CN113659656A - 一种多台并联储能装置soc均衡控制方法 - Google Patents

一种多台并联储能装置soc均衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种多台并联储能装置SOC均衡控制方法，首先通过中央控制器得到x台储能装置SOC平均值，通过实时修正下垂系数法得到自适应有功下垂系数KP，并引入有功—电压下垂控制中，接着通过引入电压偏差积分法后生成输出电压幅值参考，并与输出电压频率参考合成得到输出电压指令，并进行输出电容电压电感电流双闭环控制。本发明提出的实时修正下垂系数法和引入电压偏差积分法相结合的控制方法通过实时修正储能装置的下垂系数来实现SOC不一致下的SOC均衡，并通过引入电压偏差积分法来消除线路阻抗影响，进一步解决输出功率的不同对SOC均衡的影响，最终实现SOC不一致和线路阻抗不同下并联储能装置间SOC均衡。

Description

一种多台并联储能装置SOC均衡控制方法
技术领域
本发明属于微电网孤岛模式下分布式储能技术领域，具体涉及一种多台并联储能装置SOC均衡控制方法。
背景技术
环境污染、能源危机日益严重，随着光伏、水电及风电等新能源发电技术的发展和应用，同时为协调大电网与分布式电源间的矛盾，微电网应用而生。由于微电网内分布式发电具有间歇性和波动性，需要配置多台并联的储能装置来维持微电网运行的可靠性和稳定性。其中储能装置由储能电池组与储能变换器组成。
由于微电网系统内储能电池组生产材料、制作工艺的差异造成的储能装置内储能电池组SOC初值不一致，还有当储能装置连接到微电网交流母线长度不一致引起线路阻抗不同进而使得各储能装置输出功率的不同，这些都会导致多台并联的储能装置进行充放电过程中的SOC是不均衡的。SOC不均衡使得某些储能装置过度充放电，达到充放电极限，进而缩短储能装置的使用寿命，以至于某台储能装置提前退出运行。当剩余的各台储能装置的容量不足以满足负荷的需求时，会造成部分负荷退出运行，更严重的情况会造成系统崩溃。因此，实现各种情况引起的储能装置SOC不均衡下实时调整储能装置输出功率使得SOC均衡具有重要的研究意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种多台并联储能装置SOC均衡控制方法，解决了输出功率的不同对SOC均衡的影响，实现储能装置间的SOC均衡。
本发明所采用的技术方案是，一种多台并联储能装置SOC均衡控制方法，包括以下步骤：
步骤1，采集储能变换器x的输出电压uo_x、输出电流io_x和电感电流iL_x，通过SOC估计算法获得各台储能电池组当前SOCx值，其中x表示储能变换器编号，且x∈[1,n]，而n表示储能变换器台数，且n≥2；
步骤2，根据平均功率计算方法计算得到储能变换器x的平均有功功率Px和平均无功功率Qx；
步骤3，将平均有功功率Px经SOC均衡控制，得到储能变换器x的输出电压幅值Ex；将平均无功功率Qx与无功下垂系数Kq相乘，得到频率变化量Δf，将Δf与空载点频率f*作差得到储能变换器x的输出频率参考f；最后合成输出参考电压uref_x；
步骤4，将输出电压闭环指令uref_vir_x与储能变换器x的输出电压uo_x作差，该差值经过电压调节器得到储能变换器x的电感电流指令iL_ref_x；
步骤5，将电感电流指令iL_ref_x与储能变换器x的电感电流iL_x作差，该差值经过电流调节器得到调制信号ux；
步骤6，调制信号ux经过驱动及保护电路，驱动H桥逆变电路S1-S4四个功率开关管的通断，从而实现储能装置间SOC均衡。
本发明的特征还在于，
步骤1中，采用安时积分法、开路电压法或卡尔曼滤波法进行SOC估计。
步骤2中采用传统乘积法、虚拟正交矢量计算法或积分平均法进行平均功率计算。
步骤3的具体步骤为：
步骤3.1，通过SOC不一致时实时修正下垂系数法的SOC均衡方法构造储能变换器x的有功—电压下垂控制中的自适应有功下垂系数Kp；
步骤3.2，将储能变换器x的平均有功功率Px与有功下垂系数Kp相乘,得到电压变化量ΔUx，将ΔUx与空载点电压幅值U*作差得到电压幅值Ue_x；
步骤3.2中将ΔUx与空载点电压幅值U*作差得到电压幅值Ue_x的计算公式为：
Ue_x＝U*-KP·Px；
步骤3.3，将电压幅值Ue_x作为输入，经线路阻抗不同时电压偏差积分法的SOC均衡控制，得到储能变换器x的输出电压幅值参考Ex；
步骤3.3中将电压幅值Ue_x作为输入，经线路阻抗不同时电压偏差积分法的SOC均衡控制，得到储能变换器x的输出电压幅值参考Ex计算公式为：
Figure BDA0003182490990000031
其中，Upcc为母线电压幅值，ki为积分调节系数；
步骤3.4，将储能变换器x的输出电压幅值参考Ex与输出电压频率参考f合成为变换器x的输出电压参考uref_x。
步骤3.1中根据实时修正下垂系数法构造储能变换器x自适应有功下垂系数Kp的方法为：
A,采集x台储能电池组的SOCx值，并通过中央控制器计算得到SOC平均值SOCave，SOC平均值计算公式为：
Figure BDA0003182490990000041
B，将采集的储能电池组SOCx值与SOC平均值SOCave作差，并通过比例积分调节器得
Figure BDA0003182490990000042
公式如下：
Figure BDA0003182490990000043
其中，
Figure BDA0003182490990000044
为均衡因子，kmp为比例调节系数，kmi为积分调节系数；
C,在放电状态下，将
Figure BDA0003182490990000045
与1作差，并与
Figure BDA0003182490990000046
相乘得到自适应有功下垂系数KP；在充电状态下，将
Figure BDA0003182490990000047
与1作和，并与
Figure BDA0003182490990000048
相乘得到自适应有功下垂系数KP，KP计算公式如下：
Figure BDA0003182490990000049
其中
Figure BDA00031824909900000410
为初始下垂系数。
步骤4中电压调节器采用比例积分调节器、无差拍控制调节器、比例谐振调节器或重复控制调节器。
步骤5中电流调节器采用无差拍控制调节器、预测电流调节器或比例调节器。
本发明的有益效果是：
1)本发明方法通过通信的方式获得储能电池组SOC的平均值，进而将SOC平均值传递到本地控制器进行处理，通过比例积分控制器调节储能装置间SOC的偏差，可加快SOC均衡速度，并且可扩展到多台储能装置；
2)现有的考虑不匹配线路阻抗下的SOC均衡控制方法采用加入固定的虚拟阻抗的方式来实现储能装置阻抗匹配，进而通过SOC平衡级实现SOC均衡，但随着线路阻抗的变化，储能装置内SOC之间又将形成新的偏差；本发明提出的实时修正下垂系数法和引入电压偏差积分法相结合的方法，通过实时修正储能装置的下垂系数来实现SOC不一致下的SOC均衡，并通过引入电压偏差积分法来消除线路阻抗影响，进一步解决输出功率的不同对SOC均衡的影响，最终实现SOC均衡，自适应强。
3)本发明方法中无需变换器线路阻抗的检测，因此适用于各种结构的微电网系统，且实现简单。
附图说明
图1为本发明方法所依赖的孤岛微电网多台储能装置并联的电路结构示意图；
图2为本发明方法基于SOC均衡控制的储能装置并联系统总体控制框图；
图3为本发明方法中SOC不一致时下垂系数修正法和线路阻抗不同时电压偏差积分法相结合的SOC均衡控制结构图；
a.SOC不一致时，实时修正下垂系数法的SOC均衡控制流程；b.线路阻抗不同时，电压偏差积分法的SOC均衡控制流程。
图4为本发明方法中SOC不一致、线路阻抗不同时储能装置放电状态下储能电池组SOC波形的仿真结果图；
图5为本发明方法中SOC不一致、线路阻抗不同时储能装置放电状态下储能装置输出功率波形的仿真结果图；
图6为本发明方法中SOC不一致、线路阻抗不同时储能装置充电状态下储能电池组SOC波形的仿真结果图。
图7为本发明方法中SOC不一致、线路阻抗不同时储能装置充电状态下储能装置输出功率波形的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明方法基于实时修正下垂系数法和引入电压偏差积分法相结合的SOC均衡控制方法所依赖的多台储能装置并联系统，如图1所示，包括多个储能电池组，每个储能电池组均经过储能变换器、滤波器以及线路阻抗后并入公共交流母线，其中Lx、Cx为滤波器的电感和电容，Zlx为线路阻抗，x＝1,2,3……n；然后从公共交流母线向负载供电，负载可以是阻性，感性，容性或非线性；
本发明提供一种多台并联储能装置SOC均衡控制方法，如图2-3所示，包括以下步骤：
步骤1，采集储能变换器x的输出电压uo_x、输出电流io_x和电感电流iL_x，通过SOC估计算法获得各台储能电池组当前SOCx值，其中x表示储能变换器编号，且x∈[1,n]，而n表示储能变换器台数，且n≥2；
步骤1中，采用安时积分法、开路电压法或卡尔曼滤波法进行SOC估计。
步骤2，根据平均功率计算方法计算得到储能变换器x的平均有功功率Px和平均无功功率Qx；
步骤2中采用传统乘积法、虚拟正交矢量计算法或积分平均法进行平均功率计算。
步骤3，将平均有功功率Px经SOC均衡控制，得到储能变换器x的输出电压幅值Ex；将平均无功功率Qx与无功下垂系数Kq相乘，得到频率变化量Δf，将Δf与空载点频率f*作差得到储能变换器x的输出频率参考f；最后合成输出参考电压uref_x；
步骤3的具体步骤为：
步骤3.1，通过SOC不一致时实时修正下垂系数法的SOC均衡方法构造储能变换器x的有功—电压下垂控制中的自适应有功下垂系数Kp；
步骤3.1中根据实时修正下垂系数法构造储能变换器x自适应有功下垂系数Kp的方法为：
A,采集x台储能电池组的SOCx值，并通过中央控制器计算得到SOC平均值SOCave，SOC平均值计算公式为：
Figure BDA0003182490990000071
B，将采集的储能电池组SOCx值与SOC平均值SOCave作差，并通过比例积分调节器得
Figure BDA0003182490990000072
公式如下：
Figure BDA0003182490990000073
其中，
Figure BDA0003182490990000074
为均衡因子，kmp为比例调节系数，kmi为积分调节系数；
C,在放电状态下，将
Figure BDA0003182490990000075
与1作差，并与
Figure BDA0003182490990000076
相乘得到自适应有功下垂系数KP；在充电状态下，将
Figure BDA0003182490990000077
与1作和，并与
Figure BDA0003182490990000078
相乘得到自适应有功下垂系数KP。KP计算公式如下：
Figure BDA0003182490990000079
其中
Figure BDA00031824909900000710
为初始下垂系数；
步骤3.2，将储能变换器x的平均有功功率Px与有功下垂系数Kp相乘,得到电压变化量ΔUx，将ΔUx与空载点电压幅值U*作差得到电压幅值Ue_x；
步骤3.2中将ΔUx与空载点电压幅值U*作差得到电压幅值Ue_x的计算公式为：
Ue_x＝U*-KP·Px；
步骤3.3，将电压幅值Ue_x作为输入，经线路阻抗不同时电压偏差积分法的SOC均衡控制，得到储能变换器x的输出电压幅值参考Ex；
步骤3.3中将电压幅值Ue_x作为输入，经线路阻抗不同时电压偏差积分法的SOC均衡控制，得到储能变换器x的输出电压幅值参考Ex计算公式为：
Figure BDA0003182490990000081
其中，Upcc为母线电压幅值，ki为积分调节系数；
步骤3.4，将储能变换器x的输出电压幅值参考Ex与输出电压频率参考f合成为变换器x的输出电压参考uref_x；
步骤4，将输出电压闭环指令uref_vir_x与储能变换器x的输出电压uo_x作差，该差值经过电压调节器得到储能变换器x的电感电流指令iL_ref_x；
步骤4中电压调节器采用比例积分调节器、无差拍控制调节器、比例谐振调节器或重复控制调节器。
步骤5，将电感电流指令iL_ref_x与储能变换器x的电感电流iL_x作差，该差值经过电流调节器得到调制信号ux；
步骤5中电流调节器采用无差拍控制调节器、预测电流调节器或比例调节器。
步骤6，调制信号ux经过驱动及保护电路，驱动H桥逆变电路S1-S4四个功率开关管的通断，从而实现储能装置间SOC均衡。
本发明基于一种多台并联储能装置SOC均衡控制方法的仿真结果，如图4-7所示。
图4-5是SOC不一致、线路阻抗不同时3台储能装置放电状态下的仿真结果图，其中3台储能电池组的SOC初始值分别为0.8、0.75和0.7。从图中可得在6s左右，三台储能电池组的SOC趋于一致，储能装置间的输出功率趋于均衡。
图6-7是SOC不一致、线路阻抗不同时3台储能装置充电状态下的仿真结果图，其中3台储能电池组的SOC初始值分别为0.3、0.35和0.4。从图中可得在6s左右，三台储能电池组的SOC趋于一致，储能装置间的输出功率趋于均衡。
本发明方法针对低压微电网中，多台并联储能装置的SOC不同以及线路阻抗不同时引起各储能装置SOC不均衡的问题，提出了基于实时修正下垂系数法和引入电压偏差积分法相结合的SOC均衡控制方法。通过实时修正储能装置的下垂系数来实现SOC不一致下的SOC均衡，并通过引入电压偏差积分法来消除线路阻抗影响，进一步解决输出功率的不同对SOC均衡的影响，最终实现储能装置间的SOC均衡。

Claims (7)

1.一种多台并联储能装置SOC均衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，采集储能变换器x的输出电压uo_x、输出电流io_x和电感电流iL_x，通过SOC估计算法获得各台储能电池组当前SOCx值，其中x表示储能变换器编号，且x∈[1,n]，而n表示储能变换器台数，且n≥2；
步骤2，根据平均功率计算方法计算得到储能变换器x的平均有功功率Px和平均无功功率Qx；
步骤3，将平均有功功率Px经SOC均衡控制，得到储能变换器x的输出电压幅值Ex；将平均无功功率Qx与无功下垂系数Kq相乘，得到频率变化量Δf，将Δf与空载点频率f*作差得到储能变换器x的输出频率参考f；最后合成输出参考电压uref_x；
步骤4，将输出电压闭环指令uref_vir_x与储能变换器x的输出电压uo_x作差，该差值经过电压调节器得到储能变换器x的电感电流指令iL_ref_x；
步骤5，将电感电流指令iL_ref_x与储能变换器x的电感电流iL_x作差，该差值经过电流调节器得到调制信号ux；
步骤6，调制信号ux经过驱动及保护电路，驱动H桥逆变电路S1-S4四个功率开关管的通断，从而实现储能装置间SOC均衡。
2.根据权利要求1所述的一种多台并联储能装置SOC均衡控制方法，其特征在于，步骤1中，采用安时积分法、开路电压法或卡尔曼滤波法进行SOC估计。
3.根据权利要求1所述的一种多台并联储能装置SOC均衡控制方法，其特征在于，步骤2中采用传统乘积法、虚拟正交矢量计算法或积分平均法进行平均功率计算。
4.根据权利要求1所述的一种多台并联储能装置SOC均衡控制方法，其特征在于，步骤3的具体步骤为：
步骤3.1，通过SOC不一致时实时修正下垂系数法的SOC均衡方法构造储能变换器x的有功—电压下垂控制中的自适应有功下垂系数Kp；
步骤3.2，将储能变换器x的平均有功功率Px与有功下垂系数Kp相乘,得到电压变化量ΔUx，将ΔUx与空载点电压幅值U*作差得到电压幅值Ue_x；
步骤3.2中将ΔUx与空载点电压幅值U*作差得到电压幅值Ue_x的计算公式为：
Ue_x＝U*-KP·Px；
步骤3.3，将电压幅值Ue_x作为输入，经线路阻抗不同时电压偏差积分法的SOC均衡控制，得到储能变换器x的输出电压幅值参考Ex；
步骤3.3中将电压幅值Ue_x作为输入，经线路阻抗不同时电压偏差积分法的SOC均衡控制，得到储能变换器x的输出电压幅值参考Ex计算公式为：
Figure FDA0003182490980000021
其中，Upcc为母线电压幅值，ki为积分调节系数；
步骤3.4，将储能变换器x的输出电压幅值参考Ex与输出电压频率参考f合成为变换器x的输出电压参考uref_x。
5.根据权利要求4所述的一种多台并联储能装置SOC均衡控制方法，其特征在于，步骤3.1中根据实时修正下垂系数法构造储能变换器x自适应有功下垂系数Kp的方法为：
A,采集x台储能电池组的SOCx值，并通过中央控制器计算得到SOC平均值SOCave，SOC平均值计算公式为：
Figure FDA0003182490980000031
B，将采集的储能电池组SOCx值与SOC平均值SOCave作差，并通过比例积分调节器得
Figure FDA0003182490980000032
公式如下：
Figure FDA0003182490980000033
其中，
Figure FDA0003182490980000034
为均衡因子，kmp为比例调节系数，kmi为积分调节系数；
C,在放电状态下，将
Figure FDA0003182490980000035
与1作差，并与
Figure FDA0003182490980000036
相乘得到自适应有功下垂系数KP；在充电状态下，将
Figure FDA0003182490980000037
与1作和，并与
Figure FDA0003182490980000038
相乘得到自适应有功下垂系数KP，KP计算公式如下：
Figure FDA0003182490980000039
其中
Figure FDA00031824909800000310
为初始下垂系数。
6.根据权利要求1所述的一种多台并联储能装置SOC均衡控制方法，其特征在于，步骤4中电压调节器采用比例积分调节器、无差拍控制调节器、比例谐振调节器或重复控制调节器。
7.根据权利要求1所述的一种多台并联储能装置SOC均衡控制方法，其特征在于，步骤5中电流调节器采用无差拍控制调节器、预测电流调节器或比例调节器。
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