CN111864720A

CN111864720A - 一种蓄电池储能系统动态响应提升控制系统及控制方法

Info

Publication number: CN111864720A
Application number: CN201910360431.1A
Authority: CN
Inventors: 康颖; 毛凯; 张艳清; 蔡华; 孙力; 毕恺涛; 季旭; 杜修方; 胡良辉; 朱然
Original assignee: Harbin Institute of Technology; Casic Feihang Technology Research Institute of Casia Haiying Mechanical and Electronic Research Institute
Current assignee: Harbin Institute of Technology; Casic Feihang Technology Research Institute of Casia Haiying Mechanical and Electronic Research Institute
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2039-04-30
Also published as: CN111864720B

Abstract

本发明提出一种蓄电池储能系统动态响应提升控制系统及控制方法，通过系统功率变换器构建补偿控制系统，包括：负载电流观测模型，对负载电流进行观测；电压外环控制子系统，监控蓄电池储能系统的直流母线电压，当直流母线电压下降时，采集直流母线电压的实时电压反馈值，根据实时电压反馈值与预设的母线电压参考值的差值生成初始电流给定值；利用预设的前馈补偿函数将负载电流观测值生成扰动电流给定值，根据扰动电流给定值和初始电流给定值计算系统的目标电流给定值；电流内环控制子系统，采集蓄电池储能系统的实时电流反馈值，根据实时电流反馈值与目标电流给定值的差值控制蓄电池储能单元的供电参数，有效提升蓄电池储能系统的动态响应速度。

Description

一种蓄电池储能系统动态响应提升控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统控制技术领域，尤其涉及一种蓄电池储能系统动态响应提升控制系统及控制方法。

背景技术

随着电力电子技术及动力电池的不断发展，基于蓄电池的储能系统在新能源发电系统、城市轨道交通系统以及电动车等领域得到了广泛的使用和关注。蓄电池储能系统常用于动态调整直流母线能量，维持直流母线电压恒定，即在负载突加时储能系统向直流电网提供能量供负载使用，防止直流网压跌落。所以，为防止电网电压因负载突变而导致电网解列，蓄电池储能系统的动态响应速度对于稳定直流网压至关重要。含有蓄电池储能系统的直流电网结构如图1所示。

目前，储能系统负载电流前馈控制是一种提升系统动态响应的常用方法，该方法需要利用电流霍尔检测直流母线负载的变化，并将负载电流变化结果前馈到储能系统控制闭环中，从而提升系统的响应速度。利用电流霍尔检测负载电流实现储能系统的前馈控制虽然能够提升系统的动态响应能力，但存在以下不足之处：

(1)、负载电流检测电路将使系统硬件电路设计更加复杂，提高系统潜在风险，弱化系统可靠性。

(2)、储能系统作为调节电网电能质量的设备，需要具备灵活的安装能力，同时也需要根据电网容量具有良好的可扩展性。但是负载电流的检测位置为直流母线，硬件检测电路的增加不利于储能系统的“即插即用”。

(3)、目前工业使用的电流霍尔的工作范围有限，在大功率系统中负载电流检测难度增加。因此基于硬件检测的负载电流前馈策略不利于蓄电池储能系统在大功率直流系统中使用。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种蓄电池储能系统动态响应提升控制系统及控制方法，通过基于系统功率变换器构建的双闭环控制结构，能够有效提升蓄电池储能系统的动态响应速度，提升储能系统的控制性能。

本发明的一个方面，提供了一种蓄电池储能系统动态响应提升控制系统，在蓄电池储能单元和负载供电电路间设置系统功率变换器，通过所述系统功率变化器构建补偿控制系统，所述补偿控制系统包括电压外环控制子系统、电流内环控制子系统以及根据线性扩张状态观测器原理构建的负载电流观测模型；

所述负载电流观测模型，用于对负载电流进行观测；

所述电压外环控制子系统，用于监控蓄电池储能系统的直流母线电压，当所述直流母线电压下降时，采集直流母线电压的实时电压反馈值，根据所述实时电压反馈值与预设的母线电压参考值的差值生成初始电流给定值；以及利用预设的前馈补偿函数将所述负载电流观测模型的负载电流观测值生成扰动电流给定值，并根据所述扰动电流给定值和所述初始电流给定值计算蓄电池储能系统的目标电流给定值；

电流内环控制子系统，用于采集蓄电池储能系统的实时电流反馈值，根据所述实时电流反馈值与所述目标电流给定值的差值控制蓄电池储能系统中蓄电池储能单元的供电参数。

其中，所述系统功率变换器为Buck变换器，或者，基于Buck变换器的交错并联式功率变换器。

其中，所述系统功率变换器包括：三极管、第一二极管、第二二极管、电感和支撑电容；

所述蓄电池储能单元的正极连接所述第一二极管的阴极和所述三极管的集电极，所述第一二极管的阳极和所述三极管的发射极分别与所述第二二极管的阴极连接，所述电感的一端与第二二极管的阴极连接，所述电感的另一端分别与所述支撑电容的一端、负载供电电路的正极连接，所述第二二极管的阳极、所述支撑电容的另一端和所述蓄电池储能单元的负极分别连接负载供电电路的负极。

其中，所述负载电流观测模型的数学表达式为：

其中：带有上标的变量为观测量，β1与β2为观测器预设增益，

为负载电流观测值，

为直流电网电压观测量，u_dc为直流电网的实时电压反馈值，C_dc为支撑电容的电容值，i_L为蓄电池储能系统的实时电流反馈值。

其中，所述电压外环控制子系统包括：电压环调节器、前馈补偿单元和第一计算单元；

所述电压环调节器，用于采集直流母线电压的实时电压反馈值，根据所述实时电压反馈值与预设的母线电压参考值的差值生成初始电流给定值；

所述前馈补偿单元，用于利用预设的前馈补偿函数将所述负载电流观测模型的负载电流观测值生成扰动电流给定值；

所述第一计算单元，用于根据所述扰动电流给定值和所述初始电流给定值计算蓄电池储能系统的目标电流给定值。

其中，所述前馈补偿函数的数学表达式为：

其中：k_fc为补偿增益，τ_s＝β₂/C_dc，T_fc为滤波系数，

为具有补偿功能的滤波函数。

其中，所述电压环调节器采用比例调节器、比例积分调节器或者比例积分微分调节器实现。

其中，所述电流内环控制子系统，包括第二计算单元和电流环调节器；

所述第二计算单元，用于采集蓄电池储能系统的实时电流反馈值，计算所述实时电流反馈值与所述目标电流给定值的差值；

电流环调节器，用于根据所述实时电流反馈值与所述目标电流给定值的差值确定所述系统功率变换器开关信号的占空比，通过控制所述系统功率变换器的导通或关断来控制蓄电池储能系统中蓄电池储能单元的供电参数。

其中，所述电流环调节器采用比例调节器、比例积分调节器或者比例积分微分调节器实现。

本发明的另一方面，提供了一种蓄电池储能系统动态响应提升控制方法，所述方法包括：

根据线性扩张状态观测器原理构建负载电流观测模型；

监控蓄电池储能系统的直流母线电压，当所述直流母线电压下降时，采集直流母线电压的实时电压反馈值，根据所述实时电压反馈值与预设的母线电压参考值的差值生成初始电流给定值；

采用所述负载电流观测模型对负载电流进行观测；

利用预设的前馈补偿函数将所述负载电流的负载电流观测值生成扰动电流给定值，并根据所述扰动电流给定值和所述初始电流给定值计算蓄电池储能系统的目标电流给定值；

采集蓄电池储能系统的实时电流反馈值，根据所述实时电流反馈值与所述目标电流给定值的差值控制蓄电池储能系统中蓄电池储能单元的供电参数。

本发明实施例提供的蓄电池储能系统动态响应提升控制系统及控制方法，基于系统功率变换器构建双闭环控制结构，外环为电压闭环，用于稳定直流母线电压；内环为电流闭环，用于控制系统电流，其中电压环的输出作为电流环的输入，能够有效提升蓄电池储能系统的动态响应速度，提升储能系统的控制性能；而且本发明简化了系统硬件电路设计，降低了系统潜在风险，有助于提升系统的可靠性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为现有技术中基于蓄电池储能的供电系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的蓄电池储能系统的电路原理图；

图3为本发明实施例提供的负载电流的补偿控制系统框图；

图4为本发明实施例中不同滤波系数下补偿函数的幅频特性示意图；

图5为本发明实施例中不同滤波系数下补偿函数的相频特性示意图；

图6为传统闭环控制策略下蓄电池储能系统动态响应示意图；

图7为本发明实施例提供的蓄电池储能系统动态响应提升控制系统下蓄电池储能系统动态响应示意图；

图8为本发明另一实施例的一种直线电机分段供电结构的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明实施例提供了一种蓄电池储能系统动态响应提升控制系统，该系统包括硬件电路部分和软件控制部分。其中，硬件电路部分包括在蓄电池储能单元和负载供电电路间设置系统功率变换器；软件控制部分包括通过所述系统功率变化器构建补偿控制系统。

本实施例中，系统功率变换器可以为Buck变换器，或者，基于Buck变换器的交错并联式功率变换器。

图2示意性示出了本发明实施例提供的蓄电池储能系统的电路原理图。参照图2，本发明实施例提供的蓄电池储能系统的电路原理图中，所述系统功率变换器包括：三极管S₁、第一二极管D1、第二二极管D2、电感L和变换器与直流电网连接的支撑电容C_dc；其中，图1中还体现了电感L的等效电阻RL。具体的，所述蓄电池储能单元的正极连接所述第一二极管D1的阴极和所述三极管S₁的集电极，所述第一二极管D1的阳极和所述三极管S₁的发射极分别与所述第二二极管D2的阴极连接，所述电感L的一端与第二二极管D2的阴极连接，所述电感L的另一端分别与所述支撑电容C_dc的一端、负载供电电路的正极连接，所述第二二极管D2的阳极、所述支撑电容C_dc的另一端和所述蓄电池储能单元的负极分别连接负载供电电路的负极。

图2中，i_L为储能系统输出电流，i_dc为支撑电容电流，i_o为母线负载电流，u_dc为直流电网电压，P_dc用于表示直流侧系统，u_M为二极管D₂的端电压。

根据图2可得当开关S₁打开时，蓄电池储能系统的数学模型为：

其中，软件控制部分包括通过所述系统功率变化器构建补偿控制系统，所述补偿控制系统包括电压外环控制子系统、电流内环控制子系统以及根据线性扩张状态观测器原理构建的负载电流观测模型；

所述负载电流观测模型，用于对负载电流进行观测；

由图2及蓄电池储能系统的数学模型可得本发明的负载电流的补偿控制系统如图3所示。该补偿控制系统的控制策略由3部分组成：框图1为系统电压外环，其中G_dc(s)为电压环调节器，G_fc(s)为前馈补偿函数；框图2为系统电流内环，G_ipi(s)为电流环调节器；框图3为负载电流观测模型，该模型的建立依据自抗扰扩张状态观测器原理。

其中，所述电压环调节器G_dc(s)和电流环调节器G_ipi(s)均可采用比例调节器、比例积分调节器或者比例积分微分调节器实现。

在一个具体实施例中，G_dc(s)与G_ipi(s)均采用PI调节器，其数学表达式为：

式中：K_dcp与K_dci分别为电压调节器的比例和积分系数；K_ip与K_ii分别为电流调节器的比例和积分系数。

其中，所述负载电流观测模型的数学表达式为：

为负载电流观测值，

本发明的目的是避免使用电流霍尔检测负载电流变化，通过构建负载电流观测模型，利用软件算法实时计算负载电流变化，并将观测结果前馈到储能系统控制中，从而提升储能系统的动态响应能力。

本实施例中，由于系统采样以及数字运算存在延时，负载电流观测值

将滞后于实际值，为了解决该问题，发明了负载电流前馈补偿函数G_fc(s)，G_fc(s)的数学表达式为：

其中：k_fc为补偿增益，τ_s＝β₂/C_dc，T_fc为滤波系数，

为具有补偿功能的滤波函数，能够抑制高频噪声对观测结果的影响，同时起到补偿相位的功能。

其中，关于补偿函数G_fc(s)的设计：

当取β₂＝4000，不同滤波系数T_fc下的前馈补偿函数伯德图如图4、图5所示。参见图4、图5，可以通过增大T_fc来提高补偿函数的转折频率，但实际系统中滤波函数的选取需要根据线性扩张状态观测器的带宽进行选取。另外，线性扩张状态观测器参数β₂与补偿函数的幅频变化成正比例关系。增加前馈补偿后，由负载产生的扰动能够通过前馈控制得到快速的抑制，从而提高系统的响应速度。

图6为突加直流负载时传统闭环控制策略下蓄电池储能系统动态响应示意图。图7为突加直流负载时采用本发明实施例提供的蓄电池储能系统动态响应提升控制系统下储能系统动态响应示意图。对比可知，突加25％的直流负载以测试储能系统动态响应。如图6、7所示，在相同测试条件下，采用本发明实施例提供的蓄电池储能系统动态响应提升控制系统的控制策略在突加直流负载时储能系统的电流响应峰值时间t_p及过渡时间t_s明显减小，对比传统控制策略系统动态响应得到提升。

本一个具体实施例中，所述电压外环控制子系统包括：电压环调节器、前馈补偿单元和第一计算单元；

所述电压环调节器，用于采集直流母线电压的实时电压反馈值，根据所述实时电压反馈值与预设的母线电压参考值的差值生成初始电流给定值。

所述前馈补偿单元，用于利用预设的前馈补偿函数将所述负载电流观测模型的负载电流观测值生成扰动电流给定值。其中，线性扩张状态观测器利用系统电流以及母线电压对负载变化进行观测，观测结果通过前馈补偿函数生成扰动电流给定值。

所述第一计算单元，用于根据所述扰动电流给定值和所述初始电流给定值计算蓄电池储能系统的目标电流给定值。具体的，电压环生成的电流给定与扰动电流给定相加，生成最终的电流给定值。

本一个具体实施例中，所述电流内环控制子系统，包括第二计算单元和电流环调节器；

本发明实施例提供的蓄电池储能系统动态响应提升控制系统，具有以下有益效果：

(1)、有助于提升蓄电池储能系统的动态响应速度，提升储能系统的控制性能。

(2)、本发明简化了系统硬件电路设计，降低了系统潜在风险，有助于提升系统的可靠性。

(3)、本发明有助于提升储能系统的模块化性能，使储能系统具备“即插即用”的能力。

(4)、本发明消除了大功率场合母线电流检测对霍尔元件的限制，有助于扩展储能系统的使用场合，特别是在大功率直流系统中使用。

图8示意性示出了本发明一个实施例的一种蓄电池储能系统动态响应提升控制方法的流程图。参照图8，本发明实施例提出的蓄电池储能系统动态响应提升控制方法具体包括以下步骤：

S201、根据线性扩张状态观测器原理构建负载电流观测模型；

其中，所述负载电流观测模型的数学表达式为：

为负载电流观测值，

S202、监控蓄电池储能系统的直流母线电压，当所述直流母线电压下降时，采集直流母线电压的实时电压反馈值，根据所述实时电压反馈值与预设的母线电压参考值的差值生成初始电流给定值；

S203、采用所述负载电流观测模型对负载电流进行观测；

S204、利用预设的前馈补偿函数将所述负载电流的负载电流观测值生成扰动电流给定值，并根据所述扰动电流给定值和所述初始电流给定值计算蓄电池储能系统的目标电流给定值；

其中，前馈补偿函数G_fc(s)的数学表达式为：

其中：k_fc为补偿增益，τ_s＝β₂/C_dc，T_fc为滤波系数，

S205、采集蓄电池储能系统的实时电流反馈值，根据所述实时电流反馈值与所述目标电流给定值的差值控制蓄电池储能系统中蓄电池储能单元的供电参数。

本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。