CN115395541A - 一种交流微电网储能系统改进soc均衡控制方法 - Google Patents

一种交流微电网储能系统改进soc均衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种交流微电网储能系统改进SOC均衡控制方法，包括如下步骤：第一步：建立交流微电网储能系统并联控制电路模型；第二步：获取每个储能的SOC值并计算各储能单元的平均值；第三步：得到改进的下垂系数m，通过引入荷电状态参数与双曲正切函数结合，改变下垂控制输出功率以达到SOC均衡；第四步：设计改进的下垂系数；第五步：得到电压电流双闭环的输入参考电压值；第六步：得到双闭环最终的输出参考值；第七步：调节储能单元的输出功率，使并联储能单元之间SOC均衡。本发明能够避免储能单元超过最大输出功率的同时提高SOC均衡速度，并且克服传统SOC均衡方法在SOC差值较小时均衡速度较慢的问题。

Description

一种交流微电网储能系统改进SOC均衡控制方法
技术领域
本发明涉及交流微电网分布式储能系统控制技术领域，具体涉及一种交流微电网储能系统改进SOC均衡控制方法。
背景技术
随着环境保护意识的增强以及对碳排放的担忧，可再生能源的使用需求正日益提高。如光伏、风电、水能等由可再生能源组成的分布式电源(Distributed Generation，DG)正被广泛应用于微电网系统中。然而，可再生能源具有间歇性，从而导致了微电网系统的负荷功率供需不平衡。因此，可通过接入分布式电池储能系统(Distributed Energy StorageSystems,DESS)以维持系统的功率平衡，提高系统的稳定性和可靠性。
分布式储能系统的储能单元由于使用过程中功率分配不均，初始容量不同以及老化等问题，造成了储能系统荷电状态(State of Charge，SOC)出现差异，导致储能单元出现过充放电问题，缩短了储能单元的寿命，影响了系统的可靠性。
为了解决SOC出现差异的问题，有许多学者提出了解决方案。文献《孤岛运行交流微电网中分布式储能系统改进下垂控制方法》提出了一种以SOC状态参数构建的幂指数函数改进下垂控制方法，实现SOC均衡。文献《Distributed Secondary Level Control forEnergy Storage Management in DC Microgrids》提出了一种根据SOC平均值进行比较的指数函数关系的改进下垂控制方法，以提高SOC的均衡速度。但上述方法仍存在SOC收敛速度与最大输出功率不能调和以及随着SOC差值越小，收敛速度越慢的问题，为此我们提出了一种交流微电网储能系统改进SOC均衡控制方法。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供一种交流微电网储能系统改进SOC均衡控制方法，以解决上述的问题。
(二)技术方案
为实现上述所述目的，本发明提供如下技术方案：
一种交流微电网储能系统改进SOC均衡控制方法：
第一步：建立交流微电网储能系统并联控制电路模型；
第二步：利用安培积分法估算每个储能单元的SOC值，通过低带宽通信获取每个储能的SOC值并计算各储能单元的平均值；
第三步：在微电网储能系统传统下垂控制方程上提出改进的变下垂系数下垂控制方法，得到改进的下垂系数m(SOC,i)，通过引入荷电状态参数与双曲正切函数结合，改变下垂控制输出功率以达到SOC均衡；
第四步：设计改进的下垂系数；
第五步：将改进下垂控制方程的输出频率和输出电压进行参考电压合成，并将合成量进行dq变换，得到电压电流双闭环的输入参考电压值；
第六步：参考电压值经过电压环与储能单元逆变器输出电压进行比较，得到电流环参考值，电流环参考值经过电流环与储能单元逆变器输出电感电流进行比较，得到双闭环最终的输出参考值；
第七步：双闭环输出参考值生成PWM信号对逆变器进行控制，从而调节储能单元的输出功率，使得并联储能单元之间SOC均衡。
优选的，第一步中控制电路模型包括以下内容：交流微电网由能源、储能单元、负荷、主电网以及静态开关组成，光伏、风机通过DC/DC变换器和逆变器连接到公共交流母线上，蓄电池通过逆变器连接到公共交流母线上，光伏、风机通常最大功率点追踪的工作模式，储能单元采用下垂控制来调节系统的电压和频率，交流微电网通过STS开关进行孤岛模式和并网模式的切换。
优选的，微电网储能系统传统下垂控制方程表达式为：
式1：fi＝fref-miPi
式2：Ui＝Uref-niQi
式1和式2中fref，Uref为储能单元的额定参考频率值和额定参考电压值，mi，ni为储能单元逆变器有功下垂系数和无功下垂系数，Pi和Qi为储能单元逆变器i的输出有功功率和输出无功功率。
优选的，提出改进的变下垂系数下垂控制方程表达式为：
fi＝fref-m(SOC,i)Pi。
优选的，改进的下垂系数，表达式如下：
m(SOC,i)＝mi-p*tanh(nΔSOCi)
其中ΔSOCi＝SOCi-ASOC
式中：p为功率因子；
n为收敛因子；SOCi为储能单元i的SOC估算值；
ASOC为各储能单元的SOC平均值；
tanh为双曲正切函数；
其中双曲正切函数可以表示为：
Figure BDA0003769088320000031
优选的，所述第四步中的设计改进的下垂系数m(SOC,i)是通过调整传统下垂控制中的下垂系数，来改变逆变器的输出功率，而m(SOC,i)中通过双曲正切函数特性，构建的功率因子p可作用于调节储能单元逆变器输出功率，而收敛因子n可作用于调节储能单元SOC收敛速度。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供的交流微电网储能系统改进SOC均衡控制方法，具备以下有益效果：
1、该交流微电网储能系统改进SOC均衡控制方法，通过建立基于双曲正切函数的变下垂系数的下垂控制方程，通过调节功率因子p和收敛因子n来对下垂控制中储能SOC均衡状态进行调整，实现SOC高的储能单元输出功率高，SOC低的储能单元输出功率低，从而使各储能单元的SOC达到均衡状态。并且能够避免储能单元超过最大输出功率的同时提高SOC均衡速度，克服传统SOC均衡方法在SOC差值较小时均衡速度较慢的问题。
附图说明
图1为本发明实施例交流微电网的结构示意图；
图2为本发明实施例储能单元并联电路结构图；
图3为本发明实施例改进SOC均衡控制的双闭环下垂控制结构图；
图4为本发明实施例改进有功下垂系数随收敛因子n变化的趋势图；
图5为本发明实施例改进有功下垂系数随功率因子p变化的趋势图；
图6为本发明实施例1中储能系统改进SOC均衡控制输出有功功率仿真图；
图7为本发明实施例1中储能系统改进SOC均衡控制SOC仿真图；
图8为本发明实施案例2中储能系统改进SOC均衡控制输出有功功率仿真图；
图9为本发明实施案例2中储能系统改进SOC均衡控制SOC仿真图。
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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1-9，本发明实施例提供的交流微电网储能系统改进SOC均衡控制方法，其包括以下步骤：
步骤1具体包括：建立交流微电网储能系统并联控制电路模型。如图1所示，交流微电网由可在能能源(光伏、风机)、储能单元(DESS1、DESS2)、负荷、主电网以及静态开关(STS)组成。其中光伏、风机通过DC/DC变换器和逆变器连接到公共交流母线上，蓄电池通过逆变器连接到公共交流母线上。光伏、风机通常采用最大功率点追踪(MPPT)的工作模式，而储能单元则采用下垂控制来调节系统的电压和频率。交流微电网可通过STS开关进行孤岛模式和并网模式的切换。
图2为储能单元DESS的并联电路结构图，UDC为蓄电池的输出电压，储能单元经过线路阻抗Z1和Z2来给负荷进行供电。
步骤2具体包括：利用安培积分法估算每个储能单元的SOC值，通过低带宽通信获取每个储能的SOC值并计算各储能单元的平均值。
利用安培积分法估算每个储能单元的SOC值，其SOC表达式可以表示为：
Figure BDA0003769088320000051
式中：SOCi0为储能单元i的SOC初始值；UDC为储能单元直流侧电压；Ce为储能单元的容量值。通常，储能单元SOC变化较慢，故UDC可认为不变，而SOCi0和Ce由储能单元自身决定，所以可通过调节储能单元的Pi来调节SOC值。
储能单元的平均值ASOC的表达式可以表示为：
Figure BDA0003769088320000052
式中：n为储能单元的个数。
步骤3具体包括：在微电网储能系统传统下垂控制方程上提出改进的变下垂系数下垂控制方法，通过引入荷电状态参数与双曲正切函数结合，改变下垂控制输出功率以达到SOC均衡，并提高均衡速度。总体控制框图如图3所示。
微电网储能系统传统下垂控制方程表达式为：
fi＝fref-miPi (3)
Ui＝Uref-niQi (4)
式(3)和式(4)中fref，Uref为储能单元的额定参考频率值和额定参考电压值；mi，ni为储能单元逆变器有功下垂系数和无功下垂系数；Pi和Qi为储能单元逆变器i的输出有功功率和输出无功功率。
在微电网储能系统中频率可视为全局变量，系统稳定时各储能单元频率一致。由式(3)可得出任意两台储能单元逆变器输出有功功率和下垂系数关系如下：
Figure BDA0003769088320000053
由式(5)可知，可通过调节下垂系数来改变储能单元输出有功功率。
提出改进的变下垂系数下垂控制方程表达式为：
fi＝fref-m(SOC,i)Pi (6)
式中m(SOC,i)为改进的下垂系数，该下垂系数可动态调整，以调节有功功率的输出。
步骤4具体包括：设计改进的下垂系数，表达式如下：
m(SOC,i)＝mi-p*tanh(nΔSOCi) (7)
其中ΔSOCi＝SOCi-ASOC
式中：p为功率因子；n为收敛因子；SOCi为储能单元i的SOC估算值；ASOC为各储能单元的SOC平均值；tanh为双曲正切函数。
其中双曲正切函数可以表示为：
Figure BDA0003769088320000061
通过式(6)和式(7)可以得到储能单元输出有功功率表达式为：
Figure BDA0003769088320000062
通过式(9)和式(1)进而可得储能单元的SOC表达式为：
Figure BDA0003769088320000063
以两台储能单元1和2为例，且储能单元拥有相同的下垂系数，则两台储能单元SOC偏差可表示为：
Figure BDA0003769088320000064
对式(11)求导可得：
Figure BDA0003769088320000065
由式(11)和式(12)可知，当SOC1>SOC2时，SOC1-ASOC>0，SOC2-ASOC<0，则
Figure BDA0003769088320000071
当SOC1<SOC2时，
Figure BDA0003769088320000072
因此可知，在本发明所提的改进下垂控制中，储能单元之间SOC出现差异时偏差会逐渐减少，从而实现SOC的均衡。
改进的下垂系数m(SOC,i)的机理是通过调整传统下垂控制中的下垂系数，来改变逆变器的输出功率。而m(SOC,i)中通过双曲正切函数特性，构建的功率因子p可作用于调节储能单元逆变器输出功率，而收敛因子n可作用于调节储能单元SOC收敛速度；
如图4和图5所示，根据式(7)可通过调节收敛因子n和功率因子p来观察改进下垂系数m(SOC,i)的变化情况，设初始下垂系数mi＝2e-5。当ΔSOC>0时，储能单元SOC大，下垂系数应该变小以输出更大的有功功率。相反的，当ΔSOC<0时，储能单元SOC小，下垂系数应该变大以输出更小的有功功率。
如图4所示，功率因子p固定，收敛因子n变化。当ΔSOCi绝对值较大时，m(SOC,i)在ΔSOCi正负半轴上的差值保持不变；当ΔSOCi绝对值变小时，在收敛因子n较大的情况下，m(SOC,i)在ΔSOCi正负半轴上仍然能保持较大的差值。换言之，当收敛因子n较大时，即使ΔSOCi绝对值很小，储能单元之间也能维持较大的输出有功功率差值，从而提高收敛速度，使得储能单元SOC均衡加快。
如图5所示，收敛因子n固定，功率因子p变化。m(SOC,i)在ΔSOCi的整个正负半轴上的差值各不相同。功率因子p越大，m(SOC,i)在ΔSOCi正负半轴上的差值就越大。因此，可以通过控制功率因子p来限制m(SOC,i)的差值，从而限制储能单元的最大输出有功功率。
步骤5具体包括：将改进下垂控制方程的输出频率和输出电压进行参考电压合成，并将合成量进行dq变换，得到电压电流双闭环的输入参考电压值。
步骤6具体包括：参考电压值经过电压环与储能单元逆变器输出电压进行比较，得到电流环参考值，电流环参考值经过电流环与储能单元逆变器输出电感电流进行比较，得到双闭环最终的输出参考值。
步骤7具体包括：双闭环输出参考值生成PWM信号对逆变器进行控制，从而调节储能单元的输出功率，使得并联储能单元之间SOC均衡。
本发明的仿真结果分析如下：
为验证本发明所提交流微电网储能系统改进SOC均衡控制方法的有效性，在MATLAB/Simulink里搭建了两台储能单元并联仿真模型。储能单元1和2直流侧电压UDC＝500V；容量Ce＝3Ah；线路阻抗Z1＝Z1＝0.01+j3e-3；额定频率fref＝50Hz；有功下垂系数m1＝m2＝2e-5；负荷为20kW+4kvar；储能单元最大允许输出功率为14kW；储能单元SOC1＝0.9，SOC2＝0.85。
具体的实施案例1：收敛因子n＝500，功率因子p＝0.0000043。如图6和图7所示，系统运行时，在收敛因子取较大值，且在功率因子p的调节下，SOC值较大的储能单元1在系统运行初期以允许的最大输出功率值来输出有功功率P1，SOC值较小的储能单元2输出较低的有功功率P2，从而提高SOC均衡速度。在系统运行至25s时，因为储能单元SOC1和SOC2之间的差值开始减少，因此储能单元输出有功功率开始平滑地收敛至同一值。在系统运行至40s时，储能单元1和2有功功率均收敛至同一值，且SOC1＝SOC2，达到了SOC均衡的目的。
具体的实施案例2：收敛因子n＝50000，功率因子p＝0.0000023。如图8和图9所示，相较于案例1而言，随着功率因子p的减小，储能单元1输出的有功功率P1也相应的降低。由此说明，可根据储能单元自身允许的最大输出功率值来调节功率因子p进行输出有功功率。而收敛因子n越大，储能单元SOC均衡速度越快，但是n过大会造成输出有功功率收敛至同一值时产生抖动，从而影响了电能的质量。因此合适地选择收敛因子n即可使得储能单元SOC均衡加快，也可以使得输出有功功率的平滑收敛。
本发明上述实施例重点是通过建立交流微电网分布式储能系统并联控制电路，构建电压环和电流环的双闭环改进下垂控制策略，该方法包括如下步骤：通过储能单元荷电状态参数建立基于双曲正切函数的变下垂系数的下垂控制方程，通过调节功率因子p和收敛因子n来对下垂控制中储能SOC均衡状态进行调整，实现SOC高的储能单元输出功率高，SOC低的储能单元输出功率低，从而使各储能单元的SOC达到均衡状态。本发明能够避免储能单元超过最大输出功率的同时提高SOC均衡速度，并且克服传统SOC均衡方法在SOC差值较小时均衡速度较慢的问题。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种交流微电网储能系统改进SOC均衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：建立交流微电网储能系统并联控制电路模型；
第二步：利用安培积分法估算每个储能单元的SOC值，通过低带宽通信获取每个储能的SOC值并计算各储能单元的平均值；
第三步：在微电网储能系统传统下垂控制方程上提出改进的变下垂系数下垂控制方法，得到改进的下垂系数m(SOC,i)，通过引入荷电状态参数与双曲正切函数结合，改变下垂控制输出功率以达到SOC均衡；
第四步：设计改进的下垂系数；
第五步：将改进下垂控制方程的输出频率和输出电压进行参考电压合成，并将合成量进行dq变换，得到电压电流双闭环的输入参考电压值；
第六步：参考电压值经过电压环与储能单元逆变器输出电压进行比较，得到电流环参考值，电流环参考值经过电流环与储能单元逆变器输出电感电流进行比较，得到双闭环最终的输出参考值；
第七步：双闭环输出参考值生成PWM信号对逆变器进行控制，从而调节储能单元的输出功率，使得并联储能单元之间SOC均衡。
2.根据权利要求1所述的交流微电网储能系统改进SOC均衡控制方法，其特征在于：所述第一步中控制电路模型包括以下内容：交流微电网由能源、储能单元、负荷、主电网以及静态开关组成，光伏、风机通过DC/DC变换器和逆变器连接到公共交流母线上，蓄电池通过逆变器连接到公共交流母线上，光伏、风机通常最大功率点追踪的工作模式，储能单元采用下垂控制来调节系统的电压和频率，交流微电网通过STS开关进行孤岛模式和并网模式的切换。
3.根据权利要求1所述的交流微电网储能系统改进SOC均衡控制方法，其特征在于：所述微电网储能系统传统下垂控制方程表达式为：
式1：fi＝fref-miPi
式2：Ui＝Uref-niQi
式1和式2中fref，Uref为储能单元的额定参考频率值和额定参考电压值，mi，ni为储能单元逆变器有功下垂系数和无功下垂系数，Pi和Qi为储能单元逆变器i的输出有功功率和输出无功功率。
4.根据权利要求1所述的交流微电网储能系统改进SOC均衡控制方法，其特征在于：所述提出改进的变下垂系数下垂控制方程表达式为：
fi＝fref-m(SOC,i)Pi。
5.根据权利要求1所述的交流微电网储能系统改进SOC均衡控制方法，其特征在于：所述改进的下垂系数，表达式如下：
m(SOC,i)＝mi-p*tanh(nΔSOCi)
其中ΔSOCi＝SOCi-ASOC
式中：p为功率因子；
n为收敛因子；
SOCi为储能单元i的SOC估算值；
ASOC为各储能单元的SOC平均值；
tanh为双曲正切函数；
其中双曲正切函数可以表示为：
Figure FDA0003769088310000021
6.根据权利要求5所述的交流微电网储能系统改进SOC均衡控制方法，其特征在于：所述改进的下垂系数m(SOC,i)是通过调整传统下垂控制中的下垂系数，来改变逆变器的输出功率，而m(SOC,i)中通过双曲正切函数特性，构建的功率因子p可作用于调节储能单元逆变器输出功率，而收敛因子n可作用于调节储能单元SOC收敛速度。
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