CN113394804B - 直流微电网储能系统的soc均衡和功率均分控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法，包括：步骤1，通过低带宽通信实时获取第一电池和第二电池的荷电状态值；步骤2，计算第一电池和第二电池的荷电状态值的平均值；步骤3，将第一电池的荷电状态值或第二电池的荷电状态值与所述平均值作差值后输入第一PI控制器，第一PI控制器输出调节量。本发明有效避免了下垂系数带来的母线电压跌落，采用低带宽通信，计算不同储能单元的SOC的平均值，采用SOC均值PI闭环控制，将调节量作用到变换器输出电压参考值上，实现各储能单元SOC均衡，在各组储能单元容量相同情况下，实现功率均分。

Description

直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法
技术领域
本发明涉及直流微电网运行与控制技术领域，特别涉及一种直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法。
背景技术
随着全球范围内的能源问题和环境问题的日益加剧，微电网受到各国学者广泛的关注。直流微电网不需要考虑无功功率、谐波电流等交流微电网中存在的问题，所以有关直流微电网方面的研究逐渐增加。电动汽车、计算机等直流设备的不断增多是未来智能电网发展的趋势。分布式能源发电受到地域等因素影响，导致新能源发电存在随机性、间歇性及波动性，直接接入微电网系统会使电网的稳定性受到挑战。储能单元采用有效的控制方法提高系统的整体惯性，减轻新能源发电波动造成的影响，从而维持系统的功率平衡，提升微电网运行可靠性和稳定性。因此，储能单元成为微电网不可缺少的重要组成部分。
当多组储能单元并联使用时，荷电状态不同将会导致部分储能单元过度放电或深度充电，缩短储能单元使用寿命，为避免损坏，延长储能系统的使用寿命，需使能量在各分布式储能单元之间均衡分布。文献：X.Lu,K.Sun,J.M.Guerrero,J.C.Vasquez,andL.Huang,“Double quadrant state-of-charge-based droop control method fordistributed energy storage systems in autonomous DC microgrids,”IEEETrans.Smart Grid,vol.6,no.1,pp.147–157,Jan.2015中提出传统下垂控制中的下垂系数与其SOC的n次幂成反比，通过改变SOC的幂指数n来调节均衡速度，实现各组储能单元SOC均衡和功率均分，忽略线路阻抗影响，并且放电一段时间后，SOC较低时，下垂系数显著增大，导致母线电压跌落超过允许范围内(±5％)，即便加入电压二次补偿，母线电压稳定性变差，系统不稳定。文献：Eman K.Belal,DoaaM.Yehia1,AhmedM.Azmy.Adaptive droopcontrol for balancing SOC of distributed batteries in DC microgrids.[J]IETGeneration,Transmission and Distribution,v13,n20,p 4667-4676,October 22,2019中针对各储能单元容量不同的情况，提出相对容量(储能单元单元中最大容量/本单元容量)概念，但仍未考虑线路阻抗的影响，并且下垂系数比更大，容量参数只针对小范围内适用，且同样存在SOC较低时系统不稳定问题。文献：K.D.Hoang and H.Lee,"Accurate PowerSharing With Balanced Battery State of Charge in Distributed DC Microgrid,"inIEEE Transactions on Industrial Electronics,vol.66,no.3,pp.1883-1893,March2019中考虑不平衡线路阻抗影响，通过SOC闭环调节下垂系数，并将功率环调节量、母线电压二次补偿量叠加到母线电压额定值。当储能单元容量不同时，功率环与SOC闭环相互影响，功率合理分配与SOC均衡无法满足，且为避免下垂控制造成母线电压跌落过大，选取系统参数有一定难度。
发明内容
本发明提供了一种直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法，其目的是为了解决传统的SOC均衡控制策略采用下垂控制结合低带宽通信，造成母线电压跌落过大的问题。
为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法，包括：
步骤1，通过低带宽通信实时获取第一电池和第二电池的荷电状态值；
步骤2，计算第一电池和第二电池的荷电状态值的平均值；
步骤3，将第一电池的荷电状态值或第二电池的荷电状态值与所述平均值作差值后输入第一PI控制器，第一PI控制器输出调节量；
步骤4，将调节量与直流母线额定电压进行叠加，得到第一反馈电压或第二反馈电压；
步骤5，将直流母线电压与直流母线额定电压作差值后输入第二PI控制器，第二PI控制器输出二次电压补偿反馈量；
步骤6，将第一反馈电压或第二反馈电压与二次电压补偿反馈量进行叠加，得到二次电压补偿后的第一反馈电压或第二反馈电压；
步骤7，将二次电压补偿后的第一反馈电压或第二反馈电压减去相对应的DC-DC变换器输出电压后输入电压控制器，电压控制器输出相对应的DC-DC变换器输出电流；
步骤8，将DC-DC变换器输出电流减去相对应的电感电流后输入电流控制器，得到PWM脉冲，通过PWM脉冲控制所有开关管使第一电池和第二电池的荷电状态值均衡，使直流微电网储能系统的输出功率均分。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明的上述实施例所述的直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法，无需下垂控制，有效避免了下垂系数带来的母线电压跌落，采用低带宽通信，计算不同储能单元SOC的平均值，采用SOC均值PI闭环控制，将调节量作用到变换器输出电压参考值上实现各储能单元SOC均衡，在各组储能单元容量相同情况下，实现直流微电网储能系统功率均分。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的控制框图；
图3为直流微电网储能系统的具体电路图；
图4为本发明的控制两组储能单元SOC均衡和电流均分示意图；
图5为本发明的两组储能单元SOC均衡和电流均分示意图；
图6为本发明的放电状态的两组储能单元SOC波形图；
图7为本发明的放电状态的直流母线电压波形图；
图8为本发明的充电状态SOC波形图；
图9为本发明的充电状态功率波形图。
【附图标记说明】
1-第一电池；2-第二电池；3-第一DC-DC变换器；4-第二DC-DC变换器；5-第一线路阻抗；6-第二线路阻抗；7-负载电阻；8-第一电感；9-第一开关管；10-第二开关管；11-第一电容；12-第二电感；13-第三开关管；14-第四开关管；15-第二电容。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的SOC均衡控制策略采用下垂控制结合低带宽通信，造成母线电压跌落过大的问题，提供了一种直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法。
如图1至图9所示，本发明的实施例提供了一种直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法，包括：步骤1，通过低带宽通信实时获取第一电池和第二电池的荷电状态值；步骤2，计算第一电池和第二电池的荷电状态值的平均值；步骤3，将第一电池的荷电状态值或第二电池的荷电状态值与所述平均值作差值后输入第一PI控制器，第一PI控制器输出调节量；步骤4，将调节量与直流母线额定电压进行叠加，得到第一反馈电压或第二反馈电压；步骤5，将直流母线电压与直流母线额定电压作差值后输入第二PI控制器，第二PI控制器输出二次电压补偿反馈量；步骤6，将第一反馈电压或第二反馈电压与二次电压补偿反馈量进行叠加，得到二次电压补偿后的第一反馈电压或第二反馈电压；步骤7，将二次电压补偿后的第一反馈电压或第二反馈电压减去相对应的DC-DC变换器输出电压后输入电压控制器，电压控制器输出相对应的DC-DC变换器输出电流；步骤8，将DC-DC变换器输出电流减去相对应的电感电流后输入电流控制器，得到PWM脉冲，通过PWM脉冲控制所有开关管使第一电池和第二电池的荷电状态值均衡，使直流微电网储能系统的输出功率均分。
本发明的上述实施例所述的直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法，通过低带宽通信获取各组储能单元(第一电池1和第二电池2)的SOC(荷电状态)值，计算出两组荷电状态的平均值，并将调节量ΔUSOCi叠加到直流母线额定电压，再通过储能系统输出电压和电感电流双闭环控制器得到PWM脉冲，为补偿线路阻抗和下垂控制引起的母线电压跌落，引入针对直流母线电压的二次电压调整，实现各储能单元SOC均衡，在各组储能单元容量相同情况下，实现功率均分。考虑不平衡线路阻抗，所述直流微电网储能变系统SOC均衡和功率均分控制方法无论各储能单元容量是否相同，均能实现SOC快速均衡，当容量不同时，输出功率按照容量比合理分配；当容量相同时，实现输出功率均分。
其中，所述步骤1具体包括：计算第一电池和第二电池的荷电状态值，如下所示：
Figure BDA0003148600730000051
其中，SOC1表示第一电池的荷电状态值，SOC2表示第二电池的荷电状态值，SOC10表示第一电池的初始荷电状态值，SOC20表示第二电池的初始荷电状态值，Ce1表示第一电池容量，Ce2表示第二电池容量，Ubat1表示第一电池的输出电压，Ubat2表示第二电池的输出电压，P1表示第一DC-DC变换器的输出功率，P2表示第二DC-DC变换器的输出功率；
对公式(1)两边求导得到，如下所示：
Figure BDA0003148600730000052
其中，所述步骤2具体包括：计算第一电池和第二电池的荷电状态值的平均值，如下所示：
Figure BDA0003148600730000053
其中，SOCave表示第一电池和第二电池的荷电状态值的平均值，n表示电池的数量，SOCi表示第i个电池的荷电状态值，i＝1，2。
其中，所述步骤3具体包括：计算调节量，如下所示：
ΔUSOCi＝(SOCi-SOCave)*(kp+ki/s) (4)
其中，ΔUSOCi表示各个电池以SOCave为目标的调节量，kp表示SOC均值闭环比例系数，ki表示积分系数，1/s表示积分。
其中，所述步骤4具体包括：计算第一反馈电压或第二反馈电压，如下所示：
U1refi＝Unom+ΔUSOCi (5)
其中，
Figure BDA0003148600730000054
表示第i反馈电压，i＝1，2，Unom表示直流母线额定电压。
本发明的上述实施例所述的直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法，假定两组储能单元输出电压Ubat相等，则SOC放电速率与功率、容量有关，故直流微电网储能系统稳定时，在两组储能单元容量相同的情况下，直流微电网储能系统输出功率精确均分是SOC均衡的必要条件。
其中，所述步骤5具体包括：计算二次电压补偿反馈量，如下所示：
Figure BDA0003148600730000061
其中，δu表示二次电压补偿反馈量，Ubus表示直流母线电压，kp_u表示二次电压控制环比例系数，ki_u表示二次电压控制环积分系数。
其中，所述步骤6具体包括：计算二次电压补偿后的第一反馈电压或第二反馈电压，如下所示：
Figure BDA0003148600730000063
其中，
Figure BDA0003148600730000064
表示二次电压补偿后的第i反馈电压，i＝1，2。
其中，所述步骤7具体包括：计算各个DC-DC变换器的输出电流，如下所示：
Figure BDA0003148600730000062
其中，Idci表示第i个DC-DC变换器的输出电流，Udci表示第i个DC-DC变换器的输出电压，Rlinei表示第i个线路阻抗。
其中，所述步骤8具体包括：比较第一电池和第二电池的荷电状态值，通过PWM脉冲控制荷电状态值高的电池对应的DC-DC变换器的输出电流增大，进而加快荷电状态值高的电池的放电速率；通过PWM脉冲控制荷电状态值低的电池对应的DC-DC变换器的输出电流减小，进而减小荷电状态值低的电池的放电速率，直到第一电池和第二电池的荷电状态值均衡，以恒定的调节量使第一电池和第二电池的在同一速率下放电，维持第一电池和第二电池的荷电状态值均衡，直流微电网储能系统输出功率均分。
本发明的上述实施例所述的直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法，为了消除各组储能单元线路阻抗对直流微电网储能系统输出功率均分的影响，并在保证母线电压在允许波动范围内实现SOC均衡，考虑两组储能单元的线路阻抗不同，所述第一DC-DC变换器3和所述第二DC-DC变换器4的输出电流不同，两组储能单元初始荷电状态不同，为达到SOC均衡，SOC高的储能单元应多放电，则需对应的DC-DC变换器输出电流变大，放电速率加快；反之SOC低的储能单元少放电，减少对应的DC-DC变换器的输出电流，降低放电速率，最后SOC达到均衡，电流达到均分。
本发明的上述实施例所述的直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法，针对母线电压跌落，加入电压二次补偿控制策略，假设母线电压维持不变，分析两组储能单元的线路阻抗Rlinei不同时，如何实现SOC均衡、电流均分：图3中的第一电池1为第一组储能单元，第二电池2为第二组储能单元，图4中曲线L1代表第一组储能单元，曲线L1的曲线斜率为第一线路阻抗5Rline1，曲线L2代表第二组储能单元，曲线L2的曲线斜率为第二线路阻抗6Rline2，且SOC10(L1)>SOC20(L2)，Rline1>Rline2，从图4和公式(7)可知，ΔSOC1为正，ΔSOC2为负，则根据公式(5)将L1(1)向上平移，L2(1)向下平移，在tA时刻，L1(1)上平移
Figure BDA0003148600730000071
得到L1(2)，第一DC-DC变换器3输出电流由Idc1变为Ia，电流增大，第一组储能单元的放电速率加快；L2(1)下平移
Figure BDA0003148600730000072
得到L2(2)，第二DC-DC变换器4输出电流由Idc2变为Ia，电流减小，第二组储能单元的放电速率减慢，在tA时刻，两组储能单元的初始荷电状态SOC1与SOC2相等，此时图5中两组荷电状态差值ΔSOC降为0，SOC达到均衡，图4中L1(2)和L2(2)相交于A点且两组DC-DC变换器输出电流均为Ia，在tA时刻后，可得两组储能单元将以恒定的调节量使两组储能单元同一速率放电，即SOC维持均衡，实现电流均分。
本发明的上述实施例所述的直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法，如图3，直流微电网储能系统,包括：第一电池1、第二电池2、第一DC-DC变换器3、第二DC-DC变换器4、第一线路阻抗5、第二线路阻抗6和负载电阻7；所述第一DC-DC变换器3包括：第一电感8，所述第一电感8的第一端与所述第一电池1的正极端电连接；第一开关管9，所述第一开关管9的集电极与所述第一电感8的第二端电连接，所述第一开关管9的发射极与所述第一电池1的负极端电连接；第二开关管10，所述第二开关管10的发射极与所述第一开关管9的集电极电连接；第一电容11，所述第一电容11的第一端与所述第二开关管10的集电极电连接，所述第一电容11的第二端分别与所述第一开关管9的发射极和第一直流母线电连接；所述第二DC-DC变换器4包括：第二电感12，所述第二电感12的第一端与所述第二电池2的正极端电连接；第三开关管13，所述第三开关管13的集电极与所述第二电感12的第二端电连接，所述第三开关管13的发射极与所述第二电池2的负极端电连接；第四开关管14，所述第四开关管14的发射极与所述第三开关管13的集电极电连接；第二电容15，所述第二电容15的第一端与所述第四开关管14的集电极电连接，所述第二电容15的第二端分别与所述第三开关管13的发射极和所述第一线路阻抗5的第二端电连接；第一线路阻抗5，所述第一线路阻抗5的第一端与所述第一电容11的第一端电连接，所述第一线路阻抗5的第二端与第二直流母线电连接；第二线路阻抗6，所述第二线路阻抗6的第一端与所述第二电容15的第一端电连接，所述第二线路阻抗6的第二端与所述第一电容11的第二端电连接；负载电阻7，所述负载电阻7的第一端与所述第一线路阻抗5的第二端电连接，所述负载电阻7的第二端与所述第二线路阻抗6的第二端电连接。在PSIM 12中搭建如图3所示的直流微电网储能系统结构拓扑，将两组储能单元投入运行，保证母线负载所需功率，考虑不平衡线路阻抗，研究储能单元系统稳定充放电过程是否可以达到SOC均衡，在容量相同时是否实现功率均分，设置直流微电网储能系统的参数如表1：
表1直流微电网储能系统的参数
Figure BDA0003148600730000081
为验证所述直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法对储能单元荷电状态均衡的有效性，如图6，两组储能单元的初始SOC1和SOC2分别为0.5和0.45，容量均为1e-2Ah，在t＝5.7s时，逐渐达到均衡，即SOC1＝SOC2＝0.43，均衡速率较快。如图7，在t＝3s和t＝3.5s分别在负载侧加入小扰动，在t＝3.5s处母线电压稍有波动，迅速维持母线电压在48.05V，因此所述直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法的母线电压稳定性良好。
本发明的上述实施例所述的直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法，如图8，在充电状态下，两组储能单元的初始状态SOC1和SOC2分别为0.4和0.45时，容量均为1e-2Ah，所述第一线路阻抗5为0.5Ω，所述第二线路阻抗6为0.2Ω；如图9为更快实现SOC均衡，第二组储能单元短暂放出功率，在4.49s时，两组储能单元SOC快速实现均衡，两组储能单元输出功率实现均分，分别为122W。
本发明的上述实施例所述的直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法，考虑不平衡线路阻抗对SOC均衡和功率均分影响，SOC均衡速率更快，在SOC较低时，SOC可维持均衡，直流母线电压稳定性能更好，直流微电网储能系统稳定。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法，其特征在于，包括：
步骤1，通过低带宽通信实时获取第一电池和第二电池的荷电状态值；
步骤2，计算第一电池和第二电池的荷电状态值的平均值；
步骤3，将第一电池的荷电状态值或第二电池的荷电状态值与所述平均值作差值后输入第一PI控制器，第一PI控制器输出调节量；
步骤4，将调节量与直流母线额定电压进行叠加，得到第一反馈电压或第二反馈电压；
步骤5，将直流母线电压与直流母线额定电压作差值后输入第二PI控制器，第二PI控制器输出二次电压补偿反馈量；
计算二次电压补偿反馈量，如下所示：
Figure FDA0003683663510000011
其中，δu表示二次电压补偿反馈量，Unom表示直流母线额定电压，Ubus表示直流母线电压，kp_u表示二次电压控制环比例系数，ki_u表示二次电压控制环积分系数；
步骤6，将第一反馈电压或第二反馈电压与二次电压补偿反馈量进行叠加，得到二次电压补偿后的第一反馈电压或第二反馈电压；
计算二次电压补偿后的第一反馈电压或第二反馈电压，如下所示：
Figure FDA0003683663510000012
其中，
Figure FDA0003683663510000013
表示二次电压补偿后的第i反馈电压，i＝1，2，
Figure FDA0003683663510000014
表示各个电池以SOCave为目标的调节量，SOCave表示第一电池和第二电池的荷电状态值的平均值；
步骤7，将二次电压补偿后的第一反馈电压或第二反馈电压减去相对应的DC-DC变换器输出电压后输入电压控制器，电压控制器输出相对应的DC-DC变换器输出电流；
步骤8，将DC-DC变换器输出电流减去相对应的电感电流后输入电流控制器，得到PWM脉冲，通过PWM脉冲控制所有开关管使第一电池和第二电池的荷电状态值均衡，使直流微电网储能系统的输出功率均分。
2.根据权利要求1所述的直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
计算第一电池和第二电池的荷电状态值，如下所示：
Figure FDA0003683663510000021
其中，SOC1表示第一电池的荷电状态值，SOC2表示第二电池的荷电状态值，SOC10表示第一电池的初始荷电状态值，SOC20表示第二电池的初始荷电状态值，Ce1表示第一电池容量，Ce2表示第二电池容量，Ubat1表示第一电池的输出电压，Ubat2表示第二电池的输出电压，P1表示第一DC-DC变换器的输出功率，P2表示第二DC-DC变换器的输出功率；
对公式(1)两边求导得到，如下所示：
Figure FDA0003683663510000022
3.根据权利要求2所述的直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
计算第一电池和第二电池的荷电状态值的平均值，如下所示：
Figure FDA0003683663510000023
其中，n表示电池的数量，SOCi表示第i个电池的荷电状态值，i＝1，2。
4.根据权利要求3所述的直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
计算调节量，如下所示：
Figure FDA0003683663510000034
其中，kp表示SOC均值闭环比例系数，ki表示积分系数，1/s表示积分。
5.根据权利要求4所述的直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：
计算第一反馈电压或第二反馈电压，如下所示：
Figure FDA0003683663510000031
其中，
Figure FDA0003683663510000035
表示第i反馈电压，i＝1，2。
6.根据权利要求5所述的直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法，其特征在于，所述步骤7具体包括：
计算各个DC-DC变换器的输出电流，如下所示：
Figure FDA0003683663510000033
其中，Idci表示第i个DC-DC变换器的输出电流，Udci表示第i个DC-DC变换器的输出电压，Rlinei表示第i个线路阻抗。
7.根据权利要求6所述的直流微电网储能系统的SOC均衡和功率均分控制方法，其特征在于，所述步骤8具体包括：
比较第一电池和第二电池的荷电状态值，通过PWM脉冲控制荷电状态值高的电池对应的DC-DC变换器的输出电流增大，进而加快荷电状态值高的电池的放电速率；通过PWM脉冲控制荷电状态值低的电池对应的DC-DC变换器的输出电流减小，进而减小荷电状态值低的电池的放电速率，直到第一电池和第二电池的荷电状态值均衡，以恒定的调节量使第一电池和第二电池的在同一速率下放电，维持第一电池和第二电池的荷电状态值均衡，直流微电网储能系统输出功率均分。
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