CN113991636B - 一种适用于直流微电网储能系统的非线性下垂控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了电气控制技术领域的一种适用于直流微电网储能系统的非线性下垂控制方法，提出通过电流、电压观测器的V‑I下垂控制动态调节下垂系数，对储能系统并联变换器之间不匹配的线路阻抗进行动态补偿；进而基于电压观测器、储能单元实时荷电状态的双补偿SoC均衡下垂控制，对变换器输出电压进行双重调节，减小储能系统各单元SoC均衡的误差，同时保证母线电压无明显偏差；本发明提供了线路阻抗矫正范围以作为切换判定条件，并设计了切换缓冲区，实现从V‑I下垂控制到双补偿SoC均衡控制的同步切换；采用了分布式控制结构，在显著降低SoC均衡误差、保证系统稳定运行的同时，减小了数据传输量，降低通信压力。

Description

一种适用于直流微电网储能系统的非线性下垂控制方法
技术领域
本发明涉及电气控制技术领域，具体涉及一种适用于直流微电网储能系统的非线性下垂控制方法。
背景技术
作为一种整合了可再生能源、储能单元、功率变换器与负载的可靠高效的供电系统，微电网受到各国学术界的广泛关注。而随着终端用户负荷直流化趋势日益明显，直流微电网凭借其系统可靠性强、传输效率高以及无需考虑相位、无功和谐波问题的优势，成为未来智能供电系统的一种重要形式。
为满足系统的稳定运行、增大容量配置，直流微电网储能系统中，各储能单元(Energy Storage Units,ESUs)通过电力电子接口变换器并联接入直流母线，以有利于实现系统的容量扩充和即插即用效果。同时，为解决各储能单元之间荷电状态(StateofCharge,SoC)不一致所带来的问题，业内学者提出了基于SoC的自适应下垂控制，如已公开的文献《直流微电网储能系统中带有母线电压跌落补偿功能的负荷功率动态分配方法》和《Distributed ControlWithVirtual Capacitance forthe Voltage Restorations,State of Charge Balancing,and Load Allocations of Heterogeneous EnergyStorages in a DC DatacenterMicrogrid》，通过SoC的实时变化，最终实现各储能单元SoC的均衡以及负荷功率的均衡分配。
但上述文献未从根本上解决各接口变换器之间线路阻抗差异所带来的SoC均衡误差，特别是储能系统所分担的负荷电流较大时，线路阻抗差异带来的均衡误差更加明显。
因此，亟需设计一种可有效减小储能系统SoC均衡误差的非线性下垂控制方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于直流微电网储能系统的非线性下垂控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种适用于直流微电网储能系统的非线性下垂控制方法，包括以下步骤：
S1：设计一种基于电压观测器、电流观测器的V-I下垂控制，动态调节各控制单元的下垂系数和输出电压参考值，以矫正各线路阻抗之间的差值并维持母线电压稳定；
S2：V-I下垂控制中的电压观测器和电流观测器均采用了分布式控制框架，在没有中央控制器和全局通信的情况下，各控制单元仅依靠自身及其相邻单元的通信信息，采用动态离散一致性算法获得全局的电流、电压平均估值，并通过对平均估值的进一步处理给出下垂系数补偿和参考电压补偿；
S3：随着V-I下垂控制对下垂系数的动态调整，线路阻抗的不一致问题逐步得到矫正，当相关参数符合切换判定条件时，控制单元将产生使能信号令下垂系数不再变化，并将此矫正后的下垂系数用于后续控制中，与电流观测器相关的通信停止工作，而基于电压观测器的参考电压补偿控制保持不变，与其相关的通信保持正常工作；
S4：分布式控制框架下，各储能单元完成线路阻抗矫正的时间不完全同步，为保证各单元切换至后续控制方案的时间一致，需在控制过程中加入切换缓冲区：各控制器可获取相邻单元的触发信息，并采用一致性算法实现对全局触发信息的测算；
S5：在各储能单元所测算出的全局触发信息符合要求时，控制器将切换至SoC均衡控制；各控制单元基于电压观测器和储能单元实时荷电状态，实现双补偿SoC均衡下垂控制，这两项补偿共同作用于下垂控制的参考电压，其中电压补偿项延续V-I下垂控制的方法不做调整，SoC均衡补偿项为根据SoC估算值所构造的单调递增函数，其中下垂系数为S1中线路阻抗矫正后所得；
S6：在切换缓冲区域的协调下，V-I下垂控制与双补偿SoC均衡下垂控制依照时间尺度分段作用，形成完整的分布式非线性下垂控制，并作为电压电流双闭环的参考产生PWM信号，用以驱动开关功率器件，实现对储能系统接口变换器的控制。
进一步的，上述适用于直流微电网储能系统的非线性下垂控制方法中，在上述S2中，V-I下垂控制表达式为：
Voi *＝vdc+δvvi-(Rdi+Rdo)ioi
其中，δvvi为自适应下垂控制的参考电压补偿项，用以维持系统母线电压稳定；Rdi为自适应下垂控制的下垂系数补偿项，以实现对各变换器之间线路阻抗差的矫正。
进一步的，上述适用于直流微电网储能系统的非线性下垂控制方法中，在上述S2和S4中，观测器和全局触发信息测算均采用分布式控制框架，凭借相邻单元之间的相互通信和分布式优化运行算法，获取储能系统的全局信息，从而进一步更新出储能系统的平均电压估计值、平均电流估计值以及全局触发信息；
其中，分布式优化运行算法采用的是动态离散一致性算法，可被表述为：
其中，Ni是第i个节点的相邻单元的集合；aij是从节点j到i进行信息交换的通信权重，xi代表被观测变量，即电流、电压和各单元的本地触发信息。
进一步的，上述适用于直流微电网储能系统的非线性下垂控制方法中，在上述S3中，根据不断改变的下垂系数和输出电流的关系，设计了判定条件，使实现线路阻抗矫正后有如下关系：
δRd1+Rdo+rl1≈δRd2+Rdo+rl2≈......≈δRdk+Rdo+rlk(k＝1,2,3,......)
Vbus＝vdc+δvv1-(δRd1+Rdo+rl1)io1
＝vdc+δvv2-(δRd2+Rdo+rl2)io2
......
＝vdc+δvvk-(δRdk+Rdk+rlk)iok
其中，δRdi为线路阻抗矫正完成后的最终下垂系数；rli为各接口变换器对应线路阻抗的阻值。
进一步的，上述适用于直流微电网储能系统的非线性下垂控制方法中，在上述S5中，双补偿SoC下垂控制表达式为：
Voi *＝vdc+δvvi+V(SoCi)-(δRdi+Rdo)ioi
其中，V(SoC)表示一类单调递增函数，可简单表述为：
V(SoC)＝K·SoCi
Voi *＝vdc+δvvi+K·SoCi-(δRdi+Rdo)ioi
其中，K是实现SoC均衡速度的调节参数。
进一步的，上述适用于直流微电网储能系统的非线性下垂控制方法中，在上述S4中，设计了切换缓冲区，其目的是为了保证在分布式控制框架下各控制单元可以同步切换。
进一步的，上述适用于直流微电网储能系统的非线性下垂控制方法中，各控制器中设有本地触发信号Si，当系统下垂系数调节至所设计的标准时，本地触发信号Si由1变化为0；另设有反映系统中所有下垂系数调节状态的全局触发信号S0，可保证各控制单元的同步切换，此全局触发信号S0的数字信息可由一致性算法测算得出，当所测算S0为变为0时，各单元将同时切换至SoC均衡下垂控制。
进一步的，上述适用于直流微电网储能系统的非线性下垂控制方法中，系统在充电或放电工作模态，均可以有效降低线路阻抗不一致造成的SoC均衡误差，且保持母线电压稳定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提出了改进非线性下垂控制，通过调节下垂系数矫正各储能单元线路阻抗不一致问题，以达成较低储能系统SoC均衡误差的目标，且该方案够适用在系统充电和放电两种工作模态，并保持母线电压稳定。
2、本发明提出的非线性下垂控制表达式分三段，其中第一段V-I下垂控制中，根据储能系统平均电流值和各单元输出电流之间的差值，采用逐次逼近的方法对线路阻抗进行矫正；各单元之间采用了分布式通信框架，各控制单元仅依靠自身及其相邻单元的通信信息，采用动态离散一致性算法获得全局的电流、电压平均估值。
3、本发明针对非线性下垂控制中的V-I下垂控制和SoC均衡控制两段区间之间的切换，设计了切换判定条件以及切换缓冲区间，切换缓冲区确保所有控制单元可以同步切换至SoC均衡控制阶段，切换判定条件规范了线路阻抗的矫正范围，确保控制单元由双补偿V-I下垂控制到双补偿SoC均衡控制后，能够有效降低各储能单元SoC均衡误差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明含多储能单元的直流微电网储能系统的结构示意图；
图2为本发明储能系统中多变换器并联于同一直流母线的等效结构框图；
图3为本发明所提出的非线性SoC均衡控制方案的控制框图；
图4为本发明控制系统在切换判定条件和切换缓冲条件的限制下，执行下垂系数补偿过程的流程示意图；
图5为本发明理论情况下SoC均衡和带有均衡误差的仿真波形对比图；
图6为加入本发明提出的控制方案后系统整体运行过程的实验波形；
图7为本发明两个控制阶段切换前后的输出电流、下垂系数波形；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种技术方案：
一种适用于直流微电网储能系统的非线性下垂控制方法，包括以下步骤：
S1：设计一种基于电压观测器、电流观测器的V-I下垂控制，动态调节各控制单元的下垂系数和输出电压参考值，以矫正各线路阻抗之间的差值并维持母线电压稳定；
S2：V-I下垂控制中的电压观测器和电流观测器均采用了分布式控制框架，在没有中央控制器和全局通信的情况下，各控制单元仅依靠自身及其相邻单元的通信信息，采用动态离散一致性算法获得全局的电流、电压平均估值，并通过对平均估值的进一步处理给出下垂系数补偿和参考电压补偿；
S3：随着V-I下垂控制对下垂系数的动态调整，线路阻抗的不一致问题逐步得到矫正，当相关参数符合切换判定条件时，控制单元将产生使能信号令下垂系数不再变化，并将此矫正后的下垂系数用于后续控制中，与电流观测器相关的通信停止工作，而基于电压观测器的参考电压补偿控制保持不变，与其相关的通信保持正常工作；
S4：分布式控制框架下，各储能单元完成线路阻抗矫正的时间不完全同步，为保证各单元切换至后续控制方案的时间一致，需在控制过程中加入切换缓冲区：各控制器可获取相邻单元的触发信息，并采用一致性算法实现对全局触发信息的测算；
S5：在各储能单元所测算出的全局触发信息符合要求时，控制器将切换至SoC均衡控制；各控制单元基于电压观测器和储能单元实时荷电状态，实现双补偿SoC均衡下垂控制，这两项补偿共同作用于下垂控制的参考电压，其中电压补偿项延续V-I下垂控制的方法不做调整，SoC均衡补偿项为根据SoC估算值所构造的单调递增函数，其中下垂系数为S1中线路阻抗矫正后所得；
S6：在切换缓冲区域的协调下，V-I下垂控制与双补偿SoC均衡下垂控制依照时间尺度分段作用，形成完整的分布式非线性下垂控制，并作为电压电流双闭环的参考产生PWM信号，用以驱动开关功率器件，实现对储能系统接口变换器的控制。
在上述S2中，V-I下垂控制表达式为：
Voi *＝vdc+δvvi-(Rdi+Rdo)ioi
其中，δvvi为自适应下垂控制的参考电压补偿项，用以维持系统母线电压稳定；Rdi为自适应下垂控制的下垂系数补偿项，以实现对各变换器之间线路阻抗差的矫正。
在上述S2和S4中，观测器和全局触发信息测算均采用分布式控制框架，凭借相邻单元之间的相互通信和分布式优化运行算法，获取储能系统的全局信息，从而进一步更新出储能系统的平均电压估计值、平均电流估计值以及全局触发信息；
其中，分布式优化运行算法采用的是动态离散一致性算法，可被表述为：
其中，Ni是第i个节点的相邻单元的集合；aij是从节点j到i进行信息交换的通信权重，xi代表被观测变量，即电流、电压和各单元的本地触发信息。
在上述S3中，根据不断改变的下垂系数和输出电流的关系，设计了判定条件，使实现线路阻抗矫正后有如下关系：
δRd1+Rdo+rl1≈δRd2+Rdo+rl2≈......≈δRdk+Rdo+rlk(k＝1,2,3,......)
Vbus＝vdc+δvv1-(δRd1+Rdo+rl1)io1
＝vdc+δvv2-(δRd2+Rdo+rl2)io2
......
＝vdc+δvvk-(δRdk+Rdk+rlk)iok
其中，δRdi为线路阻抗矫正完成后的最终下垂系数；rli为各接口变换器对应线路阻抗的阻值。
在上述S5中，双补偿SoC下垂控制表达式为：
Voi *＝vdc+δvvi+V(SoCi)-(δRdi+Rdo)ioi
其中，V(SoC)表示一类单调递增函数，可简单表述为：
V(SoC)＝K·SoCi
Voi *＝vdc+δvvi+K·SoCi-(δRdi+Rdo)ioi
其中，K是实现SoC均衡速度的调节参数。
在上述S4中，设计了切换缓冲区，其目的是为了保证在分布式控制框架下各控制单元可以同步切换。各控制器中设有本地触发信号Si，当系统下垂系数调节至所设计的标准时，本地触发信号Si由1变化为0；另设有反映系统中所有下垂系数调节状态的全局触发信号S0，可保证各控制单元的同步切换，此全局触发信号S0的数字信息可由一致性算法测算得出，当所测算S0为变为0时，各单元将同时切换至SoC均衡下垂控制。
系统在充电或放电工作模态，均可以有效降低线路阻抗不一致造成的SoC均衡误差，且保持母线电压稳定。
进一步地，步骤一中的V-I下垂控制可写为：
Voi *＝vdc+δvvi-(Rdi+Rdo)ioi (1)
其中，δvvi为自适应下垂控制的参考电压补偿项，用以维持系统母线电压稳定；Rdi为下垂系数补偿项，以实现对各变换器之间线路阻抗差的矫正。
根据V-I下垂控制下各变换器输出电流与下垂系数、线路阻抗之间的关系可写为：
由此反比关系可推，以输出电流均值与输出电流的差值的正负为参考，采用逐次逼近的方法调节下垂系数补偿项Rdi，并有如下关系：
其中，rli为各接口变换器对应线路阻抗的阻值。
进一步地，步骤二中实现对全局电压、电流平均值估计的离散一致性算法可写为：
其中，Ni是第i个节点的相邻单元的集合；aij是从节点j到i进行信息交换的通信权重，xi代表被观测变量，代表控制单元中的电流或电压变量。
进一步地，已知输出电流且能估算出全局电流平均值的前提下，采用逐次逼近的方法，给出下垂系数补偿项Rdi的离散型表达式：
Rdi(t+1)＝Rdi(t)+αd(io_avg(t)-ioi(t)) (5)
其中，Rdi(t+1)和Rdi(t)分别表示t和t+1时刻控制器所得下垂系数补偿项的值，ioi(t)和io_avg(t)分别表示t时刻的输出电流和输出电流平均值，αd为电流补偿系数；
对于离散情况下，t和t+1时刻之间的时间间隔由控制器的控制周期所决定，将上一时刻的ioi和io_avg之间的差值作为参考，用以更新上一时刻所得下垂系数补偿项Rdi；最终经过多个控制周期的运行，控制器获得最终下垂系数补偿项δRdi。
步骤三中为控制单元设计了切换判定条件，并在系统满足切换条件时有本地触发信号Si＝0，使控制单元由V-I下垂控制进入下一个控制状态，切换判定条件可根据现有系统已知参数所决定：
ΔRdi(t)＝αd(io_avg(t)-ioi(t)) (6)
Δioi＝|io_avg-ioi| (7)
其中，Δioi表示输出电流与电流平均值之差、ΔRdi表示单控制周期的下垂系数补偿量；
进一步地，判定条件设置为：各控制单元中Δioi在所设计电流阈值范围内，且在连续的500个控制周期内的ΔRdi不超过所设计下垂系数阈值范围。且在未达判定条件之前，每个控制周期内都会执行逐次逼近法对下垂系数补偿项进行调节。
进一步地，步骤四中设计切换缓冲区，其目的是为了保证在分布式控制框架下各控制单元可以同步切换。各控制器中设有反映系统中所有下垂系数调节状态的全局触发信号S0，基于相邻单元的本地触发信号Sj和一致性算法可测算得出S0的取值，当所测算S0为变为0时，各单元将同时切换至SoC均衡下垂控制。完成补偿进入切换缓冲区的下垂控制表达式为：
Voi *＝vdc+δvvi-(δRdi+Rdo)ioi (8)
进一步地，步骤五中所述SoC均衡下垂控制表达式为：
Voi *＝vdc+δvvi+K·SoCi-(δRdi+Rdo)ioi (9)
其中，K是实现SoC均衡速度的调节参数，δvvi为与V-I下垂控制相同地电压补偿项，δRdi为最终下垂系数补偿项，由V-I下垂控制调节所得。
本发明所提完整的非线性下垂控制表达式为：
所述SoC的估算方法如下：
其中，SoCi_0表示初始SoC，Ce表示储能单元额定容量，ibati表示储能单元的输出电流大小。
进一步地，从时间尺度上分析SoC均衡过程，可给出S＝1情况下，储能单元SoC的变化率为：
相应的，以两个储能单元(i＝1,2)并联为例，SoC均衡速率可表示为：
设变换器输出电流io与ibat之间的比例关系为λ，则联立上述下垂表达式后可将SoC均衡速率改写为：
进一步地，理想情况下储能系统实现SoC均衡的结果是在t0时刻：
[SoC1(t0)-SoC2(t0)]′＝0 (15)且在t0时刻后一直存在：
SoC1′(t)＝SoC2′(t) (16)
进一步，根据以上分析可知，能够实现SoC均衡的充分必要条件是：各储能单元的都可以找到一个合理的δRdi作为最终下垂系数补偿项，并满足：
δRd1+Rdo+rl1≈δRd2+Rdo+rl2≈......≈δRdk+Rdo+rlk (17)
相应地，若不能满足此条件，系统在运行过程中会出现SoC均衡误差。
为了进一步了解本发明的内容，结合附图和实例对本发明作详细描述：
1、参见图1，本发明针对多储能单元并联的系统。该储能系统可分三部分：拓扑层、控制层、通信层。其中拓扑层以储能单元和双向DC-DC变换器为主体，实现系统的基本能量流动；控制层主要用于实现变换器的控制，保证系统的正常运行；通信层可用于实现系统中各控制单元间的信息交互，本发明中采用了分布式通信架构，各单元之间只需要与相邻单元进行通信，即可实现对系统中全局变量的估算。
2、图2为储能系统中多变换器并联于同一直流母线的等效电路，依据此等效结构可以进一步分析输出电流与线路阻抗、母线电压等参数之间的关系式：
其中，Voi *为变换器的实际输出电压，由下垂控制得到，传统的下垂控制可以写为：
Voi *＝vdc-Rdioi
其中，vdc为下垂表达式的参考电压，Rd为下垂系数，两者均为可变参数，由控制单元根据系统需求做出合理调节。
3、图3给出了所提控制非线性下垂控制方案的控制框图，该方案在时间尺度上将控制分成三段实现，并由本地触发信号Si和全局触发信号S0的协同下，实现所有控制单元由V-I下垂控制向SoC均衡控制的同步切换。Si＝1&S0＝1的时间段进行V-I下垂控制，根据电压、电流观测器估算出的全局电压、电流平均值，分别对下垂控制中的下垂系数和参考电压进行调节，实现对线路阻抗的逐步矫正和母线电压调节；Si＝0&S0＝1对应控制系统进入切换缓冲区，各控制单元基于相邻单元的本地触发信号，采用一致性算法对全局触发信号S0的数字信息进行测算，当S0＝0时表明所有控制单元均完成线路阻抗矫正，可同步切换至SoC均衡控制阶段；Si＝1&S0＝1对应的时间段可实现SoC均衡控制，控制器只需要采集自身储能单元的实时SoC数据，并构建单调递增函数用于调节下垂表达式参考电压，表达式中的下垂系数由上一阶段的V-I下垂控制所得，母线电压调节延用上一阶段不做改变。综合上述过程，所提非线性下垂控制表达式可写为：
依据图2给出的等效结构，可以给出S＝0时各储能单元输出电流关系式：
由此式可看出，调节Rdi补偿线路阻抗的同时，亦可实现对输出电流的调节。
进一步，S＝1时各储能单元输出电流关系有：
4、图4以流程图的形式展示了V-I下垂控制时间段内控制单元的运行逻辑和判定条件。根据图示可知，系统将根据输出电流与平均电流的差值Δioi、实时更新的下垂系数补偿项Rdi等已知参数进行判定。Δioi用于低精度判定，若其超过所设阈值说明当前系统未达到判定条件，后续的高精度判定无需执行系统将继续在V-I下垂控制阶段运行，采用逐次逼近法对线路阻抗进行矫正。反之若Δioi符合所设阈值，系统才会执行高精度判定，对连续500个控制周期内的Rdi进行检测，若连续500个周期的Rdi都在阈值范围内，即可认定线路阻抗矫正完成，控制系统进入切换缓冲区；待全局触发信号S0测算为0时，表明系统中所有单元均完成线路阻抗矫正，各单元同步进入SoC均衡控制阶段。
5、图5列举了两个储能单元的实例仿真波形，图5(a)为线路阻抗一致的理论仿真波形，SoC较高的储能单元放电速度快于SoC较低的单元，且经过一段时间的运行后，各单元的SoC达到一致并以相同的变化率变化；与之相对的图5(b)是线路阻抗不一致且未加入改进方案的SoC均衡波形，如图分析可知，与理想情况相比，若不对线路阻抗不一致的情况加以矫正，系统在经过一段时间的运行后，各储能单元的SoC并未达到一致。
6、图6为加入本发明提出的控制方案后系统整体运行过程的实验波形。图示中前系统在约3s之前执行V-I下垂控制，完成了对线路阻抗的矫正，后续阶段执行SoC均衡控制。t＝20s时刻系统由放电状态切换至充电状态运行，并在t＝50s时刻再次恢复至放电状态，在经过一段时间运行后，各储能单元的SoC和输出电流逐渐趋于一致，系统在整个运行过程中各变换器输出电压、母线电压保持稳定。
7、图7为图6中1.2s～3.0s时间段的电流仿真波形与下垂系数变化趋势，可进一步用于对分析本发明中两种控制的切换过程。T<1.5s时间段本发明所提方法未加入控制中，系统下垂系数为初始值Rd0；t>1.5s，此阶段下垂系数为Rd0+Rdi，系统开始执行双补偿V-I下垂控制，在初始下垂系数Rd0的基础上加入下垂系数补偿项Rdi，以现实对线路阻抗的调节；随着补偿的进行，系统中相关参数于约2.8s时刻左右达到切换调节，此时刻下垂系数补偿项Rdi即为下一阶段的δRdi，故SoC均衡控制阶段的下垂系数可写为Rd0+δRdi。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种适用于直流微电网储能系统的非线性下垂控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：设计一种基于电压观测器、电流观测器的V-I下垂控制，动态调节各控制单元的下垂系数和输出电压参考值，以矫正各线路阻抗之间的差值并维持母线电压稳定；
S2：V-I下垂控制中的电压观测器和电流观测器均采用了分布式控制框架，在没有中央控制器和全局通信的情况下，各控制单元仅依靠自身及其相邻单元的通信信息，采用动态离散一致性算法获得全局的电流、电压平均估值，并通过对平均估值的进一步处理给出下垂系数补偿和参考电压补偿；
V-I下垂控制表达式为：
Voi *＝vdc+δvvi-(Rdi+Rdo)ioi
其中，δvvi为自适应下垂控制的参考电压补偿项，用以维持系统母线电压稳定；Rdi为自适应下垂控制的下垂系数补偿项，以实现对各变换器之间线路阻抗差的矫正；
动态离散一致性算法表述为：
其中，Ni是第i个节点的相邻单元的集合；aij是从节点j到i进行信息交换的通信权重，xi代表被观测变量，即电流、电压和各单元的本地触发信息；
S3：随着V-I下垂控制对下垂系数的动态调整，线路阻抗的不一致问题逐步得到矫正，当相关参数符合切换判定条件时，控制单元将产生使能信号令下垂系数不再变化，并将此矫正后的下垂系数用于后续控制中，与电流观测器相关的通信停止工作，而基于电压观测器的参考电压补偿控制保持不变，与其相关的通信保持正常工作；
S4：分布式控制框架下，各储能单元完成线路阻抗矫正的时间不完全同步，为保证各单元切换至后续控制方案的时间一致，需在控制过程中加入切换缓冲区：各控制器获取相邻单元的触发信息，并采用一致性算法实现对全局触发信息的测算；
S5：在各储能单元所测算出的全局触发信息符合要求时，控制器将切换至SoC均衡控制；各控制单元基于电压观测器和储能单元实时荷电状态，实现双补偿SoC均衡下垂控制，这两项补偿共同作用于下垂控制的参考电压，其中电压补偿项延续V-I下垂控制的方法不做调整，SoC均衡补偿项为根据SoC估算值所构造的单调递增函数，其中下垂系数为S1中线路阻抗矫正后所得；
S6：在切换缓冲区域的协调下，V-I下垂控制与双补偿SoC均衡下垂控制依照时间尺度分段作用，形成完整的分布式非线性下垂控制，并作为电压电流双闭环的参考产生PWM信号，用以驱动开关功率器件，实现对储能系统接口变换器的控制。
2.根据权利要求1所述的一种适用于直流微电网储能系统的非线性下垂控制方法，其特征在于：在上述S2和S4中，观测器和全局触发信息测算均采用分布式控制框架，凭借相邻单元之间的相互通信和分布式优化运行算法，获取储能系统的全局信息，从而进一步更新出储能系统的平均电压估计值、平均电流估计值以及全局触发信息。
3.根据权利要求1所述的一种适用于直流微电网储能系统的非线性下垂控制方法，其特征在于：在上述S3中，根据不断改变的下垂系数和输出电流的关系，设计了判定条件，使实现线路阻抗矫正后有如下关系：
δRd1+Rdo+rl1≈δRd2+Rdo+rl2≈......≈δRdk+Rdo+rlk(k＝1,2,3,......)
Vbus＝vdc+δvv1-(δRd1+Rdo+rl1)io1
＝vdc+δvv2-(δRd2+Rdo+rl2)io2
......
＝vdc+δvvk-(δRdk+Rdk+rlk)iok
其中，δRdi为线路阻抗矫正完成后的最终下垂系数；rli为各接口变换器对应线路阻抗的阻值。
4.根据权利要求1所述的一种适用于直流微电网储能系统的非线性下垂控制方法，其特征在于：在上述S5中，双补偿SoC下垂控制表达式为：
Voi *＝vdc+δvvi+V(SoCi)-(δRdi+Rdo)ioi
其中，V(SoC)表示一类单调递增函数，表述为：
V(SoC)＝K·SoCi
Voi *＝vdc+δvvi+K·SoCi-(δRdi+Rdo)ioi
其中，K是实现SoC均衡速度的调节参数。
5.根据权利要求1所述的一种适用于直流微电网储能系统的非线性下垂控制方法，其特征在于：在上述S4中，设计了切换缓冲区，其目的是为了保证在分布式控制框架下各控制单元同步切换。
6.根据权利要求5所述的一种适用于直流微电网储能系统的非线性下垂控制方法，其特征在于：各控制器中设有本地触发信号Si，当系统下垂系数调节至所设计的标准时，本地触发信号Si由1变化为0；另设有反映系统中所有下垂系数调节状态的全局触发信号S0，保证各控制单元的同步切换，此全局触发信号S0的数字信息由一致性算法测算得出，当所测算S0为变为0时，各单元将同时切换至SoC均衡下垂控制。
7.根据权利要求1所述的一种适用于直流微电网储能系统的非线性下垂控制方法，其特征在于：系统在充电或放电工作模态，均能够有效降低线路阻抗不一致造成的SoC均衡误差，且保持母线电压稳定。
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