CN117039831A - 孤岛直流微电网soc平衡控制方法、设备及存储介质 - Google Patents

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CN117039831A CN202311032442.XA CN202311032442A CN117039831A CN 117039831 A CN117039831 A CN 117039831A CN 202311032442 A CN202311032442 A CN 202311032442A CN 117039831 A CN117039831 A CN 117039831A
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Abstract

本发明公开了一种孤岛直流微电网SOC平衡控制方法、设备及存储介质，为了提高平衡速度，引入了SOC不平衡度的概念和自适应SOC平衡因子。与现有的方法相比，该方法在SOC差异小、BEU功率低的情况下具有更快的平衡速度。因此，该方法可以提高低功耗BEU的SOC平衡速度。此外，还提出了一种基于事件触发一致性的观测器。与基于连续通信的传统观测器相比，该观测器在通信延迟情况下能够获得精确的平均一致性，大大减轻了通信负担。

Description

孤岛直流微电网SOC平衡控制方法、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及直流微电网控制技术，特别是一种孤岛直流微电网SOC平衡控制方法、设备及存储介质。
背景技术
近年来，由于人们对环境污染的关注，以光伏、风电等可再生能源为基础的分布式发电得到了快速发展。然而，可再生能源的间歇性导致电力系统的发电量与需求不匹配。因此，为了保持可靠运行，要求储能系统实现调峰填谷。微电网作为集可再生能源、储能系统和负荷于一体的小型电力系统，受到了广泛的研究。特别是，直流微电网可以直接连接直流电源、储能系统和直流负载，而不需要直流-交流变换器，并且与交流微电网相比，不存在谐波、相位同步、无功功率和频率问题。因此，储能系统在直流微电网中的应用受到了广泛关注。
对于孤岛直流微电网中的储能系统，一般采用V-P/V-I下垂控制来实现功率或输出电流分配。然而，传统的下垂控制不能解决线路阻抗失配和母线电压下降的问题。此外，不精确的输出电流分配和不同的SOC初始值会导致SOC不平衡，从而大大降低电池的寿命。因此，研究一种分布式的改进型下垂控制策略，以实现精确的输出电流共享、母线电压恢复和SOC平衡，具有重要意义。
孤岛直流微电网结构如图1所示。可以看出，电池储能单元BEU由电池和双向DC-DC变换器组成。多个BEU并联在直流母线上。可再生能源发电采用光伏发电，工作在MPPT模式下。ri表示线路阻抗，Si表示PWM控制信号，Rload表示负载，IL、Ioi和Voi分别表示电感电流、输出电流和输出电压。此外，BEU之间的通信链路是环形结构。
为了获得BEU的荷电状态，可以采用库仑计算法:
其中，SOCi和Cbi分别代表BEU的SOC值和容量。定义为单位输出电流，其表达式为：
为简单起见，假设BEU没有额外的能量损失，因此不考虑充放电效率。
传统的下垂控制可以实现输出电流共享，使微电网具有下垂特性，下垂控制表达式为：
Vrefi＝Vnom-RdiIoi；
Vref、Vnom，Rdi分别为第i个变换器输出电压参考、微电网标称电压、下垂系数。当BEU充电或放电时，输出电流分别为负或正。为了保持微电网的稳定运行，需要限制下垂系数的大小：
图2给出了两个并联变换器的简化电路模型。假设变换器控制器可以实现无误差跟踪参考电压，即Voi＝Vrefi。因此，传统的下垂控制可以根据下式实现输出电流分配：
由上式可知，输出电流分配受线路阻抗的影响。如果没有精确的电流分配，SOC平衡就无法实现。虽然提高下垂系数可以实现精确的电流分配，但母线电压将偏离标称值。通过使也可以实现电流共享，但线阻抗的大小是未知的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种孤岛直流微电网SOC平衡控制方法、设备及存储介质，实现精确的输出电流分配、母线电压恢复和SOC平衡。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种孤岛直流微电网SOC平衡控制方法，包括以下步骤：
S1、获取孤岛直流微电网电池储能单元SOC不平衡度δS、第i个电池储能单元的SOC值SOCi和第i个电池储能单元信息因子ξi的平均值；在所有的电池储能单元之间建立通信网络，以无向连通图表示通信网络的拓扑结构，其中/>是多智能体的集合，每一个智能体代表一个本地控制器中的观测器，其中观测器i属于控制器i，控制器i用于控制电池储能单元i；/>代表边集，即智能体之间可用的通信链路。若(vi,vj)∈ε,则aij＝1；否则aij＝0；i＝1，2，……，N；即,aij是智能体i和智能体j的通信权重因子，aij＞0时，i和j通信；aij＝0时，i和j不通信；
其中，平均值的计算公式为： 和/>分别是xi和yi的导数，/>是si的导数，xi和yi分别是本地控制器中的观测器估算的平均值和输入变量，所述输入变量为电池储能单元SOC不平衡度δS、或第i个电池储能单元的SOC值SOCi、或第i个电池储能单元信息因子ξi，β和σ为正的常数，τij为智能体之间的通信延迟；/>是xi的最新测量状态，/>是xj的最新测量状态经过时间延迟后的值，si(t)是一个盈余量，其中/>在/>时刻更新并在/>时间间隔内保持不变，/>和/>分别对应/>当前更新的时刻和下一更新时刻，/>在/>更新并在期间保持不变，/>和/>分别对应/>当前更新时刻和下一更新时刻；
S2、利用所述电池储能单元SOC不平衡度δS、第i个电池储能单元的SOC值SOCi和第i个电池储能单元信息因子ξi的平均值计算电压偏移项ui；
S3、将下垂控制产生的参考量Vrefi与电压偏移项ui相加，得到电压环的电压参考Vrefi，将Vrefi输入电压环，产生电流环的电流参考Irefi，将电流参考Irefi输入电流环，产生调制信号；
S4、对所述调制信号进行PWM调制，得到孤岛直流微电网DC-DC变换器开关管的控制信号。
本发明设计的信息因子ξi对输出电流、输出电压和SOC值做出了约束，因此，根据信息因子产生的电压偏移项ui中包含了控制输出电流、输出电压和SOC值的全部信息，当各BEU的DC-DC变换器按照根据ui产生的PWM控制信号开通和关断，就可以实现精确的输出电流分配、母线电压恢复和SOC平衡。
步骤S1中，其中，Cbi代表电池储能单元的容量，SOCi(0)表示SOCi的初值，Ioi表示BEU的输出电流，Voi表示电池储能单元输出电压，/>N为电池储能单元的个数，为输出电流量因子。提出的观测器大大降低了通信负担，同时在通信延迟下也能实现精确的平均一致性收敛。
0＜m＜1，/>ρ为自适应SOC平衡因子，/>为单位输出电流。/>ρ0是ρ的初始值，ω是一个正的常数。该自适应SOC平衡因子可以极大的提升SOC平衡的速度。
步骤S2中，其中，/> 和分别为/>第1个电池储能单元和第2个电池储能单元的输出电流量因子。
步骤S3中，下垂控制产生的参考量Vrefi的计算公式为：Vrefi＝Vnom-RdiIoi；其中，Vref、Vnom，Rdi分别为第i个电池储能单元中的DC-DC变换器输出电压参考、微电网标称电压、下垂系数。
其中，ΔVmax和Ioimax分别是最大母线电压允许偏差和电池储能单元最大输出电流。
作为一个发明构思，本发明还提供了一种终端设备，其包括：
一个或多个处理器；
存储器，其上存储有一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现本发明上述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明上述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
1、本发明可以实现精确的输出电流分配、母线电压恢复和SOC平衡，与现有的控制策略相比，本发明不需要测量母线电压，避免了远程通信；
2、与基于修改下垂系数的SOC平衡方法相比，本发明的SOC平衡速度不受下垂系数稳定范围的限制，基于这个特性，本发明引入了自适应的SOC平衡因子，当储能单元(BEU)之间的SOC差异减小时，该因子会自动增大，以保持SOC平衡的速度。与现有的方法相比，本发明的SOC平衡控制方法具有更快的平衡速度和精度；
3、为了获得全局平均值，本发明提出了一种基于事件触发一致性算法的观测器，与基于连续通信的观测器相比，该观测器可大大减轻通信负担；
4、本发明的观测器即使在通信延迟的条件下也能实现精确的平均一致性收敛。
附图说明
图1为孤岛直流微电网结构图。
图2为两个并联变换器的简化电路模型。
图3为本发明实施例控制原理图。
图4(a)为PV与负载的功率关系；图4(b)表示母线电压；图4(c)表示电池储能单元的SOC值；4(d)表示电池储能单元的输出电流。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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1
本发明实施例提供了一种孤岛直流微电网SOC平衡控制方法，本发明实施例提出使用电压偏移项ui来实现母线电压恢复、精确的电流分配和SOC平衡。添加了电压偏移项后的下垂控制表达式为：
Vrefi＝Vnom-RdiIoi+ui；
ui可以构造为：
ξavg和的表达式如下所示：
其中ξi定义为一个信息因子，系数m用于防止等于0。为了防止/>小于0，应该限制0＜m＜1。此外，上式中ki是一个用来平衡SOC的变量，定义如下：
式中ρ和SOCavg分别为SOC平衡因子和SOC平均值。需要注意的是，当Ioi大于0或小于0时，BEU分别处于放电或充电模式。为了提高SOC差值较小时的平衡速度，提出了一种自适应SOC平衡因子。首先，定义一个变量δS，表示储能系统中SOC不平衡程度：
并且，自适应SOC平衡因子ρ可描述为:
其中ρ0是ρ的初始值，ω是一个正的常数，可以调节ρ的增长率。ω越小，ρ增长越快。因为精确的电流分配是实现SOC平衡的基础，所以在这里我们首先展示如何实现精确的电流分配和母线电压恢复。当二级控制策略收敛时，有/>因此，由前面的分析可以得到：
可以看出，即使线路阻抗和母线电压未知，也能实现精确的电流分配和平均输出电压达到微网标称值。
接下来，用一个简单的例子来演示如何实现SOC平衡。假设储能系统由两个并联的BEU组成，且SOC1(0)＞SOC2(0)。因此，它们之间的SOC差值为：
当BEU工作在放电模式时，由于SOC1(0)＞SOC2(0)，所以k2＜k1。因此，ΔSOC将收敛于零。换句话说，SOC大的BEU输出更大的电流，而SOC小的BEU输出更小的电流。根据库伦计算法可知，SOC最终会达到平衡。同理，在充电模式下也可以实现SOC平衡。另外，SOC平衡的速度可以表示为:
若ρ是一个常量，则ΔSOC较小时，可以得到k2≈k1。因此，从上式可以看出，SOC平衡的速度会很慢。为了提高平衡速度，本发明实施例提出了自适应SOC平衡因子。由前面ρ的表达式可知，当SOC趋于平衡时，即ΔSOC(SOC的差值)减小时，δS减小，ρ增大，导致平衡速度加快。因此，所提出的控制策略可以大大提高SOC平衡的速度和精度。
总体控制结构如图3所示。首先所提出的控制策略要求获得δS(SOC不平衡度)、SOCi和ξi(信息因子)的平均值。通过通信网络获取相邻控制器的变量信息，并使用观测器计算各变量的平均值。
在二级控制层，采用库伦计算法来估算BEU的SOC值。并使用上一步骤中观测器计算出的各变量平均值来计算电压偏移项ui，并将其传送到一级控制层。
在一级控制层中，将下垂控制产生的参考量与电压偏移项ui相加，得到了电压环的电压参考Vrefi。将Vrefi输入电压环即可产生电流环的电流参考Irefi，将该参考输入电流环。此后将电流环产生的控制信号，输入PWM发生器即可得到PWM信号Si1和Si2。
通过Si1和Si2控制DC-DC变换器的输出电压和电流，就可以实现精确电流分配、母线电压恢复和SOC平衡的控制目标。
在获取各变量平均值的过程中，考虑到通信延迟和通信负担问题，本实施例提出了一种基于分布式事件触发一致性的观测器。此外，还需要在BEU之间建立通信网络。考虑一个无向连通图其中/>是多智能体的集合，每一个智能体代表一个本地控制器。/>代表边集，即智能体之间可用的通信链路。将/>表示为邻接矩阵，其中aij＝aji。如果(vi,vj)∈ε,那么aij＝1；否则aij＝0。令/>为度矩阵，其中/>令/>为拉普拉斯矩阵。智能体之间的通信延迟为τij。基于事件触发一致性的观测器可以表示为：
其中xi和yi分别是本地控制器估算的平均值和输入变量。例如：当xi＝ξavgi，则yi＝ξi。需要注意的是，ξavgi是观测器在第i个控制器中估计的平均值。同理，对于变量δS和SOCavg也是如此。si是一个盈余量，β和σ为正的常数。初始值设为si(0)＝0，其中/>为yi的初始值。
定义其中/>在/>时刻更新并在/>时间间隔内保持不变，/>在/>更新并在/>期间保持不变。时间间隔定义为:
其中dxi和dsi为正常数，表示图3中触发条件的阈值。当所提出的观测器在通信延迟下收敛时，有
为了验证所提二级控制策略的有效性，基于MATLAB/Simulink建立了如图1所示的孤岛直流微电网储能系统模型。该模型包括三个BEU，一个理想光伏发电和一个可变负载。
在这种情况下，验证了在通信延迟下SOC平衡的性能。为了考虑不同容量BEU的SOC平衡，将BEU 1、BEU 2、BEU 3的容量分别设置为0.7、0.8、0.6Ah。BEU的初始SOC值设置为70％、75％和80％。下垂系数设置为1.4、1.2和1.6。通信延迟设置为100ms。图4(a)为PV与负载的功率关系。可以看出，负载是可变的，用阶跃波表示理想的光伏功率。图4(b)表示，尽管负载和光伏功率有波动，母线电压仍保持在标称值附近。图4(c)表明，在充电和放电模式下，SOC值趋于一致。在图4(d)中，输出电流的分配是基于BEU的容量和SOC值。另外，从t＝75～80s可以看出，当SOC完全平衡时，输出电流的比值为7比8比6，与BEU的容量相对应。这确保了已经平衡的SOC值不会再次发散。
实施例2
本发明实施例2提供一种对应上述实施例1的终端设备，终端设备可以是用于客户端的处理设备，例如手机、笔记本电脑、平板电脑、台式机电脑等，以执行上述实施例的方法。
本实施例的终端设备包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序；处理器执行存储器上的计算机程序，以实现上述实施例1方法的步骤。
在一些实现中，存储器可以是高速随机存取存储器(RAM：Random AccessMemory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
在另一些实现中，处理器可以为中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)等各种类型通用处理器，在此不做限定。
实施例3
本发明实施例3提供了一种对应上述实施例1的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序/指令。计算机程序/指令被处理器执行时，实现上述实施例1方法的步骤。
计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意组合。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种孤岛直流微电网SOC平衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取孤岛直流微电网电池储能单元SOC不平衡度δS、第i个电池储能单元的SOC值SOCi和第i个电池储能单元信息因子ξi的平均值；在所有的电池储能单元之间建立通信网络，以无向连通图表示通信网络的拓扑结构，其中/>是多智能体的集合，每一个智能体代表一个本地控制器中的观测器，其中观测器i属于控制器i，控制器i用于控制电池储能单元i；/>代表边集，即智能体之间可用的通信链路。若(vi,vj)∈ε,则aij＝1；否则aij＝0；i＝1，2，……，N；即,aij是智能体i和智能体j的通信权重因子，aij＞0时，i和j通信；aij＝0时，i和j不通信；
其中，平均值的计算公式为： 和/>分别是xi和yi的导数，/>是si(t)的导数，xi和yi分别是本地控制器中的观测器估算的平均值和输入变量，所述输入变量为电池储能单元SOC不平衡度δS、或第i个电池储能单元的SOC值SOCi、或第i个电池储能单元信息因子ξi，β和σ为正的常数，τij为智能体之间的通信延迟；/>是xi的最新测量状态，/>是xj的最新测量状态经过时间延迟后的值，si(t)是一个盈余量，其中/>在/>时刻更新并在/>时间间隔内保持不变，/>和/>分别对应/>当前更新的时刻和下一更新时刻，/>在/>更新并在期间保持不变，/>和/>分别对应/>当前更新时刻和下一更新时刻；
S2、利用所述电池储能单元SOC不平衡度δS、第i个电池储能单元的SOC值SOCi和第i个电池储能单元信息因子ξi的平均值计算电压偏移项ui；
S3、将下垂控制产生的参考量Vrefi与电压偏移项ui相加，得到电压环的电压参考Vrefi，将Vrefi输入电压环，产生电流环的电流参考Irefi，将电流参考Irefi输入电流环，产生控制信号；
S4、对所述控制信号进行PWM调制，得到孤岛直流微电网DC-DC变换器开关管的控制信号。
2.根据权利要求1所述的孤岛直流微电网SOC平衡控制方法，其特征在于，步骤S1中，其中，Cbi代表电池储能单元的容量，SOCi(0)表示SOCi的初值，Ioi表示电池储能单元的输出电流，Voi表示电池储能单元输出电压，/>N为电池储能单元的个数，/>为输出电流量因子。
3.根据权利要求2所述的孤岛直流微电网SOC平衡控制方法，其特征在于，ρ为SOC平衡因子，/>为单位输出电流。
4.根据权利要求1所述的孤岛直流微电网SOC平衡控制方法，其特征在于，步骤S2中，其中，/> 和分别为/>第1个电池储能单元和第2个电池储能单元的输出电流量因子。
5.根据权利要求1所述的孤岛直流微电网SOC平衡控制方法，其特征在于，步骤S3中，下垂控制产生的参考量Vrefi的计算公式为：Vrefi＝Vnom-RdiIoi；其中，Vref、Vnom，Rdi分别为第i个电池储能单元中的DC-DC变换器输出电压参考、微电网标称电压、下垂系数。
6.根据权利要求5所述的孤岛直流微电网SOC平衡控制方法，其特征在于，其中，ΔVmax和Ioimax分别是最大母线电压允许偏差和电池储能单元最大输出电流。
7.根据权利要求1所述的孤岛直流微电网SOC平衡控制方法，其特征在于，ρ0是ρ的初始值，ω是一个正的常数。
8.一种终端设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器，其上存储有一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1～7任一项所述方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～7任一项所述方法的步骤。
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