CN111987713A - 一种基于荷电状态均衡的直流微网改进下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于荷电状态均衡的直流微网改进下垂控制方法，通过动态下垂系数采用下垂控制方式控制直流微网中的各储能系统的输出功率；其中动态下垂系数为根据每一个储能系统的实时荷电状态参数确定的跟随其变化系数。本发明的优点在于：充分考虑储能单元充放电造成的损失，实现各储能单元按各自荷电状态进行精确的功率分配；采用根据SOC等参数变化的下垂系数来进行控制，使得控制各储能模块的功率分别更加合理适当，保持系统能力平衡。

Description

一种基于荷电状态均衡的直流微网改进下垂控制方法

技术领域

本发明涉及直流微电网技术领域，尤其是涉及一种直流微电网中储能单元基于荷电状态均衡的改进下垂控制方法。

背景技术

目前越来越多的新能源发电方式、储能装置和负载等都使用直流电，因此直流微电网得到了人们的广泛关注。直流微网中光伏作为使用最广泛的新能源发电方式，提高对光伏的综合利用与系统整体效能已经成为一种趋势。由于光伏发电输出功率具有间歇性、随机性和波动性，若仅通过调整光伏自身会降低其功率利用率，严重限制其灵活性。为了降低系统的运行成本，可再生能源作为系统中供能设备，通常都以最大功率运行。光伏发电通常都是以最大功率模式运行以满足系统需求。当直流微网中系统负载功率较小时，需要给蓄电池充电以防止母线电压过高而超过直流微网母线电压波动允许值，当系统负载增大到光伏电池不能满足其需求时则需要蓄电池对外放电以保证直流微网母线电压的相对稳定。

在实际应用中，多个储能单元均通过电力电子变换器并联在直流母线上，由于每个储能设备初始荷电状态通常是不一致的，因此储能单元之间的功率分配问题成为一个重要待解决的问题。孤立直流微网的控制模式有依靠中央控制器的集中式和无需中央控制器的分散自治式。在基于下垂特性的分散自治控制模式下，微网中的各储能单元按各自容量的大小参与负荷的功率分配，无需依靠中央控制器即可实现全系统功率平衡，具有即插即用功能。但是在传统的下垂控制中，下垂系数的恒定使得储能单元以固定的速度充放电，忽略了储能单元过度充放电造成的损失，而且也无法实现各储能单元按各自荷电状态进行精确的功率分配。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于荷电状态均衡的直流微网改进下垂控制方法，以解决现有技术中各储能单元初始荷电状态不一致，在与系统进行功率变换的过程中不能按适当比例进行功率分配，导致系统能量失衡，储能设备损坏等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于荷电状态均衡的直流微网改进下垂控制方法，包括以下内容：

(1)根据直流母线与储能单元之间采样得到的电流i_dc的状态判断储能单元处于充电或放电状态,当i_dc<0，储能单元处于充电状态，光伏电池在满足负载消耗功率下将额外的能量存储到储能单元中，下垂系数设定为

其中k_d为初始设定的下垂系数，SOC_i为储能单元i实时的荷电状态，AVE_SOC为各储能单元之间的平均荷电状态值，t与储能单元荷电状态变化调整速度有关，m为各储能单元荷电状态调节系数且为足够大的奇数；

(2)当i_dc>0时，储能单元处于放电状态，与光伏电池一起作为源为负载供电，下垂系数设定为

当i_dc＝0时，表明光伏系统输出功率刚好满足负载所需，此时储能系统退出运行；

(3)传统下垂控制遵循公式U_dci＝U_dcref-k(SOC_i)P_dci，U_dci为与储能单元i所连变换器输出电压参考值U_dci，由给定输出电压参考值U_dcref与下垂控制环节做差得到实际输出电压参考值U_dci，再与实际输出电压值U_oi做差经过电压电流双闭环得到PWM控制信号。其中U_dci为与储能单元i所连变换器输出电压参考值，由给定输出电压参考值U_dcref及其补偿组成的

与均衡储能下垂控制环节做差得到实际输出电压参考值U_dci，如图三所示P_dci为储能单元i所连接的变换器输出功率。

所述储能单元正常运行时荷电状态满足15％<SOC_i<85％，储能单元放电至荷电状态为15％或充电至85％退出运行。为了使各储能单元荷电状态更加均衡，延长蓄电池的使用寿命，通过储能单元荷电状态调节部分expθ(AVE_SOC-SOC_i)^m使荷电状态较好的承担较多的功率。改进后的下垂系数以如下形式表示:

储能单元运行状态变量θ可由下式表示：

θ＝sgn(i_dc)，其中θ＝-1表示储能单元处于充电状态，荷电值较低的吸收较多功率；θ＝1表示储能单元处于放电状态，荷电状态值较高的输出较多功率，θ＝0表示储能系统未运行。其中根据储能单元的充放电工作状态来确定储能单元状态值θ,当储能单元处于充电状态时θ为-1，为放电状态时为1；k_d为初始设定的下垂系数；SOC_i为储能单元i实时的荷电状态值；

为储能单元i荷电状态值的t次方，且t与储能单元荷电状态变化调整速度有关，t值越大，各储能单元SOC值趋于一致的速度越快，具体值按实际实验时运行时间需求设置，通常为1-8之间的常数；AVE_SOC为各储能单元之间的平均荷电状态值；m为各储能单元荷电状态调节系数，是一个定值，各储能单元取值一致，且为大于10的奇数，主要目的是从下垂系数部分便可以区分哪部分储能单元是高于平均水平的，并进行微调，使之接近AVE_SOC。

上述一种基于荷电状态均衡的直流微网改进下垂控制方法为使各储能单元按各自初始荷电状态出力,满足蓄电池功率与剩余电量的幂函数成正比，在储能单元放电时有

荷电状态值高的释放较多功率，在储能单元充电时有

荷电状态值较低的吸收较多功率。

为使储能单元荷电状态值控制系统更为精确，根据储能单元充放电状态增添了SOC控制功率部分。当蓄电池i充电时，与其连接的双向DC/DC变换器和线路阻抗均要消耗一定的功率，蓄电池实际充电功率要小于光伏电池向蓄电池i所输出的功率，所以通过补偿下垂系数略增大蓄电池i的充电功率；当蓄电池i放电时，实际向系统输出功率小于系统所需功率，通过补偿下垂系数略增加蓄电池i的输出功率。改进后的下垂控制遵循U_dci＝U_dcref-k(SOC_i)P_dci+δP_dci，其中SOC控制功率部分δP_dci可以用下式近似表示：

上述一种基于荷电状态均衡的直流微网改进下垂控制方法，对传统的下垂控制做出一些改进，可以提高初始状态不一致的储能单元功率分配精度，但是也会增大直流母线电压的跌落。为了使母线电压稳定在允许范围内，需对储能设备输出参考电压进行补偿，以满足稳定母线电压的目的，如下：

其中，k_pv和k_iv为PI控制器参数。U_oi、U_oj为n个储能单元中i、j所连接的变换器输出电压。

本发明的优点在于：充分考虑储能单元充放电造成的损失，实现各储能单元按各自荷电状态进行精确的功率分配；采用根据SOC等参数变化的下垂系数来进行控制，使得控制各储能模块的功率分别更加合理适当，保持系统能力平衡。

附图说明

下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1是本发明实例提供的一种基于荷电状态均衡的直流微网改进下垂控制方法的系统框图。

图2是本发明实例提供的一种基于荷电状态均衡的直流微网改进下垂控制方法的结构框图。

图3是本发明所描述的一种基于荷电状态均衡的改进下垂控制方法流程图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，一种基于荷电状态均衡的直流微网改进下垂控制方法的系统框图，光伏阵列构成直流微网的能源系统，并由DC/DC变换器连接到直流微网母线上；储能单元由多组蓄电池组成，并由双向DC/DC变换器接入直流微网，并共同响应储能系统的需求，出现过充或过放会自动退出运行；电阻作为直流负荷连接到直流微网上。直流微网包括分别通过变换器与直流母线连接的光伏系统、直流负载及储能系统。当直流微网中的直流微网母线电压因负载变化而发生波动时，其中各储能单元由于自身初始荷电状态的不同导致输出或吸收功率难以合理分配，出现蓄电池过充过放等问题，本发明研究了一种能根据储能单元自身的SOC函数确定下垂系数的改进下垂控制，最终实现各储能单元按适当比例输出或吸收功率，实现功率的精确分配，延长蓄电池使用寿命，并且通过补偿储能单元输出电压参考值维持直流母线电压稳定，使微网安全稳定运行。

如图2所示，一种基于荷电状态均衡的直流微网改进下垂控制方法的结构框图。根据直流母线与储能单元之间采样得到的电流i_dc的状态判断储能单元处于充电或放电状态,采集蓄电池与直流母线间的电流输入输出状态判断蓄电池处于判断储能单元处于充电或放电状态,当i_dc<0，储能单元处于充电状态，光伏电池在满足负载消耗功率下将额外的能量存储到储能单元中；当i_dc>0时，储能单元处于放电状态，与光伏电池一起作为源为负载供电；当i_dc＝0时，表明光伏系统输出功率刚好满足负载所需，此时储能系统退出运行，下垂系数设置为：

上式中，根据采样电流信号得到的i_dc状态判断储能单元状态值θ，可由下式得出：θ＝sgn(i_dc)。为了使各储能单元荷电状态更加均衡，延长蓄电池的使用寿命，通过储能单元荷电状态调节部分expθ(AVE_SOC-SOC_i)^m使荷电状态较好的承担较多的功率。当θ＝-1时，储能单元处于充电状态，如果储能单元i的荷电状态值大于平均水平AVE_SOC，通过储能单元荷电状态调节部分略微增大下垂系数以减小储能单元i的充电功率，使荷电状态高于平均水平的储能单元分担较低的充电功率，而当储能单元荷电状态低于平均水平则分担较高的充电功率；当θ＝1时，储能单元处于放电状态，通过储能单元状态调节部分使荷电状态值高于平均水平的储能单元分担较高的放电功率，而荷电状态值低于平均水平的储能单元则分担较低的放电功率。

分别介绍当纯能单元处于放电状态和充电状态下的系数为：

当i_dc<0，储能单元处于充电状态，光伏电池在满足负载消耗功率下将额外的能量存储到储能单元中，下垂系数设定为

其中k_d为初始设定的下垂系数，SOC_i为储能单元i实时的荷电状态值，

AVE_SOC为各储能单元之间的平均荷电状态值，t与储能单元荷电状态变化调整速度有关，m为各储能单元荷电状态调节系数且为足够大的奇数；

(2)当i_dc>0时，储能单元处于放电状态，与光伏电池一起作为源为负载供电，下垂系数设定为

当i_dc＝0时，表明光伏系统输出功率刚好满足负载所需，此时储能系统退出运行；

传统下垂控制遵循公式U_dci＝U_dcref-k(SOC_i)P_dci，U_dci为与储能单元i所连变换器输出电压参考值U_dci，由给定输出电压参考值U_dcref与下垂控制环节做差得到实际输出电压参考值U_dci，再与实际输出电压值U_oi做差经过电压电流双闭环得到PWM控制信号；为使各储能单元按各自初始荷电状态出力，将储能单元荷电状态值引入下垂系数，以蓄电池放电为例可得下式：

一般情况下，并联的蓄电池输出端接到公共负载上，因此变换器输出电压参考值相同，可以得出蓄电池之间的充放电功率与其荷电状态值的幂函数成正比，在储能单元处于放电模式时，各蓄电池按初始荷电状态进行放电，且荷电状态值越高，放电功率越大，其放电功率满足如下公式：

在蓄电池处于充电模式时，各蓄电池按初始状态进行充电，且荷电状态值越低，充电功率越高，其充电功率满足如下公式：

将蓄电池荷电状态值引入下垂系数满足蓄电池充放电功率与剩余电量的幂函数成正比，可以通过调节变化系数t可以调节SOC值变化快慢，有利于保持直流微网系统稳定性。

改进下垂控制的使用范围是储能单元的SOC值处于15％-85％之间，否则储能单元退出运行。当i_dc>0时，SOC_i>15％,储能单元放电，否则停止放电其退出运行；当i_dc<0时，SOC_i<85％储能单元可以进行充电，否则退出运行。其中荷电状态值由如下公式可得：

其中，C_e为储能单元容量，U_in为储能单元输出端电压，p_in为变换器输入功率。

在一个优选的实施例中，在上述引入变化的下垂系数后，进一步引入SOC功率补偿值，由于在充放电状态时与蓄电池所连接的变换器和线路阻抗均要消耗一定的功率，为使储能单元荷电状态值控制系统更为精确，根据储能单元充放电状态增添了SOC控制功率部分。当蓄电池i充电时，与其连接的双向DC/DC变换器和线路阻抗均要消耗一定的功率，蓄电池实际充电功率要小于光伏电池向蓄电池i所输出的功率，所以通过补偿下垂系数略增大蓄电池i的充电功率；当蓄电池i放电时，实际向系统输出功率小于系统所需功率，通过补偿下垂系数略增加蓄电池i的输出功率。改进后的下垂控制遵循U_dci＝U_dcref-k(SOC_i)P_dci+δP_dci，其中SOC控制功率部分δP_dci可以用下式近似表示：

也就是本申请为了补偿在充放电状态时与蓄电池所连接的变换器和线路阻抗均要消耗一定的功率，采用下垂控制方式的控制储能单元蓄电池的电压为U_dci＝U_dcref-k(SOC_i)P_dci+δP_dci，然后在次电压的基础上转换成对应的PWM信号来控制储能单元连接的变换器。

在另一个优选的实施例中，引入控制电压补偿值，由于本申请技术方案中对传统的下垂控制做出一些改进，可以提高初始状态不一致的储能单元功率分配精度，但是也会增大直流母线电压的跌落。为了使母线电压稳定在允许范围内，需对储能设备输出参考电压值进行补偿，以满足稳定母线电压的目的，在变换器i输出电压与其他变换器输出电压值做差比较后得到偏差信号，然后引入PI控制得出对直流微网母线电压的补偿值，如下：

其中，k_pv和k_iv为PI控制器参数。

引入电压补偿系数后，控制储能单元输出电压为U_dci+δU_i，同时将其转换为对应的用于进行控制PWM信号。其中U_dci可以为U_dci＝U_dcref-k(SOC_i)P_dci，此时引入了跟随电池荷电状态而变化的下垂系数，可以较为合理的分配储能单元的输出功率，使得储能单元的系统能够得到平衡同时可以直流母线电压的跌落，保持母线电压稳定在允许范围内；进一步地U_dci采用U_dci＝U_dcref-k(SOC_i)P_dci+δP_dci，此时的U_dci已经采用了SOC功率补偿值，则此时的输出控制电压不仅可以补偿在充放电状态时与蓄电池所连接的变换器和线路阻抗均要消耗一定的功率，而且能够得到平衡同时可以直流母线电压的跌落，保持母线电压稳定在允许范围内；而且还由于采用的跟随电池荷电状态而变化的下垂系数，可以较为合理的分配储能单元的输出功率。

显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于荷电状态均衡的直流微网改进下垂控制方法，其特征在于：

通过动态下垂系数采用下垂控制方式控制直流微网中的各储能系统的输出功率；其中动态下垂系数为根据每一个储能系统的实时荷电状态参数确定的跟随其变化系数。

2.如权利要求1所述的一种基于荷电状态均衡的直流微网改进下垂控制方法，其特征在于：

通过下垂系数公式计算实时荷电状态下的下垂系数，动态下垂系数公式为：

其中根据储能单元的充放电工作状态来确定储能单元状态值θ,当储能单元处于充电状态时θ为-1，为放电状态时为1；k_d为初始设定的下垂系数；SOC_i为储能单元i实时的荷电状态值；

为储能单元i荷电状态值的t次方；AVE_SOC为各储能单元之间的平均荷电状态值；m为各储能单元荷电状态调节系数。

3.如权利要求2所述的一种基于荷电状态均衡的直流微网改进下垂控制方法，其特征在于：

根据直流母线与储能单元之间采样得到的电流i_dc的状态判断储能单元处于充电或放电状态；

当i_dc<0，储能单元处于充电状态，光伏电池在满足负载消耗功率下将额外的能量存储到储能单元中，下垂系数为

(2)当i_dc>0时，储能单元处于放电状态，储能单元与光伏电池一起作为源为负载供电，下垂系数设定为

(3)当i_dc＝0时，此时光伏系统输出功率刚好满足负载所需，此时储能系统退出运行。

4.如权利要求1所述的一种基于荷电状态均衡的直流微网改进下垂控制方法，其特征在于：

下垂控制采用公式U_dci＝U_dcref-k(SOC_i)P_dci来获取控制储能单元的输出电压及其对应的PWM控制信号，其中U_dci为与储能单元i所连变换器输出电压参考值，由给定输出电压参考值U_dcref及其补偿组成的

与均衡储能下垂控制环节做差得到实际输出电压参考值U_dci，P_dci为储能单元i所连接的变换器输出功率。

5.如权利要求4所述的一种一种基于荷电状态均衡的直流微网改进下垂控制方法，其特征在于：将变换器输出电压参考值U_dci与实际输出电压值U_oi做差经过电压电流双闭环得到PWM控制信号。

6.如权利要求1-5任一所述的一种基于荷电状态均衡的直流微网改进下垂控制方法，其特征在于：

在采用动态下垂系数进行直流微网控制前，先检测储能单元的SOC值，当储能单元的SOC值处于15％-85％之间时，启动动态下垂系数进行下垂控制储能单元；否则储能控制单元退出运行。

7.如权利要求1-5任一所述的一种基于荷电状态均衡的直流微网改进下垂控制方法，其特征在于：在通过下垂系数对直流微网进行下垂控制时，引入SOC控制功率补偿值δP_dci，以U_dci+δP_dci作为目标值对储能单元的输出进行控制。

8.如权利要求1-5任一所述的一种基于荷电状态均衡的直流微网改进下垂控制方法，其特征在于：在通过下垂系数对直流微网进行下垂控制时，对储能单元输出电压参考值进行补偿，引入电压补偿值

在进行下垂控制时，对储能单元进行控制时加上电压补偿值作为最终输出控制电压，k_pv和k_iv为PI控制器参数，U_oi、U_oj为n个储能单元中i、j所连接的变换器输出电压。

9.如权利要求6所述的一种基于荷电状态均衡的直流微网改进下垂控制方法，其特征在于：

当i_dc>0时，SOC_i>15％,储能单元可以进行放电，否则停止放电并退出运行；当i_dc<0时，SOC_i<85％储能单元可以进行充电，否则退出运行。

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