CN112104024A

CN112104024A - 储能变换器自适应下垂控制方法及其控制系统

Info

Publication number: CN112104024A
Application number: CN202010920903.7A
Authority: CN
Inventors: 张凯涛; 高钢
Original assignee: East Group Co Ltd
Current assignee: East Group Co Ltd
Priority date: 2020-09-04
Filing date: 2020-09-04
Publication date: 2020-12-18

Abstract

本发明涉及微电网技术领域，公开了一种储能变换器自适应下垂控制方法及其控制系统。本发明通过对连接至各储能变换器中的各电池组的荷电状态信息进行采集，根据不同电池组的不同荷电状态信息设计不同的下垂系数。根据所述下垂系数控制所述储能变换器合理分配各电池组的充放电功率，防止电池组出现过充或过放的现象。本发明以均衡各电池组的荷电状态为目标，根据不同储能变换器不同的荷电状态自动改变下垂系数，从而根据所述下垂系数合理分配各电池组的充放电功率，避免各电池组出现过充过放现象。本发明提供的所述储能变换器自适应下垂控制方法的控制策略简单，应用于梯次利用的电池系统中时可以提高系统的稳定运行和节约电池寿命。

Description

储能变换器自适应下垂控制方法及其控制系统

技术领域

本发明涉及微电网技术领域，特别是涉及一种储能变换器自适应下垂控制方法及其控制系统。

背景技术

在微电网中储能是必不可少的部分，为满足微电网的运行要求有时会有多个储能单元并联在直流母线上或多个并联的储能模块低压侧接入不同的电池组。在多个并联的储能模块接入不同电池组时，若多个模块同时维持直流母线电压，则会出现模块间不均流或环流问题，影响系统的稳定运行。现有技术中储能模块通常采用下垂控制的方法来避免出现模块间不均流或环流问题，模块根据固定的下垂系数自动分配充放电功率，且系统响应速度较快不会出现总线拥堵的情况。但随着近期梯次利用电池概念的普及越来越多的储能系统采用梯次利用的电池，这些电池的荷电能力以及健康状态均有很大的差别，长期运行在固定的下垂控制会造成个别电池组出现过充过放情况，严重时可能会引起电池组报废。

发明内容

基于此，有必要针对各电池间的荷电能力以及健康状态差别大，长期运行在固定的下垂控制会造成个别电池组过充过放情况的问题，提供一种储能变换器自适应下垂控制方法及其控制系统。

一种储能变换器自适应下垂控制方法，获取各储能变换器中电池组的荷电状态信息；根据所述荷电状态信息获取各储能变换器的下垂系数；根据所述下垂系数控制调整各所述储能变换器的充放电功率。

上述储能变换器自适应下垂控制方法，通过获取各储能变换器中各组电池组的荷电状态信息，分别针对各所述储能变换器不同的荷电状态获取不同的下垂系数，所述储能变换器根据其对应的下垂系数调整充放电功率。本发明以均衡各电池组的荷电状态(Stateof Charge，SOC)为目标，根据不同电池组的不同荷电状态信息自动改变下垂系数，从而根据所述下垂系数合理分配各电池组的充放电功率，避免各电池组出现过充过放现象。

在其中一个实施例中，当所述储能变换器处于充电状态时，所述荷电状态信息与所述下垂系数呈正相关的关系；当所述储能变换器处于放电状态时，所述荷电状态信息与所述下垂系数呈负相关的关系。

在其中一个实施例中，根据所述荷电状态信息和下垂系数计算公式获取各储能变换器的下垂系数，所述下垂系数计算公式为：

其中，k_Droop,i为第i个所述储能变换器的下垂系数，i为大于零的整数；n为所述储能变换器的台数，亦对应电池的组数；SOC_i为第i个所述储能变换器所对应的电池组的荷电状态信息；k为常数。

在其中一个实施例中，当所述储能变换器处于充电状态和放电状态时，所述下垂系数与所述储能变换器的充电功和放电功率均呈负相关的关系。

在其中一个实施例中，根据所述下垂系数和下垂控制计算公式获取各储能变换器的母线电压参考值，所述下垂控制计算公式为：

V_BusRef＝V_BusO-|I_Out,i|·k_Droop,i；

其中，V_BusRef为第i个所述储能变换器的母线电压参考值；V_BusO为母线电压空载电压值；I_Out,i为第i个所述储能变换器的输出电流；k_Droop,i为第i个所述储能变换器的下垂系数。

在其中一个实施例中，通过CAN总线将各所述储能变换器的下垂系数传输至各所述储能变换器。

在其中一个实施例中，每隔预设时间后对所述下垂系数进行更新；所述预设时间不小于20ms。

一种储能变换器自适应下垂控制系统包括多个储能变换器，用于维持直流母线电压；检测单元，与所述储能变换器相连接，用于检测获取各储能变换器中各电池组的荷电状态信息；处理单元，与所述检测单元相连接，用于根据所述荷电状态信息获取各储能变换器的下垂系数；控制单元，与所述处理单元相连接，用于根据所述下垂系数控制调整各所述储能变换器的充放电功率。

在其中一个实施例中，所述储能变换器自适应下垂控制系统还包括通信单元，所述检测单元和所述控制单元分别通过所述通信单元与所述处理单元相连接。

在其中一个实施例中，所述通信单元包括CAN总线。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明其中一实施例的储能变换器自适应下垂控制方法的方法流程图；

图2为本发明其中一实施例的基于SOC均衡的自适应下垂控制框图；

图3为本发明其中一实施例的储能变换器自适应下垂控制系统的结构框图；

图4为本发明其中一实施例的光储微电网系统的结构框图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的优选实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反的，提供这些实施方式的目的是为了对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、“周向”以及类似的表述是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在多个并联的储能模块接入不同电池组时，若多个储能模块同时维持直流母线电压，则会出现模块间不均流或环流问题，影响系统的稳定运行。对模块采用下垂控制可以避免模块间的不均流或环流问题，储能模块根据固定的下垂系数自动分配充放电功率。随着越来越多的储能系统采用梯次利用的电池，这些电池的荷电能力以及健康状态均有很大的差别，长期运行在固定的下垂系数的控制下会造成个别电池组出现过充或过放的情况，严重时可能会引起电池组报废。

因此，在储能模块接入不同的梯次利用电池组时，为避免储能模块间的不均流或环流问题，需要一种自适应的下垂控制方法，避免出现模块间不均流或环流的同时避免电池组出现过充或过放的现象。图1为本发明其中一实施例的储能变换器自适应下垂控制方法的方法流程图，在其中一个实施例中，所述储能变换器自适应下垂控制方法包括如下步骤S100至S300。

S100：获取各储能变换器中各电池组的荷电状态信息。

S200：根据所述荷电状态信息获取各储能变换器的下垂系数。

S300：根据所述下垂系数控制调整各所述储能变换器的充放电功率。

本发明通过对连接至各储能变换器中的各电池组的荷电状态信息进行采集，根据不同电池组的不同荷电状态信息设计不同的下垂系数。根据所述下垂系数控制所述储能变换器合理分配各电池组的充放电功率，防止电池组出现过充或过放的现象。本发明以均衡各电池组的荷电状态信息SOC(State of Charge)为目标，根据不同电池组的不同荷电状态信息自动改变下垂系数，从而根据所述下垂系数合理分配各电池组的充放电功率，避免各电池组出现过充过放现象。本发明提供的所述储能变换器自适应下垂控制方法的控制策略简单，易于在工程上实现，应用于梯次利用的电池系统中时可以提高系统的稳定运行和节约电池寿命，具有很大的实用价值。

应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在其中一个实施例中，当所述储能变换器处于充电状态时，所述荷电状态信息SOC与所述下垂系数呈正相关的关系；当所述储能变换器处于放电状态时，所述荷电状态信息SOC与所述下垂系数呈负相关的关系。由于所述储能变换器在系统中用于维持直流母线上的电压，通过分别工作在充放电状态时对母线上的冗余功率进行吸收或者对母线上的缺额功率进行补充，可见所述储能变换器具有充电和放电两种不同的工作状态。

荷电状态SOC也叫剩余电量，代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示。其取值范围为0～1，当SOC＝0时表示电池放电完全，当SOC＝1时表示电池完全充满。当所述储能变换器处于充电状态时，所述荷电状态信息SOC的值越大，表明连接至该所述储能变换器的电池组中已充功率较大，若充电功率仍然处于较大状态时会导致电池组过冲，因此需要所述储能变换器的下垂系数増大，从而控制所述储能变换器的充电功率减小；所述荷电状态信息SOC的值越小，表明所述储能变换器的电池组中已充容量较小，需要增大充电功率对其进行充电，因此需要所述储能变换器的下垂系数减小，从而控制所述储能变换器的充电功増大。当系统中的所述储能变换器处于充电状态时，使所述荷电状态信息SOC与所述下垂系数呈正相关的关系，可以防止所述储能变换器中的各电池组出现过充的情况。

当所述储能变换器处于放电状态时，所述荷电状态信息SOC的值越大，表明连接至该所述储能变换器的电池组中充电容量较大，可以输出较大的放电功率，因此使所述储能变换器的下垂系数减小，控制所述储能变换器的放电功率増大；所述荷电状态信息SOC的值越小，表明连接至该所述储能变换器的电池组中的容量较小，因此需要使所述储能变换器的下垂系数増大，控制所述储能变换器的放电功率减小。当系统中的所述储能变换器处于放电状态时，使所述荷电状态信息SOC与所述下垂系数呈负相关的关系，可以防止所述储能变换器中的各电池组出现过放的情况。

将所述荷电状态信息SOC代入上述公式来计算各所述储能变换器的下垂系数，可以保证根据各储能变换器中电池组的荷电状态信息自动改变所述储能变换器的下垂系数。在充电状态时，所述荷电状态信息SOC的值越大时，下垂系数k_Droop,i也越大；所述荷电状态信息SOC的值越小时，下垂系数k_Droop,i也越小。在放电状态时，所述荷电状态信息SOC的值越大时，下垂系数k_Droop,i越小；所述荷电状态信息SOC的值越小时，下垂系数k_Droop,i越大。

在其中一个实施例中，当所述储能变换器处于充电状态和放电状态时，所述下垂系数与所述储能变换器的充电功和放电功率均呈负相关的关系。所述下垂系数对于所述储能变换器进行下垂控制时，当所述储能变换器的下垂系数越大时，所述储能变换器的充放电功率越小；当所述储能变换器的下垂系数越小时，所述储能变换器的充放电功率越大。

因此，当所述储能变换器处于充电状态时，所述荷电状态信息SOC的值越大，所述储能变换器的下垂系数増大时，可以控制所述储能变换器的充电功率减小；所述荷电状态信息SOC的值越小，所述储能变换器的下垂系数减小时，可以控制所述储能变换器的充电功増大。同样地，当所述储能变换器处于放电状态时，所述荷电状态信息SOC的值越大，所述储能变换器的下垂系数减小时，可以控制所述储能变换器的放电功率増大；所述荷电状态信息SOC的值越小，所述储能变换器的下垂系数増大时，可以控制所述储能变换器的放电功率减小。

在其中一个实施例汇总，根据所述下垂系数和下垂控制计算公式获取各储能变换器的母线电压参考值，所述下垂控制计算公式为：

V_BusRef＝V_BusO-|I_Out,i|·k_Droop,i；

其中，V_BusRef为第i个所述储能变换器的母线电压参考值；V_BusO为母线电压空载电压值；I_Out,i为第i个所述储能变换器的输出电流；k_Droop,i为第i个所述储能变换器的下垂系数。图2为本发明其中一实施例的基于SOC均衡的自适应下垂控制框图，将根据上述步骤中计算所得的下垂系数代入所述下垂控制计算公式中，所述储能变换器即可根据其下垂系数相应地调整其母线电压参考值。当所述下垂系数增大时，所述母线电压参考值减小，由于所述储能变换器是用于维持直流母线电压的，因此当所述母线电压参考值减小后，所述储能变换器的充放电功率也会相应减小。同样地，当所述下垂系数减小时，所述母线电压参考值增大；当所述母线电压参考值增大时，用于维持母线电压的所述储能变换器的充放电功率也会相应增大。使用本发明提供的所述储能变换器自适应下垂控制方法对系统的下垂系统进行自适应调整，长期运行后系统内各电池组的所述荷电状态信息SOC将逐渐处于均衡的状态。

在其中一个实施例中，通过CAN总线将各所述储能变换器的下垂系数传输至各所述储能变换器。CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，具有网络各节点之间的数据通信实时性强的优点，因此使用CAN总线对各所述储能变换器的下垂系数进行传输，可以保证数据传输的实时性和可靠性。

在其中一个实施例中，每隔预设时间后对所述下垂系数进行更新；所述预设时间不小于20ms。每隔预设时间后对所述下垂系数进行更新，可以保证根据所述储能变换器实时的荷电状态信息SOC完成下垂系数的自动更新。同时，使所述预设时间不小于20ms可以保证在模块较多时不会因为过于频繁的更新导致总线出现拥堵的情况。

本发明还提供了一种储能变换器自适应下垂控制系统，图3为本发明其中一实施例的储能变换器自适应下垂控制系统的结构框图，在其中一个实施例中，所述储能变换器自适应下垂控制系统包括多个储能变换器100、多个检测单元200、处理单元300和多个控制单元400。所述储能变换器100，用于维持直流母线电压。多个所述检测单元200，分别与多个所述储能变换器100对应连接，用于检测获取各储能变换器100中各电池组的荷电状态信息。所述处理单元300，与多个所述检测单元200相连接，用于根据所述荷电状态信息获取各储能变换器100的下垂系数。多个所述控制单元400，与所述处理单元300相连接并分别与多个所述储能变换器100对应连接，用于根据所述下垂系数控制调整各所述储能变换器100的充放电功率。

在所述储能变换器自适应下垂控制系统中，多个所述储能变换器100用于对直流母线上的电压进行维持，使其维持在母线电压参考值。所述检测单元200的数量与所述储能变换器100的数量相同，一个所述检测单元200与一个所述储能变换器100对应连接，并对连接至该所述储能变换器100中的各电池组的荷电状态信息SOC进行检测采集。各所述检测单元200将其采集到的各电池组的荷电状态信息SOC传输至所述处理单元300。所述处理单元300根据所述荷电状态信息SOC计算获取各所述储能变换器100的下垂系数。所述系统中还包括多个所述控制单元400，所述控制单元400的数量与所述储能变换器100的数量相同，一个所述控制单元400对应与一个所述储能变换器100相连接。各所述控制单元400还与所述处理单元300相连接，所述处理单元300将计算所得的各所述储能变换器100的下垂系数分别对应传输至与该所述储能变换器100相连接的所述控制单元400上，使所述控制单元400根据所述下垂系数对所述储能变换器100的充放电功率进行调整。

根据所述荷电状态信息SOC计算获取下垂系数时，将所述荷电状态信息SOC代入所述下垂系数计算公式中计算下垂系数。所述下垂系数计算公式为：

计算获取所述下垂系数后，代入下垂控制计算公式中，获取各储能变换器的母线电压参考值，所述下垂控制计算公式为：

V_BusRef＝V_BusO-|I_Out,i|·k_Droop,i；其中，V_BusRef为第i个所述储能变换器的母线电压参考值；V_BusO为母线电压空载电压值；I_Out,i为第i个所述储能变换器的输出电流；k_Droop,i为第i个所述储能变换器的下垂系数。本发明通过上述两个公式来对所述储能变换器的下垂控制进行自动调整，公式可以保证所述储能变换器在充电状态时，所述荷电状态信息SOC值大的电池组下垂系数大，从而使该所述储能变换器的充电功率小；所述荷电状态信息SOC值小的电池组下垂系数小，从而使该所述储能变换器的充电功率大。在放电状态时，所述荷电状态信息SOC值大的电池组下垂系数小，从而使该所述储能变换器的放电功率大；所述荷电状态信息SOC值小的电池组下垂系数大，从而使该所述储能变换器的放电功率小。本发明在传统下垂控制的基础上将原本固定的下垂系数用关于SOC的数学模型代替，根据各个电池组的SOC状态实时计算下垂系数，控制策略简单、易于在工程上实现。将所述储能变换器自适应下垂控制系统应用于梯次利用的电池系统中，可以提高电池系统的运行稳定性和节约电池寿命，具有很大的实用价值。

图4为本发明其中一实施例的光储微电网系统的结构框图。在本实施例中，将所述储能变换器自适应下垂控制系统应用于光储微电网系统中，其中，所述储能变换器100在所述光储微电网系统中为储能单元，所述检测单元200在所述光储微电网系统中为BMS(Battery Management System，电池管理系统)，所述处理单元在所述光储微电网系统中为系统控制层。在所述光储微电网系统中利用光伏单元向直流母线输出光电功率。n个储能单元分别与n个控制单元连接至所述直流母线上，用于将所述直流母线上的电压维持在固定数值范围内。n个储能单元分别与n个BMS相连接，BMS对所述储能单元中的各电池组的荷电状态信息SOC进行检测并传输至所述系统控制层。所述系统控制层根据各电池组的荷电状态信息SOC计算获取各所述储能单元的下垂系数k_Droop,i，并通过CAN总线传输将各所述储能单元的下垂系数k_Droop,i分别传输至各控制单元。所述控制单元根据所述下垂系数k_Droop,i对所述储能单元的充放电功率进行调整。长期运行后所述光储微电网系统内的各电池组SOC将处于均衡的状态。

在其中一个实施例中，所述储能变换器自适应下垂控制系统还包括通信单元(图中未示)，所述检测单元200和所述控制单元400分别通过所述通信单元与所述处理单元300相连接。各所述检测单元200分别相应检测获取的各电池组的荷电状态信息SOC通过所述通信单元传输至所述处理单元300。所述处理单元300根据各电池组的荷电状态信息SOC计算各所述储能变换器100的下垂系数后，将各所述储能变换器100的下垂系数通过所述通信单元分别传输至与相应所述储能变换器100连接的所述控制单元400，使所述控制单元400根据所述下垂系数对所述储能变换器100的充放电功率进行调整。

在其中一个实施例中，所述通信单元包括CAN总线，通过CAN总线连接所述检测单元和所述处理单元并连接所述所述控制单元和所述处理单元。由于CAN总线具有网络各节点之间的数据通信实时性强的优点，因此使用CAN总线作为所述通信单元完成系统中各单元间的数据传输，可以保证数据传输的实时性和可靠性。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种储能变换器自适应下垂控制方法，其特征在于，包括：

获取各储能变换器中各电池组的荷电状态信息；

根据所述荷电状态信息获取各储能变换器的下垂系数；

根据所述下垂系数控制调整各所述储能变换器的充放电功率。

2.根据权利要求1所述的储能变换器自适应下垂控制方法，其特征在于，当所述储能变换器处于充电状态时，所述荷电状态信息与所述下垂系数呈正相关的关系；当所述储能变换器处于放电状态时，所述荷电状态信息与所述下垂系数呈负相关的关系。

3.根据权利要求2所述的储能变换器自适应下垂控制方法，其特征在于，根据所述荷电状态信息和下垂系数计算公式获取各储能变换器的下垂系数，所述下垂系数计算公式为：

4.根据权利要求1所述的储能变换器自适应下垂控制方法，其特征在于，当所述储能变换器处于充电状态和放电状态时，所述下垂系数与所述储能变换器的充电功和放电功率均呈负相关的关系。

5.根据权利要求4所述的储能变换器自适应下垂控制方法，其特征在于，根据所述下垂系数和下垂控制计算公式获取各储能变换器的母线电压参考值，所述下垂控制计算公式为：

V_BusRef＝V_BusO-|I_Out,i|·k_Droop,i；

6.根据权利要求1所述的储能变换器自适应下垂控制方法，其特征在于，通过CAN总线将各所述储能变换器的下垂系数传输至各所述储能变换器。

7.根据权利要求1所述的储能变换器自适应下垂控制方法，其特征在于，每隔预设时间后对所述下垂系数进行更新；所述预设时间不小于20ms。

8.一种储能变换器自适应下垂控制系统，其特征在于，包括：

多个储能变换器，用于维持直流母线电压；

多个检测单元，分别与多个所述储能变换器对应连接，用于检测获取各储能变换器中各电池组的荷电状态信息；

处理单元，与多个所述检测单元相连接，用于根据所述荷电状态信息获取各储能变换器的下垂系数；

多个控制单元，与所述处理单元相连接并分别与多个所述储能变换器对应连接，用于根据所述下垂系数控制调整各所述储能变换器的充放电功率。

9.根据权利要求8所述的储能变换器自适应下垂控制系统，其特征在于，所述储能变换器自适应下垂控制系统还包括：

通信单元，所述检测单元和所述控制单元分别通过所述通信单元与所述处理单元相连接。

10.根据权利要求9所述的储能变换器自适应下垂控制系统，其特征在于，所述通信单元包括CAN总线。