CN116111645A - 一种适用于低压并网型储能系统及控制方法 - Google Patents

一种适用于低压并网型储能系统及控制方法 Download PDF

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胡丽
宋婷婷
文孟杰
陈晓东
周利梅
张帆
陈文佼
王涛
张元馨
田明国
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Abstract

本发明公开了一种适用于低压并网型储能系统及方法，包括：两个或两个以上并联的储能系统，每一个储能系统都有一个本地控制器；每一个储能系统依次连接DAB和AC/DC变换器后，与电网连接；在对多机DAB变流器进行控制时，将效率与使用寿命都融入代价函数中，通过最小化代价函数，计算求得各个DAB变流器的最优相移控制量，以控制各DAB变流器的功率分配比，使得系统总效率最高。本发明提出AC/DC+DAB变流器的选择方案，并采用兼顾效率和使用寿命的控制方案，在提升效率的同时，延长使用寿命，大幅提升经济效益。

Description

一种适用于低压并网型储能系统及控制方法
技术领域
本发明涉及储能变换器控制技术领域，尤其涉及一种适用于低压并网型储能系统及控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着分布式可再生能源大量接入配电网，对于储能系统的设计提出了新的要求：如储能系统中电池管理系统(BMS，Battery Management System)、变流器(PCS，PowerConversion System)、能量管理系统(EMS，Energy Management System)之间的通信架构的设计，变流器类型的选择及控制方案的设计等。为应对分布式可再生能源带来的随机性、波动性难题，储能系统的BMS、PCS、EMS之间需要合适的通信方案，要求在实现有效通信的同时，降低通信量，以降低成本。
现有的通信架构设计方案主要为两种：集中式控制方法与分散式控制方法。前者强依赖于与系统中心控制器的通信，存在单点失效与通信构建成本高的问题，导致该方法的可靠性与扩展性较差。后者多基于下垂控制方法，其仅为本地决策方法，无需任何通信手段，但无法同时兼顾电压调节与功率分配精度，难以实现全局的控制目标，控制品质较差。
另外，在变流器类型的选择及控制方案的设计方面，往往采用各种提升效率的方案，却忽略了变流器的使用寿命，导致变流器使用年限过低，降低了经济效益。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种适用于低压并网型储能系统及控制方法，构建AC/DC+双有源全桥DC/DC变流器(DAB)的储能系统架构，将效率与使用寿命都代入一个代价函数中，同时采用分布式控制架构，建立环形通信网络，通过一致性算法观测器实现有效通信。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种适用于低压并网型储能系统，包括：
两个或两个以上并联的储能系统，每一个储能系统都有一个本地控制器；每一个储能系统依次连接DAB和AC/DC变换器后，与电网连接；
在对多机DAB变流器进行控制时，将效率与使用寿命都融入代价函数中，通过最小化代价函数，计算求得各个DAB变流器的最优相移控制量，以控制各DAB变流器的功率分配比，使得系统总效率最高。
每一个储能系统代表一个节点，本地控制器通过获取本地节点的电压值和相邻节点的电压值，根据一致性算法，通过迭代，得到全局电压平均值，从而实现有效通信。
对于每个DAB变流器，脉宽调制器根据当前时刻的相移控制量进行移相调制，得到设定占空比的矩形波信号，分别输入给对应DAB变流器的各个开关管，实现一个工作周期的控制。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种适用于低压并网型储能系统的控制方法，包括：
每一个储能系统代表一个节点，本地控制器通过获取本地节点的电压值和相邻节点的电压值，根据一致性算法，通过迭代，得到全局电压平均值，从而实现有效通信；
在对多机DAB变流器进行控制时，将效率与使用寿命都融入代价函数中，通过最小化代价函数，计算求得各个DAB变流器的最优相移控制量，以控制各DAB变流器的功率分配比，使得系统总效率最高；
对于每个DAB变流器，脉宽调制器根据当前时刻的相移控制量进行移相调制，得到设定占空比的矩形波信号，分别输入给对应DAB变流器的各个开关管，实现一个工作周期的控制。
每一个储能系统代表一个节点，本地控制器通过获取本地节点的电压值和相邻节点的电压值，根据一致性算法，通过迭代，得到全局电压平均值，从而实现有效通信。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现指令；存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的适用于低压并网型储能系统的控制方法。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的适用于低压并网型储能系统的控制方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用分布式控制架构，建立环形通信网络，采集本地节点信息和相邻节点的信息，通过负反馈机制，可获得全局电压信息，通过一致性算法观测器实现有效通信。
(2)本发明提出AC/DC+DAB变流器的选择方案，并采用兼顾效率和使用寿命的控制方案，在提升效率的同时，延长使用寿命，大幅提升经济效益。
本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例中的适用于低压并网型储能系统结构示意图；
图2为本发明实施例中的四节点环形通信网络示意图；
图3为本发明实施例中的一致性算法观测器结果展示图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种适用于低压并网型储能系统，结合图1，包括：
两个或两个以上并联的储能系统，每一个储能系统都有一个本地控制器；每一个储能系统依次连接DAB和AC/DC变换器后，与电网连接；
在对多机DAB变流器进行控制时，将效率与使用寿命都融入代价函数中，通过最小化代价函数，计算求得各个DAB变流器的最优相移控制量，以控制各DAB变流器的功率分配比，使得系统总效率最高。
具体地，考虑到DAB变流器能实现能量双向流通、易于实现软开关、电压转换比大、电气隔离等优点，本实施例选择了AC/DC+DAB变流器的方案。并且，考虑到储能正在向着大功率、集群化的方向前进，单机变流器因传输功率/电流/电压等级有限，已无法满足大功率、集群化储能的要求；此时，将多个中小功率等级的变流器通过模块化串并联组合形式实现扩容，是工程中重要的解决方案之一。
之前的工作往往只考虑提升变流器的效率，而忽视了变流器的使用寿命。在实际的储能系统建造成本中，变流器的成本占了相当大的比例。延长变流器的使用寿命，能够显著提升储能系统的经济效益。
因此，对于多机系统的功率分配策略，除了要考虑系统总体效率，还要考虑变流器的使用寿命。影响变流器使用寿命的因素有很多，如外部工作环境、内部温度、带载范围、连续工作时间等。其中，内部温度、带载范围和连续工作时间的影响均可总结为一个公式:W＝P·T(W为变流器连续传输能量标幺值；P为变流器输出功率标幺值；T为变流器连续工作时间)。可形象理解为，两台变流器，均工作于额定功率下，前者工作了1h，后者工作了2h，后者的疲劳程度明显大于前者，从而导致后者的使用寿命要低于前者。
变流器的效率分为单机和多机两部分。之前关于单机效率优化的工作已经非常完善，故不再赘述。在多机效率优化方面，之前的工作主要是采用平均功率分配法，即各个变流器模块分配相同的功率。当变流器型号参数基本相同，且所带负载较高时，使用平均分配法，效率较高。
然而，实际的多机系统中有两个问题导致平均分配法可能会不适用：
①不同变流器的参数差异较大，导致效率-功率曲线不一致，此时，使用平均分配法分配功率明显不是最优选择。
②当变流器低载运行时，效率会明显降低。
因此，当负载所需功率较低时，所有的变流器均低载运行，系统总效率会明显降低。此时使用平均分配法绝对不是最优选择。为解决上述问题，应获取每个变流器的效率-功率曲线，进而获取全系统的效率-各变流器功率分配比曲线，最终得到使系统总效率最高的各变流器功率分配比，从而提升变流器多机运行时的效率。
为兼顾变流器的效率与使用寿命，本实施例将效率与使用寿命都代入一个代价函数中，如下：
Figure BDA0004041099150000061
其中，η为变流器的效率，ηref为变流器效率参考值，设为1；W为变流器连续输出能量的标幺值，Wref为变流器可连续工作的最长时间。α和β为代价函数的系数，由试凑法可得。
计算求得各个DAB变流器的最优相移控制量，以控制各DAB变流器的功率分配比，使得系统总效率最高。
对于每个DAB变流器，脉宽调制器根据当前时刻的相移控制量进行移相调制，得到设定占空比的矩形波信号，分别输入给对应DAB变流器的各个开关管，实现一个工作周期的控制。
本实施例兼顾变流器效率和使用寿命的控制方案，在提升效率的同时，延长变流器的使用寿命，从而提升经济效益。
另外，本实施例中，采用分布式控制架构，建立环形通信网络，采集本地节点信息和相邻节点的信息，通过一致性算法观测器，可获得全局电压信息，以此实现有效通信。
具体地，根据图论的相关知识，环形通信网络能通过稀疏通信网络实现全局有效通信，且应对通信线路故障具有一定的鲁棒性，是通信网络的最优选择。下面将以一个四节点网络(如图2)为例，说明其工作机制。
四个节点分别代表四个储能系统，每一个储能系统都有一个本地控制器。在实际控制系统中，本地控制器需要获得四个节点的电压信息和全局电压平均值，只需得到本地节点的电压值和相邻节点的电压值，根据一致性算法，通过迭代，即可得到全局电压平均值，从而实现有效通信。公式如下：
V1＝∫(V2+V4-2V1)           (2)
V2＝∫(V3+V1-2V2)        (3)
V3＝∫(V4+V2-2V3)                 (4)
V4＝∫(V1+V3-2V4)             (5)
其中，V1、V2、V3、V4分别代表四个节点的电压。设四个节点的电压分别为320V、400V、480V、560V，则全局电压平均值为440V。如图3，经过有限次迭代后，四个节点的电压趋近于全局电压平均值，证明该方案实现了有效通信。
n节点的通用公式如下：
Vi＝∫∑(Vj-Vi)              (6)
其中，节点j为与节点i的相邻节点，Vi、Vj分别表示节点i和节点j的电压。
本实施例的一致性算法观测器，实现了稀疏通信网络下的有效通信。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种适用于低压并网型储能系统的控制方法，包括：
每一个储能系统代表一个节点，本地控制器通过获取本地节点的电压值和相邻节点的电压值，根据一致性算法，通过迭代，得到全局电压平均值，从而实现有效通信；
在对多机DAB变流器进行控制时，将效率与使用寿命都融入代价函数中，通过最小化代价函数，计算求得各个DAB变流器的最优相移控制量，以控制各DAB变流器的功率分配比，使得系统总效率最高；
对于每个DAB变流器，脉宽调制器根据当前时刻的相移控制量进行移相调制，得到设定占空比的矩形波信号，分别输入给对应DAB变流器的各个开关管，实现一个工作周期的控制。
每一个储能系统代表一个节点，本地控制器通过获取本地节点的电压值和相邻节点的电压值，根据一致性算法，通过迭代，得到全局电压平均值，从而实现有效通信。
在对多机DAB变流器进行控制时，各变流器的代价函数为：
f＝α(η-ηref)2+β(W-Wref)2
其中，η为变流器的效率，ηref为变流器效率参考值；W为变流器连续输出能量的标幺值，Wref为变流器可连续工作的最长时间；α和β分别为代价函数的系数，由试凑法得到。
需要说明的是，上述过程的具体实现方式已经在实施例一中进行了详细的说明，此处不再详述。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的适用于低压并网型储能系统的控制方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
实施例四
在一个或多个实施方式中，公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实施例一中所述的适用于低压并网型储能系统的控制方法。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种适用于低压并网型储能系统，其特征在于，包括：
两个或两个以上并联的储能系统，每一个储能系统都有一个本地控制器；每一个储能系统依次连接DAB和AC/DC变换器后，与电网连接；
在对多机DAB变流器进行控制时，将效率与使用寿命都融入代价函数中，通过最小化代价函数，计算求得各个DAB变流器的最优相移控制量，以控制各DAB变流器的功率分配比，使得系统总效率最高。
2.如权利要求1所述的一种适用于低压并网型储能系统，其特征在于，每一个储能系统代表一个节点，本地控制器通过获取本地节点的电压值和相邻节点的电压值，根据一致性算法，通过迭代，得到全局电压平均值，从而实现有效通信。
3.如权利要求2所述的一种适用于低压并网型储能系统，其特征在于，节点i的电压表示为：
Vi＝∫∑(Vj-Vi)
其中，节点j为与节点i的相邻节点，Vi、Vj分别表示节点i和节点j的电压。
4.如权利要求1所述的一种适用于低压并网型储能系统，其特征在于，在对多机DAB变流器进行控制时，各变流器的代价函数为：
f＝α(η-ηref)2+β(W-Wref)2
其中，η为变流器的效率，ηref为变流器效率参考值；W为变流器连续输出能量的标幺值，Wref为变流器可连续工作的最长时间；α和β分别为代价函数的系数，由试凑法得到。
5.如权利要求1所述的一种适用于低压并网型储能系统，其特征在于，对于每个DAB变流器，脉宽调制器根据当前时刻的相移控制量进行移相调制，得到设定占空比的矩形波信号，分别输入给对应DAB变流器的各个开关管，实现一个工作周期的控制。
6.一种适用于低压并网型储能系统的控制方法，其特征在于，包括：
每一个储能系统代表一个节点，本地控制器通过获取本地节点的电压值和相邻节点的电压值，根据一致性算法，通过迭代，得到全局电压平均值，从而实现有效通信；
在对多机DAB变流器进行控制时，将效率与使用寿命都融入代价函数中，通过最小化代价函数，计算求得各个DAB变流器的最优相移控制量，以控制各DAB变流器的功率分配比，使得系统总效率最高；
对于每个DAB变流器，脉宽调制器根据当前时刻的相移控制量进行移相调制，得到设定占空比的矩形波信号，分别输入给对应DAB变流器的各个开关管，实现一个工作周期的控制。
7.如权利要求6所述的一种适用于低压并网型储能系统的控制方法，其特征在于，每一个储能系统代表一个节点，本地控制器通过获取本地节点的电压值和相邻节点的电压值，根据一致性算法，通过迭代，得到全局电压平均值，从而实现有效通信。
8.如权利要求6所述的一种适用于低压并网型储能系统的控制方法，其特征在于，在对多机DAB变流器进行控制时，各变流器的代价函数为：
f＝α(η-ηref)2+β(W-Wref)2
其中，η为变流器的效率，ηref为变流器效率参考值；W为变流器连续输出能量的标幺值，Wref为变流器可连续工作的最长时间；α和β分别为代价函数的系数，由试凑法得到。
9.一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现指令；存储器用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求6-8任一项所述的适用于低压并网型储能系统的控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求6-8任一项所述的适用于低压并网型储能系统的控制方法。
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