CN112713605A - 一种交流微电网非等容电池储能单元soc均衡方法 - Google Patents

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Abstract

一种交流微电网非等容电池储能单元SOC均衡方法，属于微电网储能单元逆变器控制技术领域，解决传统P‑E下垂控制和SOC均衡方案无法实现低压微电网非等容电池储能单元SOC均衡并导致电能质量下降的技术问题。低压孤岛交流微电网系统内的多台非等容电池储能单元逆变器采用基于改进型P‑E下垂控制方案，能够根据多非等容电池储能单元的SOC合理调节逆变器输出的有功功率，实现多非等容电池储能单元的SOC均衡且在SOC均衡过程中电压不会发生偏移。本发明在不以牺牲电压质量为代价的前提下，实现低压微电网系统内多非等容电池储能单元的SOC均衡，无需中央控制器和复杂的通讯系统，系统成本得到降低。

Description

一种交流微电网非等容电池储能单元SOC均衡方法
技术领域
本发明属于微电网储能单元逆变器控制技术领域，具体涉及一种交流微电网非等容电池储能单元SOC均衡方法，尤其涉及一种基于改进型P-E下垂控制的交流微电网非等容电池储能单元SOC均衡方法。
背景技术
由光伏、风电等可再生能源、储能单元、电力电子变换器、负荷构成的微电网具有污染小、成本低、可再生性等优点，得到了政府和学者们广泛的关注和研究。由于光伏、风电等可再生能源输出的功率具有随机性和间歇性，微电网中一般配置多台分布式储能单元来保证微电网的可靠运行。电池储能单元具有容量大、成本低、技术成熟等优势，在微电网中得到广泛的应用，然而安装容量和老化程度的不一致造成微电网内电池储能单元容量的不相等。
当微电网的规模比较小或者微电网安装的地点处于海岛等偏远地区时，孤岛微电网的电压等级会比较低，线路阻抗呈现阻性。此时，非等容电池储能单元的逆变器常采用传统P-E下垂控制以实现微电网的自主运行。微电网线路阻抗、电池储能单元初始SOC和容量的不一致，造成非等容电池储能单元的逆变器采用传统P-E下垂控制时无法实现SOC均衡。SOC不均衡会导致电池储能单元过充或过放，缩减电池储能单元的使用寿命，引起SOC低的电池储能单元先退出系统，当剩余的电池储能单元的容量不足以支持系统时会导致整个微电网的崩溃，致使某些SOC高的电池储能单元的容量得不到充分利用，降低电池储能单元的容量利用率。因此，孤岛低压交流微电网非等容电池储能单元的SOC不均衡是亟需解决的问题。
传统的电池储能单元SOC均衡方案只考虑中/高压微电网中等容储能单元的SOC均衡问题，方案基于P-f下垂控制且在SOC均衡过程中会造成电能质量的下降，缺乏对低压微电网中非等容电池储能单元的SOC均衡问题的研究。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，解决传统P-E下垂控制和传统的SOC均衡无法实现低压微电网非等容电池储能单元SOC均衡，并导致电能质量下降的技术问题，提供一种基于改进型P-E下垂控制的交流微电网非等容电池储能单元SOC均衡方法，在不牺牲电压质量的前提下实现低压交流微电网多非等容电池储能单元SOC均衡，此外，该方案无需中央控制器和复杂的通讯，降低了系统的建设成本。
本发明通过以下技术方案予以实现。
一种交流微电网非等容电池储能单元SOC均衡方法，包括以下步骤：
S1：电池储能单元建模；
S2：对池储能单元的SOC进行估算，解析影响SOC的因素；
利用安培积分法确定SOC估算表达式如下式：
Figure BDA0002856465510000021
式(1)中：SOC0i表示各个电池储能单元的初始SOC值，Cei表示各个电池储能单元的容量，VDC表示逆变器直流侧电压，Pi表示电池储能单元逆变器输出的有功功率；
S3：传统P-E下垂控制分析，获得传统P-E下垂控制SOC均衡机理，确立下垂控制、SOC和电能质量之间的联系；
S4：改进型P-E下垂控制：将各个电池储能单元看作一个代理，各个相邻代理之间进行通讯，采用一致性算法求出各个电池储能单元的SOC平均值SOCave的表达式为：
Figure BDA0002856465510000022
式(2)中，SOCave_i为各个电池储能单元SOC的平均值，SOCi为各个电池储能单元的SOC，σ为比例因子；
由此获得改进型P-E下垂控制的表达式如下式：
E＝Eref-mP-Gp(s)(SOCave-SOC) (3)
式(3)中，Gp(s)＝kp+ki/s，kp为比例系数，ki为积分系数，SOCave为各个电池储能单元的SOC平均值；
为克服传统P-E下垂控制和SOC均衡方案的缺点，提出改进型P-E下垂控制，在不以牺牲电能质量和减少通讯的前提下，实现非等容电池储能单元的SOC均衡；
S5：仿真验证。
进一步地，所述步骤S1中，所述电池储能单元建模采用电池的Rint模型，获得用于估算池储能单元SOC的电压、电流参数。
进一步地，所述步骤S3中，采用传统P-E/Q-f下垂控制电池储能单元对应的逆变器，其表达式如下：
E＝Eref-mP (4)
f＝fref+nQ (5)
式(4)和式(5)中，E为逆变器输出电压，f为逆变器输出频率，和Eref为电压参考值，fref为频率参考值，P为逆变器输出的有功功率和Q为逆变器输出的无功功率，m和n均为下垂系数；
在低压微电网中线路阻抗为阻性，逆变器有功功率传输特性如下：
Figure BDA0002856465510000031
式(6)中，V为公共耦合点电压，Ei为第i台逆变器输出电压幅值；
将式(6)代入式(4)获得传统P-E下垂控制下有功功率传输特性为：
Figure BDA0002856465510000032
进一步地，所述步骤S5中，利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建非等容电池储能单元模型，逆变器采用步骤S3所述改进型P-E下垂控制，进行仿真验证。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.实现了低压孤岛交流微电网中非等容电池储能单元的SOC均衡，提高了电池储能单元的使用寿命；
2.在SOC均衡过程中不会引起电压偏移，在不牺牲电压质量的前提下实现非等容电池储能单元的SOC均衡；
3.不需要中央控制器和复杂的通讯系统，通讯量小，成本较低。
附图说明
图1为低压交流孤岛微电网的拓扑图；
图2为电池储能单元的Rint模型；
图3为电池储能单元的结构及通讯图；
图4为采用传统P-E下垂控制非等容电池储能单元对应的逆变器的SOC仿真波形图；
图5为采用传统P-E下垂控制非等容电池储能单元对应的逆变器的有功功率仿真波形图；
图6为采用传统P-E下垂控制非等容电池储能单元对应的逆变器的电压仿真波形图；
图7为电池储能单元对应的逆变器的整体控制框图；
图8为传统SOC均衡控制方案下的SOC仿真波形图；
图9为传统SOC均衡控制方案下的有功功率仿真波形图；
图10为传统SOC均衡控制方案下的电压仿真波形图；
图11非等容电池储能单元逆变器采用改进型P-E下垂控制方案放电过程的SOC仿真波形图；
图12非等容电池储能单元逆变器采用改进型P-E下垂控制方案放电过程的有功功率仿真波形图；
图13非等容电池储能单元逆变器采用改进型P-E下垂控制方案放电过程的电压仿真波形图。
具体实施方式
以下实例用于说明本发明，但不限制本发明的范围。若未特别指明，实施例均按照常规实验条件。另外，对于本领域技术人员而言，在不偏离本发明的实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
如图1所示，交流微电网包括光伏发电板、风力发电机、若干台非等容电池储能单元(蓄电池)、逆变器和负荷，光伏发电板通过DC/DC变换器和逆变器并网，风力发电机通过逆变器并网，若干台非等容电池储能单元分别通过阻值不同的阻性线路阻抗和逆变器并联给负荷供电；所述交流微电网与配电网断开处于孤岛运行状态，光伏发电板和风力发电机对应的逆变器采用MPPT控制方案，若干台非等容电池储能单元对应的逆变器采用以下改进型P-E下垂控制。
本实例提供的一种交流微电网非等容电池储能单元SOC均衡方法，包括以下步骤：
S1：电池储能单元建模；电池储能单元是一种非线性系统，因此首先建立电池储能单元模型以便测量估算SOC所需的参数。采用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建若干台非等容电池储能单元的仿真模型，储能单元的仿真模型采用如图2所示的Rint模型。仿真中电池储能单元的结构及通讯图如图3所示。
S2：对池储能单元的SOC进行估算，解析影响SOC的因素；SOC的估算是实现SOC均衡的前提条件，因此首先对电池储能单元的SOC进行估算；
利用安培积分法确定SOC估算表达式如下式：
Figure BDA0002856465510000041
式(1)中：SOC0i表示各个电池储能单元的初始SOC值，Cei表示各个电池储能单元的容量，VDC表示逆变器直流侧电压，Pi表示逆变器输出的有功功率；
微电网中电池储能单元的容量较大且电池储能单元的放电过程较长，在电池储能单元充、放电过程中可以认为VDC的值不变。因此，由式(1)分析可知SOC主要受SOC0i、Pi和Cei三个变量的影响。SOC0i和Cei由电池储能单元本身的特性决定。因此，通过调节电池储能单元输出的有功功率来调节其SOC。
S3：传统P-E下垂控制分析，获得传统P-E下垂控制影响SOC均衡机理，确立下垂控制、SOC和电能质量之间的联系；
采用传统P-E/Q-f下垂控制电池储能单元对应的逆变器，其表达式如下：
E＝Eref-mP (4)
f＝fref+nQ (5)
式(4)和式(5)中，E为逆变器输出电压，f为逆变器输出频率，和Eref为电压参考值，fref为频率参考值，P为逆变器输出的有功功率和Q为逆变器输出的无功功率，m和n均为下垂系数；
在低压微电网中线路阻抗为阻性，逆变器有功功率传输特性如下：
Figure BDA0002856465510000051
式(6)中，V为公共耦合点电压，Ei为第i台逆变器输出电压幅值；
将式(6)代入式(4)获得传统P-E下垂控制下有功功率传输特性为：
Figure BDA0002856465510000052
以两台逆变器为例，考虑到下垂系数m很小，那么逆变器输出有功功率之比为：
Figure BDA0002856465510000053
由式(8)可知，在采用传统下垂控制时逆变器输出有功功率和线路阻抗呈正比，当线路阻抗不同时，逆变器输出的有功功率不能均分，那么根据式(1)在采用传统P-E下垂控制时非等容电池储能单元的SOC不能均衡。同时，根据式(1)即使各个电池储能单元的初始SOC和输出的有功功率一致，若容量不一致也无法实现SOC均衡。
S4：改进型P-E下垂控制，即非等容电池储能单元的SOC均衡方案的提出；为了克服步骤S3传统P-E下垂控制不能实现非等容电池储能单元的SOC均衡的缺点，提出一种改进型P-E下垂控制的控制方案，其表达式如下式：
E＝Eref-mP-Gp(s)(SOCave-SOC) (2)
式(2)中，Gp(s)＝kp+ki/s，kp为比例系数，ki为积分系数，SOCave为各个电池储能单元的SOC平均值。
为计算式(2)中的SOCave，将各个电池储能单元看作一个代理，各个相邻代理之间按照图3方式进行通讯，采用一致性算法求出各个电池储能单元的SOC平均值SOCave的表达式为：
Figure BDA0002856465510000054
式(3)中，SOCave_i为各个电池储能单元SOC的平均值，SOCi为各个电池储能单元的SOC，σ为比例因子；
非等容电池储能单元逆变器采用所提方案的整体控制方案如图7。该方案根据各个电池储能单元的SOC值重新对电池储能单元逆变器输出的有功功率进行分配，进而实现非等容电池的SOC均衡。和传统SOC均衡方案相比，该方案的优点在于在不以牺牲电压质量的前提下实现非等容电池储能单元的SOC均衡，省去中央控制器，只需相邻代理之间进行通讯，降低通讯量和建设成本。
S5：仿真验证。利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建三台非等容电池储能单元模型，进行了传统P-E下垂控制、传统SOC均衡方案和本发明所述方案的对比，以此验证所提方案的有效性。
采用传统P-E下垂控制非等容电池储能单元对应的逆变器的仿真波形图如图4至图6所示，传统SOC均衡控制方案下的仿真波形图如图8至图10所示，图4至图6说明：当非等容电池储能单元的逆变器采用传统的P-E下垂控制时，线路阻抗的不同会导致图5中电池储能单元输出的有功功率不均分，加上电池储能单元容量和初始SOC0的不同，会导致图4中非等容电池储能单元的SOC不均衡。此外，由于传统下垂控制的下垂系数一般很小，所以，图6中电压能保持在规定的范围内(311±5％)。由于下垂控制是有差控制，因此在0.5s加重负荷后，PCC点电压超出规定的范围。图8至图10说明：传统的SOC均衡方案无法实现不同负荷下非等容电池储能单元的SOC均衡，同时会降低电压质量。
非等容电池储能单元逆变器采用改进型P-E下垂控制方案放电过程的仿真波形图如图11至图13所示，图11说明本发明能够实现不同负荷下非等容电池储能单元的SOC均衡。图12说明如果电池储能单的容量不相等，SOC均衡后电池储能单元逆变器输出的有功功率和电池储能单元的容量成正比(3:2:1)。在t＝1.5s以前，图13中VPCC未发生偏移，说明所提SOC均衡方案不会降低电压质量。当t＝1.5s负荷加重以后，只会在负荷加重的瞬间引起电压偏移。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种交流微电网非等容电池储能单元SOC均衡方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：电池储能单元建模；
S2：对池储能单元的SOC进行估算，解析影响SOC的因素；
利用安培积分法确定SOC估算表达式如下式：
Figure FDA0002856465500000011
式(1)中：SOC0i表示各个电池储能单元的初始SOC值，Cei表示各个电池储能单元的容量，VDC表示逆变器直流侧电压，Pi表示电池储能单元逆变器输出的有功功率；
S3：传统P-E下垂控制分析，获得传统P-E下垂控制调节SOC机理，确立下垂控制、SOC和电能质量之间的联系；
S4：改进型P-E下垂控制：将各个电池储能单元看作一个代理，各个相邻代理之间进行通讯，采用一致性算法求出各个电池储能单元SOC平均值SOCave的表达式为：
Figure FDA0002856465500000012
式(2)中，SOCave_i为各个电池储能单元SOC的平均值，SOCi为各个电池储能单元的SOC，σ为比例因子；
由此获得改进型P-E下垂控制的表达式如下式：
E＝Eref-mP-Gp(s)(SOCave-SOC) (3)
式(3)中，Gp(s)＝kp+ki/s，kp为比例系数，ki为积分系数，SOCave为各个电池储能单元的SOC平均值；
S5：仿真验证。
2.根据权利要求1所述的一种交流微电网非等容电池储能单元SOC均衡方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述电池储能单元建模采用电池的Rint模型，获得用于估算池储能单元SOC的电压、电流参数。
3.根据权利要求1所述的一种交流微电网非等容电池储能单元SOC均衡方法，其特征在于：所述步骤S3中，采用传统P-E/Q-f下垂控制电池储能单元对应的逆变器，其表达式如下：
E＝Eref-mP (4)
f＝fref+nQ (5)
式(4)和式(5)中，E为逆变器输出电压，f为逆变器输出频率，和Eref为电压参考值，fref为频率参考值，P为逆变器输出的有功功率和Q为逆变器输出的无功功率，m和n均为下垂系数；
在低压微电网中线路阻抗为阻性，逆变器有功功率传输特性如下：
Figure FDA0002856465500000021
式(6)中，V为公共耦合点电压，Ei为第i台逆变器输出电压幅值；
将式(6)代入式(4)获得传统P-E下垂控制下有功功率传输特性为：
Figure FDA0002856465500000022
4.根据权利要求1所述的一种交流微电网非等容电池储能单元SOC均衡方法，其特征在于：所述步骤S5中，利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建非等容电池储能单元模型，逆变器采用步骤S4所述改进型P-E下垂控制，进行仿真验证。
5.根据权利要求1所述的一种交流微电网非等容电池储能单元SOC均衡方法，其特征在于：所述交流微电网包括光伏发电板、风力发电机、若干台非等容电池储能单元、逆变器和负荷，光伏发电板通过DC/DC变换器和逆变器并网，风力发电机通过逆变器并网，若干台非等容电池储能单元分别通过阻值不同的阻性线路阻抗和逆变器并联给负荷供电；所述交流微电网与配电网断开处于孤岛运行状态，光伏发电板和风力发电机对应的逆变器采用MPPT控制方案，若干台非等容电池储能单元对应的逆变器采用步骤S4所述的改进型P-E下垂控制。
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