CN112701702A - 一种储能系统的鲁棒分布式双目标控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能系统的鲁棒分布式双目标控制方法，所述储能系统包括通讯网络、多个储能单元及电网，所述储能单元包括储能装置、逆变器及L滤波器，包括S1确立储能单元的状态空间模型；S2设计储能系统的指令发生器；S3设计储能单元的分布式指令估计器；S4计算储能单元中的局部功率参考值；S5设计储能单元的局部功率跟踪控制器。该方法可以在一定范围内抵抗系统参数的不确定性。

Description

一种储能系统的鲁棒分布式双目标控制方法

技术领域

本发明涉及电力控制系统，具体涉及一种储能系统的鲁棒分布式双目标控制方法。

背景技术

储能系统是电力系统“采-发-输-配-用-储”的重要组成部分，通过装置或物理介质将能量储存起来以便以后需要时利用。储能系统可以作为独立的系统接入电网，对电网起到削峰填谷的作用，即在微电网负荷低谷时存储多余电能，在负荷用电高峰时释放电能，作为能量缓冲环节。储能系统还可以与风力发电、光伏发电等新能源发电系统一起组成微电网系统，平滑发电侧新能源并网功率，提高能源利用效率，提升电能质量并提高供电可靠性。

储能技术按储存介质可分为机械类储能、电气类储能、电化学类储能、热储能和化学类储能。常见的储能系统有飞轮储能系统、抽蓄水储能系统、压缩空气储能系统、电池储能系统、潜热储能系统、超级电容储能系统等。大容量的储能系统通常由众多分散的小型的储能单元组成，例如大容量电池储能系统由数量众多的电池包组成。每一个储能单元通过独立的逆变器进行能量交换，且由独立的控制器实现信息传递与控制。

与传统的集中式控制不同，分布式控制不需要一个全局单点控制中心计算并传递控制信号。相反地，每个储能单元的独立控制器通过通信网络传递局部信息而实现独立控制。

储能单元经逆变器由滤波器连接至母线，再由公共连结点连接至主电网或并入微电网。在实际应用中，滤波器参数的实际值与标称值之间通常存在误差，此参数不确定性对储能单元的控制器设计有着至关重要的影响，直接影响输出功率控制的精度，甚至破坏系统的稳定性。然而现有的技术尚未考虑此问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种储能系统的鲁棒分布式双目标控制方法，本发明考虑L滤波器下含有不确定参数的储能系统的分布式双目标控制方法，即一方面储能系统的整体功率输出应该满足指定的参考功率，另一方面所有储能单元的荷能状态实现平衡。该方法可以在一定范围内抵抗系统参数的不确定性，因此称为鲁棒控制。

本发明采用如下技术方案：

一种储能系统的鲁棒分布式双目标控制方法，所述储能系统包括通讯网络、多个储能单元及电网，所述储能单元包括储能装置、逆变器及L滤波器，包括如下步骤：

S1确立储能单元的状态空间模型；

S2设计储能系统的指令发生器；

S3设计储能单元的分布式指令估计器；

S4计算储能单元中的局部功率参考值；

S5设计储能单元的局部功率跟踪控制器。

进一步，所述S1确立储能单元的状态空间模型，具体为：

在dq坐标系下，第i个储能单元的状态空间模型可写为：

其中，用ω表示电压的角频率，用R_wi＝R+ΔR_i和L_wi＝L+ΔL_i分别表示i个L滤波器中电阻、电感的真实值，R及L表示其标称值，ΔR_i及ΔL_i表示其偏差,用ω表示电压的角频率，

表示逆变器的输出电压，即储能单元的输入电压；

表示母线电压，常数，并用v_i,om表示其峰值电压。

进一步，S2设计储能系统的分布式指令发生器，具体为：

其中α＞0并且

分别表示第i个储能单元有功功率、无功功率的参考估计值，用

表示储能系统总的输出功率，其中有功功率

无功功率

用P_REF、Q_REF分别表示其参考值，P_i，Q_i表示第i个储能单元输出的有功功率和无功功率。

进一步，所述S3设计储能单元的分布式指令估计器，具体为：

其中，μ_η为分布式指令估计器增益。当第j个储能单元与第i个储能单元之间能够进行通信时，α_ij＝1，否则，α_ij＝0；当第i个储能单元与指令发生器CG之间能够进行通信时，α_i0＝1，否则，α_i0＝0。

分别表示第i个储能单元有功功率、无功功率的参考估计值。

进一步，所述S4计算储能单元中的局部功率参考值，具体为：

式中，k_x、k_ξ、k_η为局部计算单元增益。当第j个储能单元与第i个储能单元之间能够进行通信时，α_ij＝1，否则，α_ij＝0；当第i个储能单元与指令发生器CG之间能够进行通信时，α_i0＝1，否则，α_i0＝0；

x_i表示第i个储能单元的荷能状态，ξ_i表示第i个储能单元荷能状态的估计值，

分别表示第i个储能单元有功功率、无功功率的参考估计值。P_ri表示第i个储能单元的有功功率参考值，Q_ri表示第i个储能单元的无功功率参考值。

进一步，S5设计储能单元的局部功率跟踪控制器：

其中，

表示第i个储能单元实际输出功率与期望输出功率的偏差；

确定控制器参数矩阵的方式如下：

令

有

首先，根据内模原理令

其中D₀＝0，其次，通过极点配置方法取K₁、K₂使得A_c特征值均具有负实部；

其中，R_wi＝R+ΔR_i和L_wi＝L+ΔL_i分别表示i个L滤波器中电阻、电感的真实值，R及L表示其标称值，ΔR_i及ΔL_i表示其偏差。ω表示电压的角频率，

表示母线电压；

在控制器设计中，K₁为状态反馈增益，K₂为动态状态反馈增益，G₁为动态状态系统矩阵，G₂为动态状态输入矩阵。

本发明的有益效果：

本发明针对L滤波器下的储能系统，利用内模原理，设计出满足储能系统的功率跟踪及荷能平衡双目标的鲁棒分布式控制方案。在本发明中，实际元件的参数不确定性得到考虑，储能系统可在模型参数在一定范围内变化时保持其功率跟踪与荷能平衡，系统的稳定性得到了进一步增强。

附图说明

图1为本发明方法的储能系统结构图。

图2为本发明方法中储能单元的控制结构示意图。

图3为本发明方法仿真中的储能单元通信关系图。

图4(a)-图4(e)为本发明方法的第一种情况仿真结果示意图。

图5(a)是图4(a)的局部放大图。

图5(b)是图4(b)的局部放大图。

图6(a)-图6(e)为本发明方法的第二种情况仿真结果示意图。

图7(a)是图5(a)的局部放大图。

图7(b)是图5(b)的局部放大图。

图8(a)-图8(e)为本发明方法的第三种情况仿真结果示意图。

图9(a)是图6(a)的局部放大图。

图9(b)是图6(b)的局部放大图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图3所示，一种储能系统的鲁棒分布式双目标控制方法，具体是基于L滤波器下的储能系统的功率跟踪及荷能平衡双目标，在设计储能单元的控制器时，为了使储能系统安全、高效地工作，需要考虑两个基本问题：一是储能系统的整体功率输出应该满足指定的参考功率；二是需要平衡所有储能单元的荷能状态。荷能状态即储能单元中剩余能量与储能容量的比值，当荷能状态超出安全范围上下限时，储能单元将离线，使得储能系统输出功率降低。因而在满足储能单元都能够在安全荷能范围内工作的前提下，为了得到更高的输出效率，需要使系统荷能平衡来保证储能单元在线，使得系统得到最大的功率输出。同时保持储能系统的实时最大功率容量，进而更有效的完成削峰填谷、平滑输出的作用。

具体包括：

S1确立储能单元的状态空间模型；

S2设计储能系统的指令发生器；指令发生器用以设定系统参考值的初始值，使系统各单元输出之间的关系趋于期望值；分布式指令估计器用以估计指令发生器给到的参考值，通过与邻居的有功功率、无功功率参考值分别进行比较，使相邻的储能单元输出的参考值趋近指令发生器设定的参考值，进而控制不同储能单元荷能状态的平衡；功率跟踪控制器针对单个储能单元，通过功率跟踪控制器的设计使得储能单元的输出能够跟踪其输入的参考值。

S3设计储能单元的分布式指令估计器；

S4计算储能单元中的局部功率参考值；

S5设计储能单元的局部功率跟踪控制器。

所述储能系统包括通讯网络、多个储能单元及电网，所述储能单元包括储能装置、逆变器及L滤波器

进一步，S1确立储能单元的状态空间模型；用E_i，E_ci，P_i，Q_i分别表示第i个储能单元所储存的能量、储能容量及输出有功功率和无功功率。同时，用

表示第i个储能单元输出的功率。当储能单元放能时，P_i＞0；当储能单元储能时，P_i＜0。由此，所储存的能量与其输出功率有如式关系：

将等式两边同时除以E_ci，我们可以得到：

用x_i来表示该单元的荷能状态。式中，γ_i＝1/E_ci。

在dq坐标系下，第i个储能系统的状态空间模型可写为：

用R_wi＝R+ΔR_i和L_wi＝L+ΔL_i分别表示i个L滤波器中电阻、电感的真实值，R及L表示其标称值，ΔR_i及ΔL_i表示其偏差。用ω表示电压的角频率，

表示逆变器的输出电压，即储能单元的输入电压；

表示母线电压，在本发明中为常数，并用v_iom表示其峰值电压。

对于整个储能系统，用

表示总的输出功率，其中有功功率

无功功率

用P_REF、Q_REF分别表示其参考值，由更高级的系统决定。

在本发明中，需要设计控制器来实现储能系统功率跟踪和荷能平衡鲁棒分布式控制的目标，目标可以表达为：

进一步，S2设计储能系统的指令发生器CG，具体为：

其中α＞0并且

分别表示第i个储能单元有功功率、无功功率的参考估计值，用

表示储能系统总的输出功率，其中有功功率

无功功率

用P_REF、Q_REF分别表示其参考值，P_i，Q_i表示第i个储能单元输出的有功功率和无功功率。

进一步，S3设计储能单元的分布式指令估计器，具体为：

其中，μ_η为分布式指令估计器增益。当第j个储能单元与第i个储能单元之间能够进行通信时，α_ij＝1，否则，α_ij＝0；当第i个储能单元与指令发生器CG之间能够进行通信时，α_i0＝1，否则，α_i0＝0。

分别表示第i个储能单元有功功率、无功功率的参考估计值。

进一步，S4计算储能单元中的局部功率参考值，具体为：

式中，k_x、k_ξ、k_η为局部计算单元增益。当第j个储能单元与第i个储能单元之间能够进行通信时，α_ij＝1，否则，α_ij＝0；当第i个储能单元与指令发生器CG之间能够进行通信时，α_i0＝1，否则，α_i0＝0；

x_i表示第i个储能单元的荷能状态，ξ_i表示第i个储能单元荷能状态的估计值，

分别表示第i个储能单元有功功率、无功功率的参考估计值。P_ri表示第i个储能单元的有功功率参考值，Q_ri表示第i个储能单元的无功功率参考值。

进一步，S5设计储能单元的局部功率跟踪控制器，具体为：

其中，

表示第i个储能单元实际输出功率与期望输出功率的偏差；

确定控制器参数矩阵的方式如下：

令

有

首先，根据内模原理令

其中D₀＝0，其次，通过极点配置方法取K₁、K₂使得A_c特征值均具有负实部；

其中，R_wi＝R+ΔR_i和L_wi＝L+ΔL_i分别表示i个L滤波器中电阻、电感的真实值，R及L表示其标称值，ΔR_i及ΔL_i表示其偏差。ω表示电压的角频率，

表示母线电压；

在控制器设计中，K₁为状态反馈增益，K₂为动态状态反馈增益，G₁为动态状态系统矩阵，G₂为动态状态输入矩阵。

本发明在对基于L滤波器下的储能系统进行研究时，以L滤波器作为系统模型，利用系统鲁棒性，实现储能系统的功率跟踪及荷能平衡双目标控制。在本发明中，系统模型得到考虑，实际元件对应的不确定性同时得到考虑，使得储能系统在模型参数在一定范围内变化时能够保持其功率跟踪与荷能平衡的状态，获得较高的稳定性。

本发明第一种情况的实施例的仿真结果如图4(a)-图4(e)所示。在此情况中，考虑储能系统功率参考值为恒值，各单元正常工作。各参数如下取得：

对于指令发生器,取α＝0.001。

对储能单元控制器各个增益，取μ_η＝100，k_x＝0.6*10⁵，k_ξ＝30，k_η＝1，指令发生器与控制器初值

ξ_i(0)＝0，η_i(0)＝0，储能系统功率参考值P_REF＝12kw，Q_REF＝0，荷能状态初值x_i(0)＝0.9-0.01*(i-1)，储能单元容量E_ci＝20-0.1*(i-1)kwh。

对L滤波器，对标称值为1Ω的电阻器取R_i＝0.8+0.1*(i-1)Ω，对标称值为0.1mH的电感器取L_i＝1.2+0.1*(i-1)mH，取电路参数ω＝2πf，f＝50Hz，φ＝0，v_i，om＝310V，输出功率初值P_i(0)＝2.2-0.2*(i-1)kw，Q_i(0)＝4.5+0.5*(i-1)kw。

通过极点配置，取

本发明第二种情况的实施例的仿真结果如图6(a)-图6(e)所示。在此情况中，考虑在工作一段时间后储能系统功率参考值发生改变，各单元正常工作。

各参数如下取得：

对于指令发生器,取α＝0.001。

对储能单元控制器各个增益，取μ_η＝100，k_x＝0.6*10⁵，k_ξ＝30，k_η＝1，指令发生器与控制器初值

ξ_i(0)＝0，η_i(0)＝0，荷能状态初值x_i(0)＝0.9-0.01*(i-1)，储能单元容量E_ci＝20-0.1*(i-1)kwh。储能系统功率参考值设置如下：

当0<t<4h时，P_REF＝12kw，Q_REF＝0。

当t>4h时，P_REF＝-12kw，Q_REF＝0。

对L滤波器，对标称值为1Ω的电阻器取R_i＝0.8+0.1*(i-1)Ω，对标称值为0.1mH的电感器取L_i＝1.2+0.1*(i-1)mH，取电路参数ω＝2πf，f＝50Hz，φ＝0，v_i,om＝310V，输出功率初值P_i(0)＝2.2-0.2*(i-1)kw，Q_i(0)＝4.5+0.5*(i-1)kw。

通过极点配置，取

本发明第三种情况的实施例的仿真结果如图8(a)-图8(e)所示。在此情况中，考虑储能系统功率参考值为恒值，各参数设置同第一种情况。但在工作2h后，第4个储能单元掉线，与第3个、第5个储能单元断开连接。

图3为储能单元的通信关系图，1、2、3、4、5及6分别代表通讯网络中的六个储能单元。

图4(a)-图4(e)、图5(a)、图5(b)中，包括荷能状态图、输出有功功率图、输出无功功率图、有功功率与参考的偏差及无功功率与参考的偏差。每个储能单元的荷能状态相差接近于0，可见实现了荷能平衡目标。同时，由有功功率误差及无功功率误差可见，系统同时实现了功率跟踪，并且各单元输出有功功率与无功功率最终趋于平衡。

在图6(a)-图6(e)、图7(a)、图7(b)中，参考功率在第四个小时发生改变，各单元荷能状态仍然保持平衡，在短时间的自调整后，输出功率达到新的平衡并且继续保持对参考功率的跟踪。

在图8(a)-图8(e)中、图9(a)及图9(b)中，第四个储能单元在第二个小时掉线，其荷能状态不再改变，输出功率为0。此时，其余五个储能单元荷能状态保持平衡，在短时间的自调整后，输出功率达到新的平衡并且继续保持对参考功率的跟踪。

可见，储能系统能够实现良好的自我调节，在功率发生变化或某一储能单元掉线后，系统的荷能平衡和功率跟踪的双目标仍然能够得到实现。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种储能系统的鲁棒分布式双目标控制方法，其特征在于，所述储能系统包括通讯网络、多个储能单元及电网，所述储能单元包括储能装置、逆变器及L滤波器，包括如下步骤：

S1确立储能单元的状态空间模型；

S2设计储能系统的指令发生器；

S3设计储能单元的分布式指令估计器；

S4计算储能单元中的局部功率参考值；

S5设计储能单元的局部功率跟踪控制器。

2.根据权利要求1所述的鲁棒分布式双目标控制方法，其特征在于，所述S1确立储能单元的状态空间模型，具体为：

在dq坐标系下，第i个储能单元的状态空间模型可写为：

其中，用ω表示电压的角频率，用R_wi＝R+ΔR_i和L_wi＝L+ΔL_i分别表示i个L滤波器中电阻、电感的真实值，R及L表示其标称值，ΔR_i及ΔL_i表示其偏差，用ω表示电压的角频率，

表示逆变器的输出电压，即储能单元的输入电压；

表示母线电压，常数，并用v_i，om表示其峰值电压。

3.根据权利要求1所述的鲁棒分布式双目标控制方法，其特征在于，S2设计储能系统的分布式指令发生器，具体为：

其中α＞0并且

分别表示第i个储能单元有功功率、无功功率的参考估计值，用

表示储能系统总的输出功率，其中有功功率

无功功率

用P_REF、Q_REF分别表示其参考值，P_i，Q_i表示第i个储能单元输出的有功功率和无功功率。

4.根据权利要求1所述的鲁棒分布式双目标控制方法，其特征在于，所述S3设计储能单元的分布式指令估计器，具体为：

其中，μ_η为分布式指令估计器增益，当第j个储能单元与第i个储能单元之间能够进行通信时，α_ij＝1，否则，α_ij＝0；当第i个储能单元与指令发生器CG之间能够进行通信时，α_i0＝1，否则，α_i0＝0，

分别表示第i个储能单元有功功率、无功功率的参考估计值。

5.根据权利要求1所述的鲁棒分布式双目标控制方法，其特征在于，所述S4计算储能单元中的局部功率参考值，具体为：

式中，k_x、k_ξ、k_η为局部计算单元增益，当第j个储能单元与第i个储能单元之间能够进行通信时，α_ij＝1，否则，α_ij＝0；当第i个储能单元与指令发生器CG之间能够进行通信时，α_i0＝1，否则，α_i0＝0；

x_i表示第i个储能单元的荷能状态，ξ_i表示第i个储能单元荷能状态的估计值，

分别表示第i个储能单元有功功率、无功功率的参考估计值，P_ri表示第i个储能单元的有功功率参考值，Q_ri表示第i个储能单元的无功功率参考值。

6.根据权利要求1所述的鲁棒分布式双目标控制方法，其特征在于，S5设计储能单元的局部功率跟踪控制器：

其中，

表示第i个储能单元实际输出功率与期望输出功率的偏差；

确定控制器参数矩阵的方式如下：

令

有

首先，根据内模原理令

其中D₀＝0，其次，通过极点配置方法取K₁、K₂使得A_c特征值均具有负实部；

其中，R_wi＝R+ΔR_i和L_wi＝L+ΔL_i分别表示i个L滤波器中电阻、电感的真实值，R及L表示其标称值，ΔR_i及ΔL_i表示其偏差，ω表示电压的角频率，

表示母线电压；

在控制器设计中，K₁为状态反馈增益，K₂为动态状态反馈增益，G₁为动态状态系统矩阵，G₂为动态状态输入矩阵。

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