850/Goose协议与其下辖管理的各PCS之间进行实时通信，装置根据各PCS的容量、SOC等状态，采用动态规划的分配策略，实现储能系统总的有功、无功出力目标在各PCS之间的分配及快速闭环跟踪控制。
如图2所示，本发明的用于储能协调控制装置的电网电压模糊控制方法，包括如下步骤：
步骤一：储能协调控制装置获取电网实时电压值U，储能协调控制装置通过PCC点获取该电网实时电压值U；
步骤二：由电网实时电压值U和电网额定电压值U0计算得出电网电压偏差e和电压偏差变化率Δe作为输入量，根据输入量划分模糊集后进行模糊推理，得到PI控制参数Kp和Ki作为输出量；所述电网额定电压值U0来自储能协调控制装置中的预先设置的设定值；
步骤三：通过步骤二获得的PI控制参数Kp和Ki计算出无功出力参考值Qref，对电池储能进行控制；
所述无功出力参考值采用下式计算得到：
Qref＝Kp×Qcal+Ki×Qcal
Qcal：无功计算值；X：系统电抗(预设10欧姆)，Qref：无功出力参考值；Kp：比例常数；Ki为积分参数；Kp取[0.1,0.9]，Ki取[2，3]；
步骤四：储能协调控制装置在得出无功出力参考值Qref后，再根据储能系统最大容性或感性无功输出大小的边界条件得出输出无功功率Q；所述边界条件为储能协调控制装置的定值中预先设定最大无功输出功率(考虑正负)；若超出边界条件，则输出最大容性或最大感性无功功率；若未超出边界条件，则输出计算无功功率。此处是一个正负的关系，增加感性无功会使得电压降低；增加容性无功会使得电压升高，由实时电压高于或者低于额定电网电压决定输出那种功率来调节。
所述步骤二的模糊推理包括以下步骤，如图3所示：
(1)计算电网实时电压值U和电网电压额定值U0的电网电压偏差e，在得到电网电压偏差e后计算电压偏差变化率Δe，将电压偏差变化率Δe作为输入变量；
e＝U-U0；
Δe＝e2-e1；
其中，e2和e1是指连续两次电网电压差值；
(2)模糊化处理，根据隶属度函数确定电网电压偏差e和电压偏差变化率Δe的隶属度；
(3)模糊推理和去模糊化处理，对电网电压偏差e和电压偏差变化率Δe的隶属度模糊推理和反模糊得到PI控制的比例系数Kp和积分系数Ki。
在本发明中，将电网电压偏差e及电压偏差变化率Δe各划分为5个模糊集，零(Z)、正小(PS)、负小(NM)、正中(PM)、负中(NM)、正大(PB)、负大(NB)；将PI控制的比例系数Kp和积分系数Ki各划分为3个模糊集，小(S)、中(M)、大(B)；
所述模糊化处理还包括在模糊推理中建立由所述语言变量引出的相应的模糊集控制规则库，建立由电网电压偏差e及电压偏差变化率Δe、PI控制的比例系数Kp和积分系数Ki构成的模糊控制表，所述的模糊集控制规则库采用以下方法建立：
(2.1)计算电网电压偏差e和电压偏差变化率Δe；
(2.2)模糊化处理，将电网电压偏差e的区间(-4到4)分成8个区间集，分别为-4～-3，-3～-2，-2～-1，-1～0，0～1，1～2，2～3，3～4，把-3，-2，-1，0，1，2，3分别用NB(-3)，NM(-2)，NS(1)，Z(0)，PS(1)，PM(2),PB(3)表示，(N为negative(负)，P为positive(正)，B为big(大)，M为middle(中)，S为small(小)，Z为zero(零))，NB为(负大)、NM为(负中)、NS为(负小)、Z为(零)、PS为(正小)、PM为(正中)、PB为(正大)，图4所示；
将电压偏差变化率Δe的区间(-0.4到0.4)分成8个区间集，分别为-0.4～-0.3，-0.3～-0.2，-0.2～-0.1，-0.1～0，0～0.1，0.1～0.2，0.2～0.3，0.3～0.4。把-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3分别用NB(-0.3)，NM(-0.2)，NS(-0.1)，Z(0)，PS(0.1)，PM(0.2)，PB(0.3)表示，图5所示；
建立由电网电压偏差e及电压偏差变化率Δe、PI控制的比例系数Kp和积分系数Ki构成的模糊控制表，表一所示；
通过计算电网电压偏差e及电压偏差变化率Δe与最近邻的区间的百分比，从而确认电网电压偏差e及电压偏差变化率Δe的隶属的区间集；
所述隶属度确定采用下式计算得到；若e属于区间集A和区间集B之间则隶属度计算：
e(A)＝(b-e)/(b-a)；
e(B)＝(e-a)/(b-a)；
其中，区间集A对应的数值为a，区间集B对应的数值为b，b>e>a；
例如，当e＝0.6时，此时的e属于Z和PS之间，而此时的e也会对应2(或1)个隶属度。e隶属于PS(1)的隶属度为而同理隶属于Z(0)的隶属度为/>把0到1进行线性分割了，e离Z和PS哪个更近，则隶属于哪个就更大(当输出值e大于4(PB))时，则隶属度为1，隶属度值为PB，即e完全隶属于PB，同理当e小于-4(NB)时也一样)。
同理也可以对Δe进行模糊化。
(2.3)模糊推理和去模糊化处理，根据步骤2.2中得出的隶属度确定模糊控制表中电网电压偏差e、电压偏差变化率Δe的区间集，以从模糊控制表中找出满足这两个值的PI控制的比例系数Kp和积分系数Ki的值。
假设e的两个隶属度值为NS、Z，e属于NS的隶属度为：a(a<1)，则属于Z的隶属度为：(1-a)。再假设Δe的两个隶属度值为PM、PB，Δe属于PM的隶属度为:b，则属于PB的隶属度为：(1-b)；则输出值属于S,M的隶属度为：(1-b)×a，属于S,S的隶属度为三部分相加：
a×b+b×(1-a)+(1-a)×(1-b)(表1)。
对于输出值Kp和Ki，同样采用给予隶属度的办法。把Kp输出值假设为[0.1，0.9]的区间同样等间隔划分为三个部分，即3个隶属值S(0.1),M(0.5),B(0.9)，如图6。根据上一步所得出的结论，就可以用隶属度乘以相应的隶属值算出输出值的解，
即(1-b)×a×S+[a×b+b×(1-a)+(1-a)×(1-b)]×S＝S＝0.1；
把Ki输出值假设为[2，3]的区间同样等间隔划分为三个部分，即3个隶属值S(2),M(2.5),B(3)，如图7。根据上一步所得出的结论，就可以用隶属度乘以相应的隶属值算出输出值的解，即
(1-b)×a×M+[a×b+b×(1-a)+(1-a)×(1-b)]×S；
本发明中隶属度采用三角型隶属度函数获得，所述电网电压偏差e、电压偏差变化率Δe、储能系统频率控制中PI控制的比例系数Kp和积分系数Ki均服从三角形模糊语言隶属函数曲线分布。与吊钟形、梯形计算方式相比，三角形隶属度函数计算比较简单，而性能与吊钟形几乎没有差别。作为一种简单可靠的计算方法，节约了系统的实时运算量。
在本发明中储能系统频率控制中PI控制的比例系数Kp和积分系数Ki的模糊控制规则如表1；
表1：
表1中在Kp中S(0.1)，M(0.5)，B(0.9)；在Ki中S(2)，M(2.5)，B(3)例如表1中S，S中位于首位的S指Kp中S，第二位的S指Ki中S。
本发明的有益效果是，可以有效适应电网运行参数的不确定性、非线性和时变性，使其满足不同运行模式下系统的动态、静态特性。该方法具有较好的动态响应特性和鲁棒性，能有效提高了储能系统无功功率控制精度和电网的电压稳定性。
Claims (5)
1.一种用于储能协调控制装置的电网电压模糊控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：储能协调控制装置获取电网实时电压值U；
步骤二：由电网实时电压值U和电网额定电压值U0计算得出电网电压偏差e和电压偏差变化率Δe作为输入量，根据输入量划分模糊集后进行模糊推理，得到PI控制参数Kp和Ki作为输出量；
步骤三：通过步骤二获得的PI控制参数Kp和Ki计算出无功出力参考值Qref，对电池储能进行控制；
步骤四：得出无功出力参考值Qref后，再根据储能系统最大容性或感性无功输出大小的边界条件得出输出无功功率Q；若超出边界条件，则输出最大容性或最大感性无功功率；若未超出边界条件，则输出计算无功功率；
所述步骤三中无功出力参考值采用下式计算得到：
Qref＝Kp×Qcal+Ki×Qcal
Qcal：无功计算值；X：系统电抗；Qref：无功出力参考值；Kp：比例常数；Ki为积分参数。
2.根据权利要求1所述的用于储能协调控制装置的电网电压模糊控制方法，其特征在于：所述步骤二的模糊推理包括以下步骤：
(1)计算电网实时电压值U和电网电压额定值U0的电网电压偏差e，在得到电网电压偏差e后计算电压偏差变化率Δe，将电压偏差变化率Δe作为输入变量；
(2)模糊化处理，根据隶属度函数确定电网电压偏差e和电压偏差变化率Δe的隶属度；
(3)模糊推理和去模糊化处理，对电网电压偏差e和电压偏差变化率Δe的隶属度模糊推理和反模糊得到PI控制的比例系数Kp和积分系数Ki。
3.根据权利要求2所述的用于储能协调控制装置的电网电压模糊控制方法，其特征在于：所述模糊化处理还包括在模糊推理中建立由语言变量引出的相应的模糊集控制规则库，建立由电网电压偏差e及电压偏差变化率Δe、PI控制的比例系数Kp和积分系数Ki构成的模糊控制表。
4.根据权利要求3所述的用于储能协调控制装置的电网电压模糊控制方法，其特征在于：所述的模糊集控制规则库采用以下方法建立：
(2.1)计算电网电压偏差e和电压偏差变化率Δe；
(2.2)模糊化处理，将电网电压偏差e的区间-4到4分成8个区间集，分别为-4～-3，-3～-2，-2～-1，-1～0，0～1，1～2，2～3，3～4；把-3，-2，-1，0，1，2，3分别用NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB表示；
将电压偏差变化率Δe的区间-0.4到0.4分成8个区间集，分别为-0.4～-0.3，-0.3～-0.2，-0.2～-0.1，-0.1～0，0～0.1，0.1～0.2，0.2～0.3，0.3～0.4；把-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3分别用NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB表示；
建立由电网电压偏差e及电压偏差变化率Δe、PI控制的比例系数Kp和积分系数Ki构成的模糊控制表；
通过计算电网电压偏差e及电压偏差变化率Δe与最近邻的区间的百分比，从而确认电网电压偏差e及电压偏差变化率Δe的隶属的区间集；
(2.3)模糊推理和去模糊化处理，通过计算隶属度确定模糊控制表中电网电压偏差e、电压偏差变化率Δe的区间集，以从模糊控制表中找出满足这两个值的PI控制的比例系数Kp和积分系数Ki的值。
5.根据权利要求4所述的用于储能协调控制装置的电网电压模糊控制方法，其特征在于：所述隶属度确定采用下式计算得到：
e(A)＝(b-e)/(b-a)；
e(B)＝(e-a)/(b-a)；
其中，区间集A对应的数值为a，区间集B对应的数值为b，b>e>a。
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