CN112542846B - 一种用于等效扩容的储能系统容量自适应分配控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于等效扩容的储能系统容量自适应分配控制方法，针对日渐凸显的配电网容量不足问题，提出基于挂靠配电网储能系统的控制策略，在对配电网实现扩容的同时，利用自适应分配控制策略对配电网的电能质量进行了改善。该方法克服了传统扩容方法存在的成本太高、施工难度较大、利用率低等问题，具有低成本、利用率高、体积小、易于控制等优点。该方法具有较高的工程应用价值，能带来较好的经济效益。

Description

一种用于等效扩容的储能系统容量自适应分配控制方法

技术领域

本发明属于配电网中储能系统控制技术领域，具体涉及一种用于等效扩容的储能系统容量自适应分配控制方法。

背景技术

随着现代社会的不断发展，用户的电力需求日渐增大，负载呈现明显的峰谷特性，配电网容量不足的问题日渐凸显。为了解决此问题，一般采取的方法有有改造输电线路、增大变压器容量，或通过在配电网挂靠储能系统进行扩容的方式。改造输电线路、增大变压器容量等传统扩容配电网的方法存在成本太高、施工难度较大、利用率低等问题。

发明内容

本发明针对用户用电需求日渐增长导致的传统配电网容量不足的问题，提供了一种用于等效扩容的储能系统容量自适应分配控制方法，用于实现配电网的等效扩容，即补偿有功功率、补偿负序电流、补偿无功功率的功能。

为达到上述目的，本发明所述一种用于等效扩容的储能系统容量自适应分配控制方法，包括以下步骤：

步骤1、采样配电网的负载电流i_o，并对其进行正、负序分离，分别得到负载正序分量i_op和负载负序分量i_on；

步骤2、采样储能系统输出电流i_c；

步骤3、测取配电网的电源电压相位ωt；

步骤4、利用dq变换将负载电流正序分量i_op和逆变器输出电流i_c变换到以角频率ω旋转的正序dq坐标系上，分别得到负载电流正序分量i_op变换到正序dq坐标系下的q轴分量i_{op_q}，负载电流正序分量i_op变换到正序dq坐标系下的d轴分量i_{op_d}和逆变器输出电流变换到负序dq坐标系下的q轴分量i_{cp_q}；将负载电流负序分量i_on和逆变器输出电流i_c变换到以角频率-ω旋转的负序dq坐标系上，分别得到负载电流负序分量i_on变换到负序dq坐标系下的d轴分量i_{on_d}，i_{on_q}，逆变器输出电流变换到负序dq坐标系下的d轴分量i_{cn_d}和逆变器输出电流变换到负序dq坐标系下的q轴分量i_{cn_q}；

步骤5、储能系统采用电流单环控制，分为正序环与负序环；正序环d轴电流指令值

根据配电网所需扩大的有功容量决定，反馈值为逆变器输出电流变换到正序dq坐标系下的d轴分量i_{cp_d}；正序环q轴电流指令值为负载电流正序分量i_op变换到正序dq坐标系下的q轴分量i_{op_q}，反馈值为逆变器输出电流变换到正序dq坐标系下的q轴分量i_{cp_q}；负序环d轴电流指令值为负载电流负序分量i_on变换到负序dq坐标系下的d轴分量i_{on_d}，反馈值为逆变器输出电流变换到负序dq坐标系下i_{cn_d}；负序环q轴电流指令值为负载电流负序分量i_on变换到负序dq坐标系下的q轴分量i_{on_q}，反馈值为逆变器输出电流变换到正序dq坐标系下的q轴分量i_{cn_q}；

步骤6、将采用步骤5所述的电流单环控制的储能系统并联在配电网上。

进一步的，运行时，根据实时检测到的配电网中负载电压与电流值，计算其所需储能系统补偿的有功功率P_load与无功功率Q_load，结合储能系统变流器所能提供的最大功率，按照储能系统容量自适应分配策略，计算d轴电流指令值与q轴电流指令值的校正系数，根据校正系数实时修正电流指令值。

进一步的，储能系统容量自适应分配策略中，有功功率控制的优先级为最高，其次为无功功率补偿。

进一步的，d轴电流指令值校正系数K_IP和q轴电流指令值校正系数K_IQ的计算方法如下：

当P_load≥S_PCS时，

K_IQ＝0；

当P_load＜S_PCS且

时，K_IP＝1,K_IQ＝1；

当P_load＜S_PCS且

时，K_IP＝1，

其中，P_load为负载所需补偿的有功功率；S_PCS为储能系统所能提供的最大功率。

进一步的，当配电网容量能够满足用户需求时，配电网给储能系统中的储能电池充电。

进一步的，述步骤1中，采用TTA算法对配电网的负载电流i_o进行正负序分离。

进一步的，步骤3中，利用锁相环测取配电网的电源电压相位。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明通过在配电网并联储能系统进行扩容，具有低成本、利用率高、体积小、易于控制等优点，同时还能利用其改善配电网供电质量，补偿负载带来的负序电流以及无功电流，保证配电网的电能质量。

进一步的，考虑到负载的峰谷特性，在当配电网容量能够满足用户需求时，配电网对储能电池进行充电，进一步提高了利用率。

在该发明所述的控制策略下，储能系统将发出三种电流：正序有功电流、正序无功电流以及负序电流，从而实现储能系统等效扩容配电网；采用容量自适应分配控制方法，实时调节储能系统的输出功率占比，合理分配有功功率与无功功率补偿量，可以有效改善配电网的供电质量，补偿负序电流与无功功率，实现对储能系统容量的高效利用，避了传统扩容方法高成本、施工难度大、利用率低等问题，具有较高的实用价值与经济效益。

进一步的，对实时校正电流指令值，充分利用储能系统的容量，保证优先对配电网进行扩容，在储能系统容量充足的情况下进行无功功率补偿与负序电流补偿，提高配网供电质量。

附图说明

图1为储能系统并联配电网拓扑结构图；

图2为负载电流采样值坐标变换示意图；

图3为输出电流采样值坐标变换示意图；

图4为负序环控制框图；

图5为正序环控制框图；

图6为自适应分配控制方法中工况一对应的配网母线电压电流波形、功率因数与平衡度仿真测量结果；

图7为自适应分配控制方法中工况二对应的配网母线电压电流波形、功率因数与平衡度仿真测量结果；

图8为自适应分配控制方法中工况三对应的配网母线电压电流波形、功率因数与平衡度仿真测量结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明针对随着用户用电需求日益增长配电网容量日渐不足的问题，提出了一种用于等效扩容的储能系统容量自适应分配控制方法，在解决扩容问题的同时，通过自适应分配系统容量，对配网供电质量进行改善。

在介绍具体实施步骤前，先对所用到的变量做如下诠释：

(1)i_o：配电网中的负载电流；

(2)i_c：储能系统经过滤波电路后的输出电流，储能系统输出电流；

(3)i_op：负载电流i_o经过正负序分离后的正序分量；

(4)i_on：负载电流i_o经过正负序分离后的负序分量；

(5)ωt：锁相环测得的配电网输出电压相位；

(6)i_{op_d}：负载电流正序分量i_op变换到正序dq坐标系下(以角频率ω旋转)的d轴分量；

(7)i_{op_q}：负载电流正序分量i_op变换到正序dq坐标系下(以角频率ω旋转)的q轴分量；

(8)i_{on_d}：负载电流负序分量i_on变换到负序dq坐标系下(以角频率-ω旋转)的d轴分量；

(9)i_{on_q}：负载电流负序分量i_on变换到负序dq坐标系下(以角频率-ω旋转)的q轴分量；

(10)i_{cp_d}：逆变器输出电流变换到正序dq坐标系下(以角频率ω旋转)的d轴分量；

(11)i_{cp_q}：逆变器输出电流变换到正序dq坐标系下(以角频率ω旋转)的q轴分量；

(12)i_{cn_d}：逆变器输出电流变换到负序dq坐标系下(以角频率-ω旋转)的d轴分量；

(13)i_{cn_q}：逆变器输出电流变换到负序dq坐标系下(以角频率-ω旋转)的q轴分量；

(14)P_load：负载所需补偿的有功功率；

(15)Q_load：负载所需补偿的无功功率；

(16)S_PCS：储能系统所能提供的最大功率；

(17)K_IP：d轴电流指令值校正系数；

(18)K_IQ：q轴电流指令值校正系数。

参照图1，一种用于等效扩容的储能系统容量自适应分配控制方法，具体实施步骤如下所述：

利用在配电网中并联储能系统，实现扩容配电网，同时利用容量自适应分配控制策略改善配网供电质量，储能系统的控制策略设计过程如下所述。

储能系统包括储能蓄电池、逆变器与滤波电路，其连接结构为：储能电池接逆变器直流侧，逆变器逆变侧连接滤波电路，三者共同构成一个完整的储能系统。

步骤1、采样配电网的负载电流i_o，如图1所示，由于负载时阻感性不平衡负载，所以电流中含有负序分量。TTA算法是一种广泛使用的正负序分离算法，利用该算法对负载电流i_o进行正负序分离，得到正序分量i_op和负序分量i_on。这两个量将作为储能系统电流环的给定值，使储能系统发出相同的负序电流与无功功率，从而保证配网电流i_g中只含有正序分量，同时提高配电网电源的功率因数。

步骤2、类似于步骤1，采样储能系统的输出电流i_c，利用TTA算法对其进行正负序分离，分别得到正序分量i_cp和负序分量i_cn，将i_cp和i_cn作为储能系统电流环的反馈值，利用PI控制使得储能系统输出电流能够跟随给定值。

步骤3、利用锁相环测得配电网输出电压的相位ωt，为之后的坐标变换做准备。

步骤4、如图2所示，将负载电流采样并经过TTA分离得到的正序分量i_cp进行dq变换，得到负载电流正序分量在dq坐标系下的分量i_op变换到正序dq坐标系下的d轴分量i_{op_d}，和i_op变换到正序dq坐标系下的d轴分量i_{op_d}；将负序分量i_cn行dq变换，得到负载电流正序分量在dq坐标系下的d轴分量i_{on_d}和负载电流正序分量在dq坐标系下的的q轴分量i_{on_q}。同理如图3所述，将逆变器输出电流i_c进行dq变换，得到dq坐标系下的分量i_{cp_d}、i_{cp_q}，i_{cn_d}和i_{cn_q}。其中，正序量dq变换时参考相位为ωt，而负序量dq变换时参考相位为-ωt。

步骤5、设计储能系统控制环，变流器采用电流单环控制，分为正序环与负序环，分别在正、负序dq坐标系下建立。

正序环结构框图如图5所示，d轴电流指令值i_d ^*根据配电网所需扩大的有功容量决定，反馈值为i_{cp_d}；q轴电流指令值为i_{op_q}，反馈值为i_{cp_q}。

负序环结构框图如图4所示，d轴电流指令值为i_{on_d}，反馈值为i_{cn_d}；q轴电流指令值为i_{on_q}，反馈值为i_{cn_q}。

步骤6、根据变流器功能优先级设计功率限幅控制策略。该多功能储能系统的主要功能为扩容配电网，故有功功率控制的优先级为最高，其次为无功功率补偿。储能系统容量优先分配用于扩容配电网，补偿负载所需的有功功率；多余的容量用于补偿负载所需的无功功率，以及不平衡负载产生的负序电流，提高配网的供电质量。根据实时采样的负载所需补偿的有功功率P_load与无功功率Q_load，结合储能系统最大容量S_PCS计算d轴电流指令值校正系数K_IP与q轴电流指令值校正系数K_IQ，K_IP对d轴电流流指令值和q轴电流指令值进行校正。

K_IP和K_IQ的计算方法如下：

工况一：当P_load≥S_PCS时，储能系统只提供有功功率，实现对配电网扩容，不补偿负载所需的无功功率与负序电流，此时

K_IQ＝0；

工况二：当P_load＜S_PCS且

时，储能系统提供负载所需的有功功率的同时，补偿负载所需的无功功率，包括三相负载与不平衡负载的无功功率，即进一步地对负序电流进行补偿，提高配电网的供电质量，此时K_IP＝1,K_IQ＝1；

工况三：当P_load＜S_PCS且

时，即负载所需的总功率已经超过了储能系统所能提供的最大功率，储能系统提供负载所需的有功功率后，将剩余容量用来补偿负载所需的部分无功功率与负序电流，此时K_IP＝1，

步骤7、将采用上述控制策略的储能系统并联在配电网上，实现等效扩容，同时改善配电网供电质量，补偿负载所需的负序电流与无功功率。

图6、图7和图8的仿真结果分别对应三种工况，证明了上述控制方法的准确性与可靠性。仿真设定储能系统最大容量为50kVA。

如图6，仿真模拟工况一，负载所需补偿有功功率50kW，无功功率30kVar，不平衡负载功率5kW，此时K_IP＝1，K_IQ＝0。储能系统仅补偿有功功率，对配网进行扩容。由于没有对供电质量进行改善，因此电网电流不平衡度达到了9.968％，配网输出功率因数仅0.9378，配网的电能质量受到一定程度的影响。

如图7，仿真模拟工况二，负载所需补偿有功功率为30kW，无功功率30kVar，不平衡负载功率为5kW。此时，储能系统容量充足，K_IP＝1，K_IQ＝1。在自适应分配控制策略的作用下，对有功功率、无功功率以及负序电流进行补偿，电流不平衡度降低到了0.15％，配网输出功率因数达到了0.999，储能系统在扩容配电网的同时极大地改善了配电网的供电质量。

如图8，仿真模拟工况三，负载所需补偿有功功率为35kW，无功功率40kVar，不平衡负载功率为5kW。此时，储能系统容量足够补偿所有有功功率，但无法补偿全部无功功率，K_IP＝1，

在自适应分配控制策略作用下，储能系统对无功功率与负序电流进行部分补偿，电流不平衡度为4.594％，配网输出功率因数上升到了0.9789，储能系统在扩容配电网的同时一定程度上改善了配电网的供电质量。

由上述仿真验证证明了本方法的正确性和可靠性。

下面对该发明提出的方法进行理论分析。

该方法针对的系统为一个三相配电网，在两相旋转坐标系(dq轴)下对储能系统进行控制。在进行dq变换的过程中，参考相位决定了dq坐标系将以多少角频率旋转。正序量的dq的变换以电网电压相位ωt为参考，得到的是以角频率ω旋转的dq坐标系；而负序量的dq变换则以-ωt为参考相位，得到的是以角频率-ω旋转的dq坐标系。如图2所示。在储能系统的控制环中，共有四个电流环，即正序d轴、正序q轴、负序d轴和负序q轴。一种用于等效扩容的储能系统容量自适应分配控制方法，其实现多功能的工作原理为：

1)载电流的正序d轴分量对应负载所需的有功功率，因此控制环中通过控制储能系统输出电流的d轴分量，用于控制储能系统发出有功功率，使配电网能够满足更多的用户用电需求，从而实现了配电网的等效扩容。因此d轴的指令值应根据储能电池的容量以及配网所需要扩容的容量选取。

2)负载电流的正序q轴对应负载所需的无功功率，因此控制环通过控制储能系统输出电流的q轴分量，用于控制储能系统发出负载所需的无功功率，通过补偿无功功率保证配电网本身输出功率因数接近1，改善供电质量。

3)负序d轴和q轴对应由不平衡负载引起的负序电流，因此控制环中负序d轴和q轴用于控制储能系统发出负载所需的负序电流，通过补偿负序电流保证配电网本身输出电流不含负序分量，将不平衡度控制在可接受范围内，改善供电质量。

综上所述，在该发明所述的控制策略下，储能系统将发出三种电流：正序有功电流、正序无功电流以及负序电流，从而实现储能系统等效扩容配电网，同时根据自适应容量分配，改善配电网电能质量。根据步骤6所阐述的电流指令校正系数计算方法，实时校正电流指令值，充分利用储能系统的容量，保证优先对配电网进行扩容，在储能系统容量充足的情况下进行无功功率补偿与负序电流补偿，提高配网供电质量。在该方法下，利用储能系统可以低成本、高利用率地实现配电网的扩容，同时还能够多功能地实现补偿负载无功功率与负序电流从而改善配网供电质量。该方法实用可行，具有较强的工程应用价值，能产生较好的经济效益。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于等效扩容的储能系统容量自适应分配控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采样配电网的负载电流i_o，并对其进行正、负序分离，分别得到负载正序分量i_op和负载负序分量i_on；

步骤2、采样储能系统输出电流i_c；

步骤3、测取配电网的电源电压相位ωt；

步骤4、利用dq变换将负载电流正序分量i_op和逆变器输出电流i_c变换到以角频率ω旋转的正序dq坐标系上，分别得到负载电流正序分量i_op变换到正序dq坐标系下的q轴分量i_{op_q}，负载电流正序分量i_op变换到正序dq坐标系下的d轴分量i_{op_d}和逆变器输出电流变换到负序dq坐标系下的q轴分量i_{cp_q}；将负载电流负序分量i_on和逆变器输出电流i_c变换到以角频率-ω旋转的负序dq坐标系上，分别得到负载电流负序分量i_on变换到负序dq坐标系下的d轴分量i_{on_d}，i_{on_q}，逆变器输出电流变换到负序dq坐标系下的d轴分量i_{cn_d}和逆变器输出电流变换到负序dq坐标系下的q轴分量i_{cn_q}；

步骤5、储能系统采用电流单环控制，分为正序环与负序环；正序环d轴电流指令值

根据配电网所需扩大的有功容量决定，反馈值为逆变器输出电流变换到正序dq坐标系下的d轴分量i_{cp_d}；正序环q轴电流指令值为负载电流正序分量i_op变换到正序dq坐标系下的q轴分量i_{op_q}，反馈值为逆变器输出电流变换到正序dq坐标系下的q轴分量i_{cp_q}；负序环d轴电流指令值为负载电流负序分量i_on变换到负序dq坐标系下的d轴分量i_{on_d}，反馈值为逆变器输出电流变换到负序dq坐标系下i_{cn_d}；负序环q轴电流指令值为负载电流负序分量i_on变换到负序dq坐标系下的q轴分量i_{on_q}，反馈值为逆变器输出电流变换到正序dq坐标系下的q轴分量i_{cn_q}；

步骤6、将采用步骤5所述的电流单环控制的储能系统并联在配电网上；

运行时，根据实时检测到的配电网中负载电压与电流值，计算其所需储能系统补偿的有功功率P_load与无功功率Q_load，结合储能系统变流器所能提供的最大功率，按照储能系统容量自适应分配策略，计算d轴电流指令值与q轴电流指令值的校正系数，根据校正系数实时修正电流指令值；

d轴电流指令值校正系数K_IP和q轴电流指令值校正系数K_IQ的计算方法如下：

当P_load≥S_PCS时，

K_IQ＝0；

当P_load＜S_PCS且

时，K_IP＝1,K_IQ＝1；

当P_load＜S_PCS且

时，K_IP＝1，

其中，P_load为负载所需补偿的有功功率；S_PCS为储能系统所能提供的最大功率。

2.根据权利要求1所述的一种用于等效扩容的储能系统容量自适应分配控制方法，其特征在于，所述储能系统容量自适应分配策略中，有功功率控制的优先级为最高，其次为无功功率补偿。

3.根据权利要求1所述的一种用于等效扩容的储能系统容量自适应分配控制方法，其特征在于，当配电网容量能够满足用户需求时，配电网给储能系统中的储能电池充电。

4.根据权利要求1所述的一种用于等效扩容的储能系统容量自适应分配控制方法，其特征在于，所述步骤1中，采用TTA算法对配电网的负载电流i_o进行正负序分离。

5.根据权利要求1所述的一种用于等效扩容的储能系统容量自适应分配控制方法，其特征在于，所述步骤3中，利用锁相环测取配电网的电源电压相位。

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