CN111987712B - 多电压等级直流配电网储能下垂系数分布式控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及储能系统分布式控制技术，旨在提供一种多电压等级直流配电网储能下垂系数分布式控制方法。包括：在多电压等级下，直流配电网中的配电子网通过多个直流变压器相连，通过所选择的标幺化处理方法，各个子网中的储能单元通过分布式控制算法在实现电流的按比例均分，储能单元电荷状态均衡以及储能输出电压恢复。本发明将不同的子配网互联，将多电压等级的直流配电网等效为标幺化下单一电压等级的直流配电网。采用相邻储能节点分布式通信，减轻通信压力，提高了系统的安全性和灵活性。具有分布式储能在本地实现电流均分的功能，实现各个储能节点的输出电压平均值都能恢复到参考值。下垂系数只由负载分布决定，实现下垂系数稳定可控。

Description

多电压等级直流配电网储能下垂系数分布式控制方法

技术领域

本发明涉及储能系统分布式控制技术，具体涉及多电压等级直流配电网储能下垂系数分布式控制方法，主要针对储能的输出电流均分控制、SOC均衡分配、输出电压的恢复以及储能系统下垂系数的分布式调节控制。

背景技术

多个电压等级直流配电网可以将不同电压等级的直流母线通过直流变压器互相连接，每条母线上接入一个配电子网包含分布式电源、储能单元和负荷。直流变压器作为连接两个直流母线的设备，采用了相应的控制算法，能够实现相连的不同电压等级的配电子网形成单一电压等级，并通过分布式控制算法实现维持系统电压功率的稳定运行。

为了保证直流配电网的稳定运行，需要综合考虑配电网中各单元的运行状况，制定有效的能量管理策略，以满足不同的系统需求。采用分布式控制是解决集中式控制和分散式控制缺点的有效途径，它具有对通信要求低、灵活性、可靠性等优点。但是由于在储能下垂控制过程中，实现电流均分和输出电压恢复的控制策略之间存在着耦合问题，并且控制的不同步会造成各个分布式控制器的下垂系数产生偏移和波动，从而会影响到系统整体的稳定性和电流的质量。

针对这个问题，本发明针对下垂系数的不确定波动问题，提出了一种新的控制策略，能够实现在多个电压等级下各个直流子配网的储能电流均分，SOC均衡和输出电压恢复，并且保证下垂系数不会发生偏移或者波动，实现其稳定可控。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提出了一种多电压等级直流配电网储能的下垂系数分布式控制方法。该方法通过在不同电压等级下实现直流配电网各子网中储能的电流均分，保证下垂系数不会发生偏移或者波动，实现其稳定运行。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种多电压等级直流配电网储能下垂系数分布式控制系统，所述直流配电网包含N个配电子网，该N个配电子网具有多个电压等级；

每个配电子网均包括直流母线、储能单元(ESU)、分布式电源(DG)、负载(Load)和电力电子变换器，储能单元通过电力电子变换器与直流母线相连；在所述N个配电子网的直流母线之间，通过N-1个直流变压器实现树状连接；

所述各储能单元中设有控制器模块，控制器模块包括电流均分控制器

SOC分布式控制器

下垂系数恢复分布式控制器

下垂控制器和内环控制器；控制器模块同时作为一个网络拓扑中的节点用于与至少一个相邻配电子网中的节点进行通信，每两个通信节点构成一条边进而连通整个直流配电网，即任意两个节点之间都存在连同路径。

本发明进一步提供了利用前述系统实现多电压等级直流配电网的储能下垂系数分布式控制方法，具体包括以下步骤：

(1)对任意直流变压器i连接的直流母线i和直流母线j作标幺化处理，得到简化的标幺值系统；

将直流母线输出电压V_i除以其基准值V_i，base得到电压标幺值V_i，pu＝V_i/V_i，base；同理，得到输出电流I_i的标幺值为I_i，pu＝I_i/I_i，base；对多电压等级的直流配电网，通过该处理后得到一个标幺化电压等级的直流配电网；

(2)对于连接在直流母线i上的储能单元ESU_i：

利用电流均分控制器

计算输出电流标幺值I_i，pu与相邻节点的输出电流值I_j，pu的差值，并将差值输入比例积分(PI)控制模块中，得到下垂系数修正值δ_1，pu；

利用SOC分布式控制器

计算储能单元ESU_i的荷电状态值SOC_i，pu与相邻节点的SOC_j，pu的差值，并将差值输入比例积分(PI)控制模块中，得到下垂系数修正值δ_2，pu；

利用下垂系数恢复分布式控制器

输入储能单元ESU_i的下垂系数平均值

相邻节点的下垂系数平均值

和下垂系数额定值

计算得到节点下垂系数平均值与额定值的差值；将该差值输入比例积分(PI)控制模块中，得到下垂系数修正值δ_3，pu；

通过下式计算得到储能单元ESU_i的本地下垂系数值R_i，pu：

(3)将本地下垂系数额定值

与本地输出电流值I_i，pu相乘，计算得到电压修正值

将电压修正值

与输出电压额定值

相加，得到本地的输出电压参考值

(4)将本地下垂系数值R_i，pu和本地的输出电压参考值

用于V-I下垂控制策略，实现对储能单元ESU_i的输出电压的分布式二次控制，其计算公式如下：

本发明中，将直流变压器i所连接直流母线的电压标幺值V_i，pu和V_j，pu作差后输入比例积分(PI)控制器将得到一个移相角，在稳态时V_i，pu＝V_j，pu恒成立，此时对于连接在直流母线#i上的储能单元ESU_i进行I_i-V_i下垂控制，对输出电压和下垂系数进行二次修正。

本发明中，通过选取合适的标幺值，将多个电压等级的N个配电子网等效为单一电压等级：对于标幺化后的系统，利用每个配电子网中的控制器模块与相邻节点交换如下信息：储能单元的输出电流I_i，pu、储能单元的荷电状态SOC_i，pu、下垂系数平均值

输出电压幅值参考值V_i，pu；通过分布式控制实现各配电子网中储能单元的电流按比例均分、储能单元电荷状态均衡以及储能输出电压恢复，同时消除由于电流均分和电压恢复过程中的耦合作用产生的下垂系数的波动和偏移。

本发明中，所述直流变压器采用单相移相调制双有源桥变换器，各母线之间存在线路阻抗。

与现有技术相比，本发明的优点有：

(1)本发明提出了基于多电压等级直流配电网的储能控制，通过直流变压器将不同的子配网互联，将多电压等级的直流配电网等效为标幺化下单一电压等级的直流配电网。采用相邻储能节点分布式通信，减轻通信压力，提高了系统的安全性和灵活性。

(2)本发明具有分布式储能在本地实现电流均分的功能；在下垂系数加权平均值恢复的过程中，实现了各个储能输出电流的均分且保证各个SOC达到均衡；实现了各个储能节点的输出电压平均值都能恢复到参考值。

(3)本发明通过分布式控制器和本地的电压控制器，消除了各个控制器之间耦合对下垂系数造成的不稳定，防止了下垂系数在运行时的偏移，使下垂系数只由负载分布决定，不因系统的初始值发生偏移，实现了下垂系数的稳定可控。

附图说明

图1为多电压等级的多个储能单元分布式控制系统结构图；

图2为多电压等级的四个储能单元分布式控制系统结构图；

图3为各个储能单元的电流、SOC、下垂系数、电压控制器原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图1所示的多电压等级的直流配电网，各个直流母线(DC Bus)之间通过直流变压器相连接(DC Transformer)，提出了一种基于多电压等级直流配电网储能的下垂系数分布式控制方法。

多电压等级直流配电网包括N个电压等级的直流配电子网，其主体包括N条直流母线；N-1个直流变压器；每条直流母线上连接有一个配电子网，通过N-1个直流变压器树状连接。直流母线连接的子网中包括三个部分：储能单元(ESU)，分布式电源(DG)和无源负荷。以图2中四个子网为例，其中的储能单元通过分布式控制，采用邻节点通信，每个储能节点的控制器通过与相邻分布式储能节点交换如下信息：储能单元的输出电流I_i，pu，储能单元的荷电状态SOC_i，pu，下垂系数平均值

输出电压幅值参考值V_i，pu；

针对上述结构，基于多电压等级直流配电网储能的下垂系数分布式控制方法具体包括如下步骤：

(1)对直流变压器i连接的直流母线i和直流母线j作以下标幺化处理，得到简化的标幺值系统：

其中，下标“base”表示相应物理量的基准值。w_base，t_base分别表示角率、时间的基准值。V_i，base，I_i，base，R_i，base，L_i，base，C_i，base分别代表直流母线i上的电压、电流、电阻、电感和电容的基准值。V_j，base，I_j，base，R_j，base，L_j，base，C_j，base分别代表直流母线j上的电压、单流、电阻、电感和电容的基准值。

对于包含两个或者两个以上不同电压等级的直流母线的多电压等级直流配电网，每条母线上连接一个配电子网，包含分布式电源、储能单元、负荷设备；相邻的直流母线之间通过直流变压器相连接，可以实现不同电压等级的变换。对于直流变压器i，选取如下标幺值进行处理：将直流母线输出电压V_i除以其基准值V_i，base得到一个电压标幺值V_i，pu＝V_i/V_i，base，其中pu表示对应物理量的标幺值；输出电流I_i的标幺值为I_i，pu＝I_i/I_i，base。

(2)对多电压等级的直流配电网在经过步骤(1)处理后，可得到一个标幺化电压等级的直流配电网。对于连接在直流母线上储能单元ESU_i，将其输出电流标幺值I_i，pu与相邻节点的输出电流值I_j，pu输入电流均分控制器

中，计算出输出电流的差值，并将差值输入比例积分(PI)控制模块中，得到下垂系数修正值δ_1，pu，其公式可写为：

其中，

为节点i的相邻节点集合，a_ij为通信系数，如果节点i和j存在边则a_ij＝1否则其值为0；K_pc为比例控制参数，K_ic为积分控制参数，

为积分操作算子；

将连接在直流母线上储能单元ESU_i的SOC(荷电状态)值SOC_i，pu与相邻节点的SOC值SOC_j，pu输入SOC分布式控制器

中计算出输出SOC的差值，并将差值输入比例积分控制模块中，得到下垂系数修正值δ_2，pu，其公式可写为：

其中，a_ij为通信系数，如果节点i和j存在边则a_ij＝1否则其值为0；K_ps为比例控制参数，K_is为积分控制参数，

为积分操作算子；

将连接在直流母线上储能单元ESU_i的下垂系数平均值

相邻节点的下垂系数平均值

和下垂系数额定值

输入下垂系数恢复分布式控制器

计算得出节点下垂系数平均值与额定值的差值，并将该值输入比例积分控制模块中，生成下垂系数修正值δ_3，pu，其计算公式可写为：

节点下垂系数平均值

和

均由下垂系数加权平均值估计器求得，其公式如下：

其中，c_i为调整系数，K_pr为比例控制参数，K_ir为积分控制参数，R_i，pu(t)为下垂系数标幺值，N为节点总数，

为积分操作算子。

本发明在调节下垂系数时，采用了下垂系数修正值δ_1，pu和δ_2，pu和δ_3，pu以及下垂系数额定值

计算得到储能的本地下垂系数值R_i，pu；其计算公式可以写为：

(3)获取的本地下垂系数额定值

与本地的输出电流值I_i，pu相乘，计算生成电压修正值

将电压修正值

与输出电压额定值

计算得出本地的输出电压参考值

其计算公式可以写为：

在产生输出电压值时，通过整合输出电流下垂控制和下垂系数环节，将下垂系数R_i，pu和输出电压参考值

经过V-I下垂控制策略，实现分布式储能的输出电流的均分、SOC均衡分配、电压值的恢复与下垂系数的调节，其计算公式如下：

下面以图2所示的包含4个电压等级的直流配电网做进一步阐述说明。

配电网中包括4条直流母线；3个直流变压器；每条直流母线上连接有一个配电子网，通过3个直流变压器树状连接。直流母线连接的子网中包括三个部分：一个储能单元(ESU)，一个分布式电源(DG)和一个无源负荷。其中，四个储能单元能够实现分布式控制，采用邻节点通信，每个节点的控制器通过与相邻分布式储能节点交换如下信息：储能单元的输出电流I_i，pu，储能单元的荷电状态SOC_i，pu，下垂系数平均值

输出电压幅值参考值V_i，pu；

针对上述结构，基于多电压等级直流配电网储能的下垂系数分布式控制方法具体包括如下步骤：

(1)对直流变压器i连接的直流母线Bus1～4作以下标幺化处理，得到简化的标幺值系统：

其中，下标“base”表示相应物理量的基准值。w_base，t_base分别表示角频率，时间的基准值。V_1，base，I_1，base，R_1，base，L_1，base，C_1，base分别代表直流母线1侧的电压、单流、电阻、电感和电容的基准值。V_2，base，I_2，base，R_2，base，L_2，base，C_2，base分别代表直流母线2上的电压、单流、电阻、电感和电容的基准值。V_3，base，I_3，base，R_3，base，L_3，base，C_3，base分别代表直流母线j上的电压、单流、电阻、电感和电容的基准值。V_4，base，I_4，base，R_4，base，L_4，base，C_4，base分别代表直流母线j上的电压、单流、电阻、电感和电容的基准值。

(2)对多电压等级的直流配电网在经过步骤(1)处理后，可得到一个标幺化电压等级的直流配电网。对于连接在直流母线上储能单元ESU_i，将其输出电流标幺值I_i，pu与相邻节点j的输出电流值I_j，pu输入电流均分控制器

中，计算出输出电流的差值，并将差值输入比例积分(PI)控制模块中得到下垂系数修正值δ_1，pu，其公式可写为

其中，

为节点i的相邻节点集合，a_1j为通信系数，如果节点i和j存在边则a_ij＝1否则其值为0，K_pc为比例控制参数，K_ic为积分控制参数，

为积分操作算子；

将连接在直流母线上储能单元ESU_i的SOC(荷电状态)值SOC_i，pu与相邻节点的SOC值SOC_j，pu输入SOC分布式控制器

中计算出输出SOC的差值，并将差值输入比例积分控制模块中，得到下垂系数修正值δ_2，pu，其公式可写为

其中，a_ij为通信系数，如果节点i和j存在边则a_ij＝1否则其值为0，K_ps为比例控制参数，K_is为积分控制参数，

为积分操作算子；

将连接在直流母线上储能单元ESU_i的下垂系数平均值

相邻节点的下垂系数平均值

和下垂系数额定值

输入下垂系数恢复分布式控制器

计算得出节点下垂系数平均值与额定值的差值，并将该值输入比例积分控制模块中，生成下垂系数修正值δ_3，pu，其计算公式可写为

节点下垂系数平均值

和

均由下垂系数加权平均值估计器求得，其公式如下：

其中，c_i为调整系数，K_pr为比例控制参数，K_ir为积分控制参数，w_i为权重系数，R_i，pu(t)为下垂系数标幺值，N为节点总数，

为积分操作算子。

本发明在调节下垂系数时，采用了下垂系数修正值δ_1，pu和δ_2，pu和δ_3，pu以及下垂系数额定值

计算得到储能的本地下垂系数值R_i，pu，其公式可以写为

(3)获取的本地下垂系数额定值R^*与本地的输出电流值I_i*相乘，计算生成电压修正值

将电压修正值

与输出电压额定值

计算得出本地的输出电压参考值

其计算公式可以写为

在产生输出电压值时，通过整合输出电流下垂控制和下垂系数环节，将下垂系数R_i，pu和输出电压参考值

经过V-I下垂控制策略，实现分布式储能的输出电流的均分、SOC均衡分配、电压值的恢复与下垂系数的调节，其计算公式如下

综上所示，本发明提出了一种基于下垂系数调节的储能分布式控制方法，实现了储能系统输出电流按比例均分、各个储能SOC均衡、节点平均电压恢复、节点下垂系数平均值恢复，并且解决了在控制作用中电压恢复与电流均分的耦合问题，使得下垂系数只与负荷分布有关，而不会产生偏移，实现了下垂系数的稳定可控。

Claims (4)

1.一种多电压等级直流配电网的储能下垂系数分布式控制方法，其特征在于，所述直流配电网包含N个配电子网，该N个配电子网具有多个电压等级；每个配电子网均包括直流母线、储能单元、分布式电源、负载和电力电子变换器，储能单元通过电力电子变换器与直流母线相连；在所述N个配电子网的直流母线之间，通过N-1个直流变压器实现树状连接；所述各储能单元中设有控制器模块，控制器模块包括电流均分控制器

SOC分布式控制器

下垂系数恢复分布式控制器

下垂控制器和内环控制器；控制器模块同时作为一个网络拓扑中的节点用于与至少一个相邻配电子网中的节点进行通信，每两个通信节点构成一条边进而连通整个直流配电网，即任意两个节点之间都存在连通 路径；

所述多电压等级直流配电网的储能下垂系数分布式控制方法，具体包括以下步骤：

(1)对任意直流变压器i连接的直流母线i和直流母线j作标幺化处理，得到简化的标幺值系统；

将直流母线输出电压V_i除以其基准值V_i,base得到电压标幺值V_i,pu＝V_i/V_i,base；同理，得到输出电流I_i的标幺值为I_i,pu＝I_i/I_i,base，I_i,base为直流母线输出电流I_i的基准值；对多电压等级的直流配电网，通过该处理后得到一个标幺化电压等级的直流配电网；

(2)对于连接在直流母线i上的储能单元ESU_i：

利用电流均分控制器

计算输出电流标幺值I_i,pu与相邻节点的输出电流值I_j,pu的差值，并将差值输入比例积分控制模块中，得到下垂系数修正值δ_1,pu；

利用SOC分布式控制器

计算储能单元ESU_i的荷电状态值SOC_i,pu与相邻节点的SOC_j,pu的差值，并将差值输入比例积分控制模块中，得到下垂系数修正值δ_2,pu；

利用下垂系数恢复分布式控制器

输入储能单元ESU_i的下垂系数平均值

相邻节点的下垂系数平均值

和下垂系数额定值

计算得到节点下垂系数平均值与额定值的差值；将该差值输入比例积分控制模块中，得到下垂系数修正值δ_3,pu；

通过下式计算得到储能单元ESU_i的本地下垂系数值R_i,pu：

(3)将本地下垂系数额定值

与本地输出电流值I_i,pu相乘，计算得到电压修正值

将电压修正值

与输出电压额定值

相加，得到本地的输出电压参考值

(4)将本地下垂系数值R_i,pu和本地的输出电压参考值

用于V-I下垂控制策略，实现对储能单元ESU_i的输出电压的分布式二次控制，其计算公式如下：

所述下垂系数修正值δ_1,pu的计算方式为：

其中,

为节点i的相邻节点集合，a_ij为通信系数，如果节点i和j存在边则a_ij＝1否则其值为0；K_pc为比例控制参数，K_ic为积分控制参数，

为积分操作算子；

所述下垂系数修正值δ_2,pu的计算方式为：

其中，

为节点i的相邻节点集合，a_ij为通信系数，如果节点i和j存在边则a_ij＝1否则其值为0；K_ps为比例控制参数，K_is为积分控制参数，

为积分操作算子；

所述下垂系数修正值δ_3,pu的计算方式为：

节点下垂系数平均值

和

均由下垂系数加权平均值估计器求得，其公式如下：

其中，

为节点i的相邻节点集合，a_ij为通信系数，如果节点i和j存在边则a_ij＝1否则其值为0；c_i为调整系数，K_pr为比例控制参数，K_ir为积分控制参数；R_i,pu(t)为下垂系数标幺值，N为节点总数，

为积分操作算子。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将直流变压器i所连接直流母线的电压标幺值V_i,pu和V_j,pu作差后输入比例积分(PI)控制器将得到一个移相角，在稳态时V_i,pu＝V_j,pu恒成立，此时对于连接在直流母线#i上的储能单元ESU_i进行I_i-V_i下垂控制，对输出电压和下垂系数进行二次修正。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过选取合适的标幺值，将多个电压等级的N个配电子网等效为单一电压等级：对于标幺化后的系统，利用每个配电子网中的控制器模块与相邻节点交换如下信息：储能单元的输出电流I_i,pu、储能单元的荷电状态SOC_i,pu、下垂系数平均值

输出电压幅值参考值V_i,pu；通过分布式控制实现各配电子网中储能单元的电流按比例均分、储能单元电荷状态均衡以及储能输出电压恢复，同时消除由于电流均分和电压恢复过程中的耦合作用产生的下垂系数的波动和偏移。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直流变压器采用单相移相调制双有源桥变换器，各母线之间存在线路阻抗。

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