CN111725825A - 一种基于下垂控制的混合储能协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于下垂控制的混合储能协调控制方法，其控制方法包括如下步骤：船舶电力系统的功率波动以其波动频率初步分配到相应的储能单元，通过设计基于下垂控制的控制器，根据分配功率调整各储能单元输出电流情况；同时基于各储能单元的荷电状态（SOC）对混合储能系统的充放电进行控制，达到平抑功率波动的目的。与现有技术相比，本发明可以有效的控制混合储能单元不同类型储能之间的出力情况，同时还可以根据同类型储能剩余电量的差异控制其出力大小，并同时优先恢复低电量的储能单元，本发明所涉及的功率分配策略能够达到在储能单元之间合理分配功率，并能够对储能系统的充放电功率进行控制，提高能源的利用效率和船舶电网电能质量。

Description

一种基于下垂控制的混合储能协调控制方法

技术领域

本发明涉及电力领域，尤其涉及在船舶电力系统中为响应功率波动，通过在混合储能之间合理分配功率达到平抑波动的目的的一种基于下垂控制的混合储能分层分频协调控制方法。

背景技术

随着各国海洋开发事业和海防建设的快速发展，船舶种类和数量不断增多，环境污染成为一个不可忽视的问题，为满足船舶越来越高的电力需求，提高船舶营运的经济性及实现船舶机舱更加灵活的布置，全电力船舶得到越来越多的关注。综合电力系统将传统的船舶机械推进系统与电力系统整合在一起，合理地分配全船各分系统的能量，成为船舶动力系统的发展趋势。

由于综合电力系统是把推进系统和电力系统连接在一起，由统一的发电机组共同给所有负荷供电，如推进系统、日常负载以及其他脉冲负载，来达到综合利用能源和统一管理的目的。但是随着大型船舶电站容量的不断扩大以及用电负荷的快速增长，船舶电网中转矩波动、功率波动、电网电压跌落情况成为一个普遍问题，尤其是海水流体的相互作用和海浪的冲击下，推进装置的转矩及推力波动非常明显，它们对船舶机械以及电气装置的性能和生命周期影响巨大，对于机械系统，过大的扭矩和功率波动会引起机械应力和设备磨损，同时对于电力系统，功率波动将会导致不可预测的功率损耗减少电气设备的效率，甚至会影响电网电压的质量。

所以在综合电力系统中为了维持系统功率、电网电压的稳定性，引入复合储能来匹配综合电力系统功率的波动。复合储能装置可以维持脉冲负载和系统的匹配性，还可以为重要的设备补充功率，以避免设备在系统正常的暂态过程中受到损失，来提高船舶生命力以及设备的使用寿命。同时在系统中如何能够在保证混合储能单元的安全运行的前提下，使其性能的最大发挥，混合储能之间的功率分配是一个关键问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于下垂控制的混合储能协调控制方法，以解决上述问题。

本发明提供的基于下垂控制的混合储能协调控制方法包含上层控制和底层控制。

所述上层控制为在系统检测到系统功率波动后，进行频谱分析，根据其频率分布情况初步在不同类型的储能装置之间进行功率分配；

所述底层控制为基于上层控制的输出结果，结合下垂控制曲线，本地控制根据混合储能各储能SOC(电荷量)状态值的差异，进行功率的再分配，控制各个储能组进行吸收或者发出期望的功率。

进一步，所述上层控制内容包括如下步骤：

(1)上层控制对需求功率进行实时检测，可以得到需求功率值P_L，同时在对应需求功率下，综合电力系统发电单元会进行功率调整P_G，由于发电单元对于功率波动响应时间较慢，会在快速变化的功率需求下保持一定输出功率，就会得到需求功率与发电单元输出功率的差值；

(2)根据得到的差值功率，对其进行频谱分析，可以得到功率波动的频率分布范围，进而选取符合储能类型的滤波系数，设计相应的低通滤波器，能够根据功率差值和其频率分布情况，初步在不同类型的储能装置之间进行功率分配，其分配策略按照如下公式进行配：

其中T_sc为超级电容的滤波时间系数，P_L为需求功率值，P_G为发电单元提供功率值。

进一步，所述底层控制内容包括如下步骤：

(1)基于低通滤波得到的功率分配值

在经过参考电流计算后得到该储能类型的参考电流

(2)通过下垂曲线控制，得到各类型以及同类型各储能组DC/DC变换器输出的参考电压，控制曲线公式如下

U_dcref＝U₀-kI

其中k为表征斜率的下垂曲线系数,U₀为母线电压期望值。

进一步，所述下垂曲线系数修正步骤如下：

蓄电池和超级电容的SOC表征自身剩余电量的直观参数，引入储能单元的荷电状态值，可以使每组储能单元根据荷电状态的多少调整下垂系数控制自身的调整功率，其控制方案如下：

设置N并联运行的储能单元的荷电状态值分别为SOC₁、SOC₂、……、SOC_N，当每台储能单元的荷电状态值在20％～80％时，定义每台储能单元的荷电状态差值系数α_i为：

其中n任意，根据实际结果进行选取；

由于蓄电池单元的特性，其SOC的变化速率相对较为缓慢，如果不引入均衡速率调节因子，在其输出电流不变的情况下，蓄电池组的荷电状态的均衡速率是恒定的，换言之，荷电状态的均衡速率是不可控的。由此，需要可以将SOC值变化速率以及变化趋势放大的数学表达式，引入荷电状态的幂指数值作为均衡速率的调节因子是较好的选择，分析来讲，若未引入速率因子n亦或者因子很小的情况下，储能组的荷电状态的均衡速率较慢，则需要较长时间实现功率均分的目标；当其取值较大的情况下，荷电状态的均衡速率显著得到提升，相应的，能量均分的任务则能够在较短的时间内完成。

得到荷电状态差值系数后，对原下垂系数进行修正，其修正依据是根据储能单元分配功率值对储能单元荷电状态差值系数进行修正后得到该状态下的下垂系数，修正公式如下：

k_{bess_i}＝0 (P^ref＝0)

其中P^ref为低通滤波后各类型储能单元的分配值，k为初始下垂系数。

本发明的有益效果：本发明通过设计低通滤波器可以有效的根据储能类型分配功率，以保证混合储能发挥最大的作用；通过基于SOC的改进下垂控制设计，可以有效的在同类型的储能之间根据储能单元的剩余电量值进行功率分配，同时在充电时可以满足低SOC值的储能单元充电功率更大，在放电时高SOC值储能单元出力更大，从而达到了稳定直流母线电压的目的，提高了船舶综合电力系统的电能质量。

附图说明

图1为本发明的基于下垂控制的混合储能分层分频控制框图；

图2为本发明的双向DC/DC变换器电路图；

图3为本发明的低通滤波器控制框图；

图4为本发明的下垂控制框图；

图5为本发明涉及的负载功率变化曲线；

图6为本发明涉及的储能介质对母线功率波动的频率响应情况；

图7为本发明的系统功率波动频谱分析图；

图8为本发明的低通滤波器功率分配曲线；

图9为本发明的各蓄电池组输出功率曲线；

图10为本发明的各超级电容输出功率曲线；

图11为本发明的平抑前后的船舶负载功率变化曲线；

图12为本发明的蓄电池组1SOC变化曲线；

图13为本发明的蓄电池组2SOC变化曲线；

图14为本发明的超级电容组1SOC变化曲线；

图15为本发明的超级电容组2SOC变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

如图1所示，本实施例中基于下垂控制的混合储能分层分频协调控制方法，对混合储能装置采用双层控制，所述双层控制包括上层控制和底层控制，所述上层控制为在系统检测到系统功率波动后，进行频谱分析，根据其频率分布情况初步在不同类型的储能装置之间进行功率分配；

所述底层控制为基于上层控制的输出结果，结合下垂控制曲线，混合储能本地控制根据各储能SOC状态值的差异，进行功率的再分配，控制各个储能组进行吸收或者发出期望的功率。

上层控制对需求功率进行实时检测，可以得到需求功率值P_L，同时在对应需求功率下，综合电力系统发电单元会进行输出功率调整P_G，由于发电机对于功率波动响应时间较慢，会在快速变化的功率需求下保持一定输出功率，就会得到需求功率与发电单元输出功率的差值。

根据得到的差值功率，对其进行频谱分析，可以得到功率波动的频率分布范围，进而选取符合储能类型的滤波系数，设计相应的低通滤波器，能够根据功率差值和其频率分布情况，初步在不同类型的储能装置之间进行功率分配，其分配策略按照如下公式进行配：

其中T_sc为超级电容的滤波时间系数，P_L为需求功率值，P_G为发电单元提供功率值。

如图4所示是以某挖泥船的实际负载功率曲线，时间分为360S，在功率曲线进行频谱分析后得到图6，从图中可以得到负载的功率波动频率以0.125HZ为界限，结合图5储能介质对母线功率波动的频率响应情况，可以确定滤波器的滤波系数为T_sc＝8，那么功率分配公式就变为：

在得到不同类型储能之间的分配功率后，可以经过参考电流计算得到对应储能的参考电流，将参考电流代入下垂曲线公式

U_dcref＝U₀-kI

就可以得到各个储能单元双向DC/DC变换器的输出参考电压。

此处的双向DC/DC变换器如图2所示，正向放电为Boost电路，反向储能装置充电为Buck电路，充电和放电状态的控制依据是

和

正负状态的切换，该变换器采用的场效应管IGBT的参数如下：Ron＝0.001Ω，Rs＝100000Ω,可采用型号为BSM200GA120DN2 200A/1200V/1U，串联电感取值为0.001H。

蓄电池和超级电容的SOC表征自身剩余电量的直观参数，引入储能单元的荷电状态值，可以使每组储能单元根据荷电状态的多少调整下垂系数控制自身的调整功率，在本实施方案中，蓄电池组有两组，超级电容组有两组，其参数如下：

蓄电池组1参数：额定电压为80V，额定容量为200Ah,初始SOC为0.8；

蓄电池组2参数：额定电压为80V，额定容量为200Ah,初始SOC为0.5；

超级电容组1参数：额定容值为500F,额定电压为80V，等效直流串联电阻为0.0021Ω，初始电压为80V，初始SOC为1；

超级电容组2参数：额定容值为500F,额定电压为80V，等效直流串联电阻为0.0021Ω，初始电压为50V，初始SOC为0.62；

其具体控制方案如下：设并联运行的储能单元的荷电状态值分别为SOC₁、SOC₂、……、SOC₄，当每台储能单元的荷电状态值在20％～80％时，定义每台储能单元的荷电状态差值系数α_i为：

得到荷电状态差值系数后，对原下垂系数进行修正，其修正依据是根据储能单元分配功率值对储能单元荷电状态差值系数进行修正后得到该状态下的下垂系数，修正公式如下：

k_{bess_i}＝0 (P^ref＝0)

基于以上仿真设置，设计的低通滤波器对负载功率的预分配结果如图8所示，可以看到，超级电容的期望功率曲线的波动频率要远远高于蓄电池的期望功率曲线频率，就达到了可以根据负载波动频率进行功率分配到相应类型的储能单元的目的，也就是说蓄电池的响应速度慢，能量密度高，承担了较为稳态的功率；超级电容响应速度快，能量密度低，承担了动态频率。

在图9中可以看到由于蓄电池组1的初始SOC值为0.8，蓄电池组2的初始SOC值为0.5，在进行输出功率时，蓄电池组1的出力值要大于蓄电池2的出力，在吸收功率时，蓄电池组2优先进行充电，达到荷电状态的趋近均衡的趋势。在图10中可以看到的由于超级电容组1的初始SOC为1，超级电容组2的初始SOC为0.62，在进行输出功率时，超级电容组1的出力值要大于超级电容组2的出力，在吸收功率时，超级电容组2优先进行充电，达到荷电状态的趋近均衡的趋势。图12-图15为各蓄电池组和超级电容组的SOC的变化情况，其变化结果与上述分析结果一致，此功率分配过程，达到了可以充分考虑储能本身状态的目的，提高了储能的利用率，减少蓄电池的充电次数，延长了蓄电池的使用寿命。

在图11可以看出，负载功率波动在平抑过后前后的对比情况，可以看到本发明提出的基于下垂控制的混合储能分层分频协调控制方法可以将负载功率根据各储能单元的响应特性和SOC值进行有序的分摊。

上面结合附图对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在所属领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下可以做出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于下垂控制的混合储能协调控制方法，其特征在于：包含上层控制和底层控制，所述上层控制为在系统检测到系统功率波动后，进行频谱分析，根据其频率分布情况初步在不同类型的储能装置之间进行功率分配；

所述底层控制为基于上层控制的输出结果，结合下垂控制曲线，根据各储能组的储能SOC状态值的差异，进行功率的再分配，控制各个储能组进行吸收或者发出期望的功率。

2.根据权利要求1所述的基于下垂控制的混合储能协调控制方法，其特征在于：所述上层控制包括如下步骤：

(1)上层控制对需求功率P_L和发电单元输出功率P_G进行实时检测，计算得到需求功率与发电单元输出功率的差值；

(2)根据得到的差值功率，对其进行频谱分析，可以得到功率波动的频率分布范围，进而选取符合储能类型的滤波系数，设计相应的低通滤波器，能够根据功率差值和其频率分布情况，初步在不同类型的储能装置之间进行功率分配，其分配策略按照如下公式进行配：

其中T_sc为超级电容的滤波时间系数，P_L为需求功率值，P_G为发电单元输出功率值。

3.根据权利要求2所述的基于下垂控制的混合储能协调控制方法其特征在于：所述底层控制包括如下步骤：

(1)基于低通滤波得到的功率分配值

计算得到各储能类型的参考电流

(2)通过下垂曲线控制，得到各类型以及同类型各储能组DC/DC变换器输出的参考电压，控制曲线公式如下

U_dcref＝U₀-kI

其中k为表征斜率的下垂曲线系数，U₀为母线电压期望值。

4.根据权利要求3所述的基于下垂控制的混合储能协调控制方法其特征在于：设N并联运行的储能单元的荷电状态值分别为SOC₁、SOC₂、……、SOC_N，当每台储能单元的荷电状态值在20％～80％时，定义每组储能单元的荷电状态差值系数为α_i，其作如下方案选择：

其中n定义为储能单元荷电状态的均衡速率调节因子，根据实际结果进行选取。

5.根据权利要求4所述的基于下垂控制的混合储能协调控制方法其特征在于：得到荷电状态差值系数后，对原下垂系数进行修正，其修正依据是根据储能单元分配功率值对储能单元荷电状态差值系数进行修正后得到该状态下的下垂系数，修正公式如下：

k_{bess_i}＝0 (P^ref＝0)

其中P^ref为低通滤波后各类型储能单元的分配值，k为初始下垂系数。

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