CN114268118B - 多组混合储能系统多状态协同一致性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种结合虚拟阻抗控制和一致性控制的多组由锂电池和超级电容构成的混合储能系统协同控制方法，包括锂电池变换器的输出电压观测器计算值与基准输出电压的误差调节，消除虚拟阻抗和线路阻抗带来的电压偏差，实现多组输出电压平均控制；基于一致性控制器调节相邻单元锂电池变换器电感电流状态值，实现均流控制。基于超级电容变换器一致性控制器调节相邻超级电容单元间的端电压偏差，实现超级电容端电压的一致性控制；基于超级电容变换器的电压观测器计算值与端电压变化稳态基准值的误差调节，实现超级电容瞬态功率响应后的能量快速恢复。本发明适用于混合储能系统在新能源交通工具、新能源电力系统等场合的电压控制。

Description

多组混合储能系统多状态协同一致性控制方法

技术领域

本发明涉及储能技术领域，具体是一种多组由锂电池和超级电容构成的混合储能系统多状态协同一致性控制方法。

背景技术

由锂电池和超级电容构成的混合储能系统同时兼顾了能量特性和功率特性，被广泛的用于复杂功率场合，如可再生能源发电系统、新能源交通工具以及一些独立供电系统。为了提高用电系统的可靠性，通常采用多组混合储能系统并联，分担系统功率需求，降低系统对单组混合储能系统的依赖。

多组混合储能系统不仅要考虑内部的功率分配，还要考虑各组之间的功率分配。集中式控制通过中央控制单元根据响应单元的特性合理地分配功率，中央控制单元为系统中唯一的数据处理单元，存在单点故障而导致系统崩溃的可能。因此，采用基于一致性控制理论的分布式协同控制方法，将系统视为一个多智能体系统，无需中央控制单元，仅与相邻单元交换状态信息，即可实现混合储能系统中功率分配和输出状态变量一致性控制。然而，多组混合储能系统中锂电池变换器输出电流不均流，会导致输出电流值超过变换器设计的额定电流值；超级电容组会随着自放电率等因素影响，而导致端电压的差异，较低的端电压会影响其变换器瞬态功率输出的能力。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种多组混合储能系统多状态协同一致性控制方法，能够通过电压观测器分别实现锂电池变换器输出电压和超级电容端电压的平均值控制，以及通过一致性控制器分别实现锂电池变换器电感电流和超级电容端电压变化值的一致性控制。

本发明先通过电压观测器分别实现锂电池变换器输出电压和超级电容端电压的平均值控制，再通过一致性控制器分别实现锂电池变换器电感电流和超级电容端电压变化值的一致性控制。

(1)锂电池变换器的虚拟电阻协同一致性控制

虚拟阻抗控制实现了混合储能系统的分散式控制，锂电池变换器的虚拟电阻控制中虚拟电阻值会引起输出电压偏差，且多组混合储能系统中锂电池变换器间存在均流问题。因此，提出锂电池变换器的虚拟电阻协同一致性控制，将输出电压调节控制δu_vb和均流控制δu_ib加入基准，同时作用于变换器的电压环基准，可表示为：

式中，u^* _ref电压环实际基准值；u_ref为电压参考值；R_d为虚拟电阻值；i₁₁为锂电池变换器的电感电流值。

输出电压调节控制δu_vb通过电压观测器计算相邻单元实际输出电压状态信息交互值得到输出电压计算值，收敛于实际输出电压的平均值。通过调节器G_vb对计算值与参考值的误差调节，实现输出电压补偿。输出电压平均值跟随变换器控制电压的基准值，可表示为：

式中，u₁₂为锂电池变换器的输出电压值；a_ij为1，表示两个节点有边连接；j和i分别表示第j和第i个变换器；s为复变量。

均流控制δu_ib通过一致性控制器G_ib对相邻单元锂电池变换器电感电流状态进行误差调节，并加入变换器电压环路，实现均流控制，可表示为：

δu_ib＝G_ib(∑a_ij(i_11j-i_11i)) (3)

(2)超级电容变换器的虚拟电容协同一致性控制

超级电容变换器的虚拟电容控制实现超级电容瞬态功率输出，然而在多组混合储能系统中不同超级电容间存在端电压差异，易引起超级电容瞬态输出功率差异及能量越限的可能。将超级电容端电压一致性控制δu_ic和能量恢复平均值控制δu_vc加入电压环基准，可表示为：

式中，C_d为虚拟电容值；i₂₁为超级电容变换器电感电流。

超级电容能量恢复控制δu_vc，即端电压恢复初始平均值控制，通过电压观测器计算超级电容端电压变化平均值。为了实现超级电容瞬态功率响应后，能够快速补偿输出能量，即超级电容端电压变化基准值u₂₁₀为0。将电压观测器的端电压变化平均值与基准值进行误差调节，经过调节器G_vc的调节后加入电压环基准。因此，为了实现超级电容端电压瞬态功率输出后恢复至稳态值，超级电容端电压控制，可表示为：

式中，u₂₁为超级电容端电压值；u₂₁₀为超级电容的端电压稳态变化值，为了实现超级电容瞬态响应后能量恢复值初始稳态值，通常设为0。

超级电容端电压一致性控制δu_ic通过相邻单元的超级电容端电压状态信息交互与自身端电压进行一致性控制，经过调节器G_ic进行误差调节，消除多组混合储能系统中超级电容端电压差异，可表示为：

δu_ic＝G_ic(∑a_ij(u_21j-u_21i)) (6)

本发明有益效果在于：

1、基于超级电容变换器一致性控制器调节相邻超级电容单元间的端电压偏差，实现超级电容端电压的一致性控制。

2、基于超级电容变换器的电压观测器计算值与端电压变化稳态基准值的误差调节，实现超级电容瞬态功率响应后的能量快速恢复。

3、适用于混合储能系统在新能源交通工具、新能源电力系统等场合的电压控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中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它的附图。

图1多组混合储能系统结构图；

图2锂电池变换器的虚拟电阻协同一致性控制框图；

图3超级电容变换器的虚拟电容协同一致性控制框图；

图4多组混合储能系统的虚拟阻抗控制结果；

图5多组混合储能系统的多状态一致性控制结果。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

根据锂电池变换器的虚拟电阻协同一致性控制的表达式建立系统控制框图，如图2所示。多组混合储能系统中相同状态变量较多，同时为了便于一致性控制理论分析，因此采用拉普拉斯变换。U＝[u^* _ref1,u^* _ref2,…,u^* _refN]^T为变换器电压环参考电压的拉普拉斯变换；U_ref＝[u_ref1,u_ref2,…,u_refN]^T为变换器电压给定值的拉普拉斯变换，其中U_ref＝(u_ref/s)1_N；ΔU_vb＝[δu_vb1,δu_vb2,…,δu_vbN]^T为多组锂电池变换器中输出电压控制器的拉普拉斯变换；ΔU_ib＝[δu_ib1,δu_ib2,…,δu_ibN]^T为多组锂电池变换器均流控制的拉普拉斯变换；R_d＝diag{R_di}为虚拟电阻矩阵；I₁₁＝[i₁₁₁,i₁₁₂,…,i_11N]^T为多组锂电池变换器中电感电流的拉普拉斯变换。锂电池变换器虚拟电阻协同一致性控制，可表示为：

U＝U_ref+ΔU_vb+ΔU_ib-R_dI₁₁ (1)

ΔU_vb＝G_vb(U_ref-H_obsU₁₂) (2)

ΔU_ib＝-G_ibLI₁₁ (3)

式中，G_vb＝diag{G_vbi}为多组锂电池变换器中输出电压控制器矩阵；G_ib＝diag{G_ibi}为多组锂电池变换器中均流控制器矩阵。

图3为超级电容变换器的虚拟电容协同一致性控制框图，ΔU_ic＝[δu_ic1,δu_ic2,…,δu_icN]^T为多组超级电容端电压一致性控制的拉普拉斯变换；ΔU_vc＝[δu_vc1,δu_vc2,…,δu_vcN]^T为多组超级电容端电压平均值控制的拉普拉斯变换；U₂₁₀为所有元素为0的列矩阵；C_d＝diag{C_di}为虚拟电容矩阵；I₂₁＝[i₂₁₁,i₂₁₂,…,i_21N]^T为多组超级电容电感电流的拉普拉斯变换。超级电容变换器的虚拟电容协同一致性控制，可表示为：

ΔU_ic＝-G_icLU₂₁ (5)

ΔU_vc＝G_vc(U₂₁₀-H_obsU₂₁) (6)

式中，G_ic＝diag{G_ici}为多组超级电容端电压一致性控制器矩阵；G_vc＝diag{G_vci}为多组超级电容端电压平均值控制器。

(1)稳态电流分析

锂电池变换器得和超级电容变换器的输出电流I₁₂和I₂₂与负载电流I_o之间的关系函数，可表示为：

I₁₂＝(sC_dA_io(G_ibL+R_d)(A_uo+G_vcH_obs+G_icL)+A_ioA_uo(1_N+G_vbH_obs))^-1·A_ioA_uo(1_N+G_vbH_obs)I_o (7)

I₂₂＝(sC_dA_io(G_ibL+R_d)(A_uo+G_vcH_obs+G_icL)+A_ioA_uo(1_N+G_vbH_obs))^-1·sC_dA_io(G_ibL+R_d)(A_uo+G_vcH_obs+G_icL)I_o (8)

式中，A_io为变换器输入电流和输出电流之间的小信号传递函数的拉普拉斯变换；A_uo为变换器输入电压和输出电压之间的小信号传递函数的拉普拉斯变换。

根据终值定理对锂电池变换器输出电流稳态值进行化简，可表示为：

等价为：

式中，K_ivb＝diag{k_ivbi}，K_iib＝diag{k_iibi}，K_ivc＝diag{k_ivci}和K_iic＝diag{k_iici}分别为一致性控制器的积分项。

由于拉普拉斯矩阵L为平衡矩阵，所有QL＝0_N，可进一步化简为：

锂电池变换器输出稳态电流值可表示为：

同样，根据终值定理对式(8)进行化简，得到超级电容变换器的稳态输出电流，可表示为：

超级电容变换器的输出电流稳态值为：

上述理论证明了，锂电池变换器的稳态电流为负载电流，超级电容变换器的稳态电流为0，即没有稳态输出，满足设计要求。

(2)稳态电流分析

多组混合储能系统输出端并联接入母线，母线电压受锂电池变换器控制，采用终值定理分析锂电池变换器虚拟电阻协同一致性控制的输出电压稳态值，可表示为：

化简上式，可表示为：

两边同时乘以Q矩阵，可进一步化简为：

同样，根据终值定理分析超级电容变换器虚拟电容协同一致性控制的端电压稳态变化值，可表示为：

同理对上式进行化简，可得到端电压的稳态变化值为：

综合上述分析可发现，锂电池变换器虚拟电阻协同一致性控制的输出电压为参考值，能够消除电压偏差；超级电容变换器虚拟电容协同一致性控制的端电压变化值为0，在瞬态功率响应后能够恢复能量，使端电压恢复到初始值。

以四组混合储能系统为例进行分析，图4为四组混合储能系统只有虚拟阻抗控制的仿真结果，图4(a)为输出电压，虚拟电阻引起输出电压的偏差随着功率等级的增加而增加，线路阻抗导致各组之间的输出电压存在差异。图4(b)为锂电池变换器电感电流，线路阻抗导致电感电流之间存在差异，且随着功率等级的增加而增加，存在超过额定功率的可能。图4(c)为超级电容端电压，瞬态功率响应后，超级电容的端电压会随着瞬态功率的输出而降低，会随着脉动功率的需求而变化，较低的端电压会影响超级电容变换器的瞬态功率输出能力。图4(d)为超级电容电感电流，瞬态功率输出回路中，回路电阻越大，超级电容变换器电感电流的瞬态输出幅值越小。

图5为四组混合储能系统的多状态协同一致性控制的仿真结果，图5(a)为协同控制后的输出电压仿真结果，补偿了虚拟电阻和线路阻抗带来的偏差，实现了多组输出电压的一致性平均值控制。输出电压间存在一定的差异是由于通过改变参考电压基准来调节变换器输出调节输出电流。图5(b)为锂电池变换器的电感电流，实现了均流控制。图5(c)为超级电容端电压变化曲线，可发现超级电容组的端电压收敛于端电压的平均值。图5(d)超级电容的输出电流，响应负荷的瞬态功率需求。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种多组混合储能系统多状态协同一致性控制方法，其特征在于包括以下步骤：先通过电压观测器分别实现锂电池变换器输出电压和超级电容端电压的平均值控制，再通过一致性控制器分别实现锂电池变换器电感电流和超级电容端电压变化值的一致性控制；所述的一致性控制器的控制过程包括锂电池变换器的虚拟电阻协同一致性控制和超级电容变换器的虚拟电容协同一致性控制；所述的锂电池变换器的虚拟电阻协同一致性控制包括以下步骤：

1)将输出电压调节控制δu_vb和均流控制δu_ib加入基准，同时作用于变换器的电压环基准，表示为：

式中，u^* _ref电压环实际基准值；u_ref为电压参考值；R_d为虚拟电阻值；i₁₁为锂电池变换器的电感电流值。

2)输出电压调节控制δu_vb通过电压观测器计算相邻单元实际输出电压状态信息交互值得到输出电压计算值，收敛于实际输出电压的平均值，通过调节器G_vuub对计算值与参考值的误差调节，实现输出电压补偿，输出电压平均值跟随变换器控制电压的基准值，表示为：

式中，u₁₂为锂电池变换器的输出电压值；a_ij为1，表示两个节点有边连接；j和i分别表示第j和第i个变换器；s为复变量。

3)均流控制δu_ib通过一致性控制器G_ib对相邻单元锂电池变换器电感电流状态进行误差调节，并加入变换器电压环路，实现均流控制，表示为：

δu_ib＝G_ib(∑a_ij(i_11j-i_11i)) (3)。

2.根据权利要求1所述的多组混合储能系统多状态协同一致性控制方法，其特征在于：所述的超级电容变换器的虚拟电容协同一致性控制包括以下步骤：

1)超级电容变换器的虚拟电容控制实现超级电容瞬态功率输出，将超级电容端电压一致性控制δu_ic和能量恢复平均值控制δu_vc加入电压环基准，表示为：

式中，C_d为虚拟电容值；i₂₁为超级电容变换器电感电流。

2)超级电容能量恢复控制δu_vc，即端电压恢复初始平均值控制，通过电压观测器计算超级电容端电压变化平均值；将电压观测器的端电压变化平均值与基准值进行误差调节，经过调节器G_vc的调节后加入电压环基准，超级电容端电压表示为：

式中，u₂₁为超级电容端电压值；u₂₁₀为超级电容的端电压稳态变化值，为了实现超级电容瞬态响应后能量恢复值初始稳态值，通常设为0；a_ij为1，表示两个节点有边连接；s为复变量；

3)超级电容端电压一致性控制δu_ic通过相邻单元的超级电容端电压状态信息交互与自身端电压进行一致性控制，经过调节器G_ic进行误差调节，消除多组混合储能系统中超级电容端电压差异，表示为：

δu_ic＝G_ic(∑a_ij(u_21j-u_21i)) (6)。