CN108599213B - 考虑不匹配线阻的多储能独立直流微电网的改进控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种考虑不匹配线阻的多储能独立直流微电网的改进控制方法,用以实现微网中各蓄电池储能单元的SOC均衡,其特征在于,包括以下步骤:1)在直流微电网结构中的直流母线上增设多组并联且容量相等的蓄电池储能单元;2)构建考虑不匹配线阻多储能独立直流微电网的改进下垂控制模型;3)根据改进下垂控制模型,将当前采样周期ESOC平均值和输出电流平均值与各蓄电池储能单元当前的ESOC值和输出电流值的差值分别送入采样保持器后,根据采样保持器的输出结果实时修改参考电压偏置,实现各蓄电池储能单元的SOC均衡。与现有技术相比,本发明具有考虑不匹配线阻、避免过充过放等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微网下垂控制优化策略设计技术领域,尤其是涉及一种考虑不匹配线阻的多储能独立直流微电网的改进控制方法。
背景技术
随着全球范围内的能源问题和环境问题的日益加剧,微电网受到了各国学者广泛的关注。直流微电网不考虑无功功率、谐波电流、直流/交流转换损耗等交流微电网中存在的问题,所以有关直流微电网的研究逐渐增加。由于分布式发电(DistributedGeneration,DG)输出功率具有间歇性与随机性特征,其安全性与可靠性较弱。因此,需增加由蓄电池储能单元(battery energy storage unit,BESU)组成的电池储能***(batteryenergy storage system,BESS)以保障微电网功率平衡。
当多个储能单元并联使用时,荷电状态不同将会导致部分储能单元过度放电或深度充电,缩短BESU使用寿命,情况严重时甚至会使蓄电池发生过热现象,发生火灾。通常情况下,对于直流母线上并联的两个或多个储能单元的直流/直流变流器,采用U-I下垂控制可以使得负荷电流在各储能之间进行分配。而传统的下垂控制策略采用固定不变的虚拟阻抗,虽然可使得各变流器输出的负荷电流均衡或按比例分配,但难以使得各储能单元之间达到荷电状态均衡。
为此,很多文章都提出了各自解决SOC均衡问题的方法。在文献《直流微电网储能***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《State-of-ChargeBalance Using Adaptive Droop Control for Distributed Energy Storage Systemsin DC Microgrid Applications》直流微电网中,采用自适应下垂控制,利用下垂系数反比于SOC的n次方,实时改变下垂系数,实现储能单元在放电过程中SOC均衡。在文献《基于多组储能动态调节的独立直流微电网协调控制》和《Intelligent Distributed Generationand Storage Units for DC Microgrids—A New Concept on Cooperative ControlWithout Communications Beyond Droop Contro》中的改进下垂控制利用模糊控制器,将SOC偏差和输出电压偏差作为模糊控制器的输入量实时修改下垂参数,实现储能单元在充放电过程中SOC均衡。文献《多储能独立直流微电网自适应分级协调控制》提出一种自适应分级协调控制,先利用功率分配级确定储能***的主导储能单元;进而通过功率平衡级控制,实现SOC均衡。
上述文献中提出的SOC均衡控制策略均未考虑线路阻抗的影响,然而在直流微电网中,不匹配的线路阻抗将导致传统下垂控制无法按照下垂增益精确分配电流负荷,利用上述策略无法使得BESU的SOC均衡。文献《分布式储能***电流负荷动态分配方法研究》利用各储能单元的SOC信息自适应调整下垂系数,再将各本地控制器得到的下垂系数经过PI控制器实时修改电压偏置值,克服不匹配线路阻抗的影响,实现SOC均衡。但是缺少足够仿真验证,且在放电仿真验证中只有SOC均衡趋势,并没有实现均衡。文献《改进SOC下垂控制的分布式储能***负荷电流分配方法》设计SOC幂指数下垂控制,对下垂系数中的三个控制参数kD、p和n进行分析,选择合适的参数能够减小线路阻抗的影响,实现SOC的均衡。但是不能完全消除线路阻抗对电流负荷分配的影响,且其设置的控制参数kD需要足够大,这势必会造成一定程度的母线电压下降。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑不匹配线阻的多储能独立直流微电网的改进控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种考虑不匹配线阻的多储能独立直流微电网的改进控制方法,用以实现微网中各蓄电池储能单元的SOC均衡,包括以下步骤:
1)在直流微电网结构中的直流母线上增设多组并联且容量相等的蓄电池储能单元;
2)构建考虑不匹配线阻多储能独立直流微电网的改进下垂控制模型;
3)根据改进下垂控制模型,将当前采样周期ESOC平均值和输出电流平均值与各蓄电池储能单元当前的ESOC值和输出电流值的差值分别送入采样保持器后,根据采样保持器的输出结果实时修改参考电压偏置,实现各蓄电池储能单元的SOC均衡,ESOC为蓄电池储能单元的SOC参数。
所述的步骤2)中,改进下垂控制模型的表达式为:
ui_(n+1)=ui_n-k(ii_n-iav_n)-m(ESOCi_n-ESOCav_n)
ESOCi=1-SOCi
其中,ui_(n+1)、ui_n分别为第i个蓄电池储能单元在n+1次和n次采样周期输出的电压,ii_n表示第i个蓄电池储能单元在n次采样周期输出的电流,iav_n为各蓄电池储能单元在n次采样周期输出电流的平均值,ESOCav_n为各蓄电池储能单元在n次采样周期ESOC的平均值,k和m分别为电流系数和荷电状态系数,SOCi为第i个蓄电池储能单元的荷电状态,ESOCi_n为第i个蓄电池储能单元在n次采样周期ESOC的平均值。
所述的ESOCav_n与iav_n的计算式为:
所述的步骤3)中,根据蓄电池储能单元的电流方向和初始荷电状态将蓄电池储能单元的充放过程分为四种模式,包括:
分别在四种模式下对改进下垂控制模型进行验证,最终实现各蓄电池储能单元的SOC均衡,避免蓄电池储能单元过度充放电。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
本发明提出了一种改进下垂控制,能够有效的消除不匹配线路阻抗对电流负荷分配的影响,同时能实现负荷电流在储能单元的合理分配,使得各储能单元SOC均衡,避免过充过放。
附图说明
图1为直流微电网结构图。
图2为分布式储能单元结构图。
图3为改进下垂控制结构框图。
图4为模式一中第一个采样周期后电流负荷分配情况。
图5为模式二中第一个采样周期后电流负荷分配情况。
图6a为储能稳定充电时采用本发明改进下垂方法的仿真结果。
图6b为储能稳定充电时采用现有方法的仿真结果。
图6c为储能稳定充电时直流母线电压仿真结果。
图7a为储能稳定放电时采用本发明改进下垂方法的仿真结果。
图7b为储能稳定放电时采用现有方法的仿真结果。
图7c为储能稳定放电时直流母线电压仿真结果。
图8a为光伏***出现扰动时采用本发明改进下垂方法的仿真结果。
图8b为光伏***出现扰动时采用现有方法的仿真结果。
图8c为光伏***出现扰动时直流母线电压仿真结果。
图9a为负荷出现扰动时采用本发明改进下垂方法的仿真结果。
图9b为负荷出现扰动时采用现有方法的仿真结果。
图9c为负荷出现扰动时直流母线电压仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明目的是消除不匹配线路阻抗对电流负荷分配的影响,同时能实现负荷电流在储能单元的合理分配,使得各储能单元SOC均衡,避免过充过放。所提出的方法无需线路阻抗信息,仅利用采样保持器周期性修改电压偏置,克服了不匹配线路阻抗的影响,实现了SOC均衡,同时保证电压在稳定范围内。
下边从传统下垂控制原理,SOC不均衡分析,改进下垂控制策略设计,改进下垂控制分析,仿真验证等几个方面对本发明做进一步说明。
(1)传统下垂控制原理
直流微电网负荷分配方法普遍采用I-U或P-U下垂控制,为了直观体现储能单元剩余容量与其直流电压的关联特性,本发明采用I-U下垂控制方法,其表达式为:
u=u*-ki (1)
式中,u为DC/DC变流器输出电压;i为输出电流;u*为参考电压;k为下垂系数。
(2)SOC不均衡分析
为了提高微电网的冗余性和可靠性,将n组容量相等或相近的BESU通过直流/直流变流器并联连接于直流母线上,如图2所示。其中BESUi与BESUj分别为任意两组储能单元,Rlinei、Rlinej分别为相应储能单元到公共耦合点(point of common coupling,PCC)的等效线路阻抗,uPCC为直流母线电压,iload为负荷总电流。
储能单元的SOC表征的是储能单元的当前输出能力,定义为:
由上式可知,储能单元的SOC与初始SOC、变流器输出电流有密切关系。
对式(2)进行求导。
故***稳定时,变流器输出电流精确均分是SOC均衡的必要条件。
根据图2可得各变流器发出的电流表达式为:
结合式(2)、(4)可得:
由此,任意两组BESU之间电流负荷的关系,其中i,j=1,2,…,n且i≠j。
根据上式可知,电流负荷分配不仅受下垂系数影响,而且受到线路阻抗的影响。一般情况下ki=kj,不匹配线路阻抗Rlinei、Rlinej的存在加大了传统下垂控制中电压电流的耦合关系,传统下垂控制不能克服线路阻抗的影响,使得电流负荷无法精确均分,因此各储能单元的SOC无法均衡。
(3)改进下垂控制策略设计
由1.1分析可知,孤岛直流微电网中储能单元通过充放电实现微电网中功率平衡。为了使得各储能单元克服不匹配线路阻抗对电流负荷分配的影响,实现SOC均衡,且保证电压在稳定范围(±5%)内,本发明提出了如下改进下垂控制,具体为:
ui_(n+1)=ui_n-k(ii_n-iav_n)-m(ESOCi_n-ESOCav_n) (7)
ESOCi=1-SOCi (8)
式中ui_(n+1)、ui_n分别表示BUSEi在n+1次和n次采样周期输出的电压,ii_n表示BUSEi在n次采样周期输出的电流;iav_n表示各BUSE在n次采样周期输出电流的平均值;ESOCav_n表示各BUSE在n次采样周期ESOC的平均值;k和m分别为电流系数和荷电状态系数,且k值足够小。
图3是改进下垂控制框图,图中S/H为采样保持器。信号S为开关函数,S=0时,***工作在传统下垂控制,采样保持器不工作;S=1时,***工作在改进下垂控制,采样保持器开始工作。具体工作为,本地控制器采样本地BESU的SOC与输出电流输送至中央控制器,根据下两式分别计算各BUSE在当前采样周期的电流平均值和ESOC的平均值,计算结果输送回各本地控制器与本地采样结果做差后经过采样保持器,采样保持器输出结果实时修改参考电压偏置。
(4)改进下垂控制策略分析
将n组容量相等或相近的BESU通过直流/直流变流器并联连接于直流母线上,任意取两组储能单元BESUi与BESUj,其中i,j=1,2,…,n,i≠j,且Rlinei<Rlinej。则有:
联立式(4)、式(11)可得:
将式(12)中两式相加,可得在n+1次采样周期中直流母线上电压跌落值。
将式(14)带入式(12),由于Rline<<Rload,化简整理得到:
由式(15)可知,变流器当前采样周期输出电流与上一周期的输出电流有关,取图2中电流方向为参考方向。本发明根据电流方向和初始荷电状态将储能单元充放过程分为四种模式。
模式一:各储能单元放电,且首先各储能单元工作在传统下垂控制中,由于Rlinei<Rlinej,所以ii_0>ij_0>0。ts后同步信号S由0切为1,各储能单元工作在改进下垂控制,此时SOCi_0<SOCj_0,ESOCi_0>ESOCj_0。在第一个采样周期后,式(7)变为:
由于本发明控制策略是离散的,且由于采样保持器的特性,式(16)可以改写成:
其中:
式中ESOCi_0、ESOCj_0分别表示同步信号S由0切为1时刻BESUi与BESUj的ESOC值;fsample为采样保持器的采样频率;ii_0和ij_0分别为BESUi和BESUj在传统下垂控制的输出电流。
由于ii_0>ij_0>0,且ESOCi_0>ESOCj_0,所以Pi_1>Pj_1>0。由此得到BESUi与BESUj在模式一中第一个采样周期后电流负荷分配情况如图4所示。
由图4可知,0<ii_1<ij_1,由此可得:
所以ESOCi_1-ESOCj_1>ESOCi_2-ESOCj_2>0。在第二个采样周期中,BESUi与BESUj的SOC绝对值减小。将式(13)中上下两式相减,并将式(19)结果带入,由于k值足够小,所以得到:
A3-B3=k(ii_2-ij_2)+m[ESOCi_2-ESOCj_2]>0 (20)
根据式(15)、式(20)分析可知,ij_2-ij_1>0>ii_2-ii_1。即,在第三个采样周期中,BESUj输出电流增加的较多,从而减小了BESUi输出电流,因此BESUi与BESUj的SOC绝对值减小。以此类推,SOCi和SOCj的变化速度和绝对值的差距逐渐减小,最终实现SOC均衡,避免储能单元过放电。
模式二:各储能单元放电,且首先各储能单元工作在传统下垂控制中,由于Rlinei<Rlinej,所以ii_0>ij_0>0。ts后同步信号S由0切为1,各储能单元工作在改进下垂控制。若储能单元在传统下垂控制工作时间较长,SOCi_0<SOCj_0,则工作模式与模式一一致;若储能单元在传统下垂控制中工作时间较短,使得SOCi仍大于SOCj,所以ESOCi_0<ESOCj_0,Pj_1>Pi_1>0。由此得到BESUi与BESUj在模式二中第一个采样周期后电流负荷分配情况如图5所示。
由图5可知,0<ij_1<ii_1,由此可得:
所以ESOCj_1-ESOCi_1>ESOCj_2-ESOCi_2>0。在第二个采样周期中,BESUi与BESUj的SOC绝对值减小。将式(13)中上下两式相减,并将式(21)结果带入,由于k值足够小,所以得到:
A3-B3=k(ii_2-ij_2)+m[ESOCi_2-ESOCj_2]<0 (22)
根据式(15)、式(22)分析可知,ij_2-ij_1<0<ii_2-ii_1。即,在第三个采样周期中,BESUi输出电流增加的较多,从而减小了BESUj输出电流,因此BESUi与BESUj的SOC绝对值减小。以此类推,SOCi和SOCj的变化速度和绝对值的差距逐渐减小,最终实现SOC均衡,避免储能单元过放电。
模式三:各储能单元充电,且首先各储能单元工作在传统下垂控制中,由于Rlinei<Rlinej,所以ii_0<ij_0<0。ts后同步信号S由0切为1,各储能单元工作在改进下垂控制,此时SOCi_0>SOCj_0,ESOCi_0<ESOCj_0。此时分析方式与模式一相似,SOCi和SOCj的变化速度和绝对值的差距逐渐减小,最终实现SOC均衡,避免储能单元过充电。
模式四:各储能单元充电,且首先各储能单元工作在传统下垂控制中,由于Rlinei<Rlinej,所以ii_0<ij_0<0。ts后同步信号S由0切为1,各储能单元工作在改进下垂控制,各储能单元工作在改进下垂控制。若储能单元在传统下垂控制工作时间较长,SOCi_0>SOCj_0,则工作模式与模式三一致;若储能单元在传统下垂控制中工作时间较短,使得SOCi仍小于SOCj,由此ESOCi_0>ESOCj_0。此时分析方式与模式二相似,SOCi和SOCj的变化速度和绝对值的差距逐渐减小,最终实现SOC均衡,避免储能单元过充电。
根据上述分析,无论各储能单元的线路阻抗和初始SOC如何配置,储能单元在充放电过程中一旦出现SOC不均衡,***会根据各储能单元的SOC和输出电流自动进行调整,最终实现各储能单元SOC的均衡。
(5)仿真分析
为了验证所提出的控制策略在各个算例下的有效性,本发明基于Matlab搭建了含三组储能单元(BESU1、BESU2、BESU3)的光储***。采用的储能单元容量均为100Ah,设置各储能单元初始荷电状态SOC*均为0.50,负荷用电阻等效,且阻值可变。分别对以下四个算例进行仿真分析,***参数如表1所示。
表1下垂控制参数
算例1:储能稳定充电/放电
当光伏***发出的功率大于负荷消耗的功率时,储能***处于稳定充电状态。相反,若光伏***发出的功率小于负荷消耗的功率时,储能***处于稳定放电状态。储能***稳定充电放电过程的如图6和图7所示。
采用本发明改进下垂控制策略的仿真结果如图6(a)和图7(a)所示。0~4s,各储能单元工作在传统下垂控制。由1.2分析可知,传统下垂控制由于线路阻抗的不匹配将导致输出电流负荷不合理的分配,从而引起SOC不平衡。4s后,同步信号S由0切为1。若储能稳定充电,此时SOC1_0>SOC2_0>SOC3_0,所以各储能单元工作在改进下垂控制的模式三中,逐渐实现电流负荷合理分配和荷电状态均衡,避免储能单元过充电。若储能稳定放电,此时SOC3_0>SOC2_0>SOC1_0,所以各储能单元工作在改进下垂控制的模式一中,逐渐实现电流负荷合理分配和荷电状态均衡,避免储能单元过放电。
采用现有的仿真结果如图6(b)和图7(b)所示。储能单元稳定充电/放电过程的最后阶段,各储能单元的电流负荷已合理分配,但是其荷电状态并未完全均衡。由此可知,采用本发明提出的改进下垂控制策略,各储能单元SOC均衡效果较好。
通过图6(c)和图7(c)的母线电压波形可以看出,对比现有方法,采用改进下垂控制时,母线电压偏差较小。
算例2:光伏***发生扰动
光伏***采用MPPT控制来提高发电效率,若光照强度增加,光伏***输出功率增加,与之协调的储能单元输出功率将会减小。验证光伏***出现扰动对改进下垂控制的影响,其仿真结果如图8所示。
采用本发明改进下垂控制策略的仿真结果如图8(a)所示。0~4s,各储能单元工作在传统下垂控制,传统下垂控制由于线路阻抗的不匹配将导致输出电流负荷不合理的分配,从而引起SOC不平衡。4s后,同步信号S由0切为1,此时SOC3_0>SOC2_0>SOC1_0,所以各储能单元工作在改进下垂控制的模式一中,逐渐实现电流负荷合理分配和荷电状态均衡。8s时光伏***因光照强度变化导致发电功率增加,此时储能***由放电状态迅速切换至充电状态,由于工作在模式一中时间较短,各储能单元的荷电状态仍未完全均衡,所以此时SOC3>SOC2>SOC1,各储能单元开始工作在改进下垂控制的模式四中,逐渐实现电流负荷合理分配和荷电状态均衡,避免储能单元过充电。
采用现有方法的仿真结果如图8(b)所示。储能单元稳定充电的最后阶段,各储能单元的电流负荷已合理分配,但是其荷电状态并未完全均衡。通过对比,采用本发明提出的改进下垂控制方法能更好的均衡各储能单元SOC。
通过图8(c)的母线电压波形可以看出,虽然两种控制方法的电压均在允许的范围内波动,但本发明所采用的改进下垂控制,母线电压偏差较小。
算例3:负荷发生扰动。
光伏***仍采用MPPT控制来提高发电效率,若负荷减小,光伏***仍按最大功率输出,与之协调的储能单元输出功率将会减小。验证负荷出现扰动对改进下垂控制的影响,其仿真结果如图9所示。
采用本发明改进下垂控制策略的仿真结果如图9(a)所示。0~4s,各储能单元工作在传统下垂控制,传统下垂控制由于线路阻抗的不匹配将导致输出电流负荷不合理的分配,从而引起SOC不平衡。4s后,同步信号S由0切为1,此时SOC1_0>SOC2_0>SOC3_0,所以各储能单元工作在改进下垂控制的模式三中,逐渐实现电流负荷合理分配和荷电状态均衡。8s时出现负荷切除,此时储能***由充电状态迅速切换至放电状态,由于工作在模式三中较短,各储能单元的荷电状态仍未完全均衡,所以此时SOC1>SOC2>SOC3,各储能单元开始工作在改进下垂控制的模式二中,逐渐实现电流负荷合理分配和荷电状态均衡,避免储能单元过放电。
采用现有的仿真结果如图9(b)所示。储能单元稳定放电的最后阶段,各储能单元的电流负荷已合理分配,但是其荷电状态在收敛后开始发散,无法实现均衡。通过对比,采用本发明提出的改进下垂控制方法能更好的均衡各储能单元SOC。
通过图9(c)的母线电压波形可以看出,相较于采用现有的方法,本发明所采用的改进下垂控制,母线电压偏差较小。
Claims (5)
1.一种考虑不匹配线阻的多储能独立直流微电网的改进控制方法,用以实现微网中各蓄电池储能单元的SOC均衡,其特征在于,包括以下步骤:
1)在直流微电网结构中的直流母线上增设多组并联且容量相等的蓄电池储能单元;
2)构建考虑不匹配线阻多储能独立直流微电网的改进下垂控制模型;
3)根据改进下垂控制模型,将当前采样周期ESOC平均值和输出电流平均值与各蓄电池储能单元当前的ESOC值和输出电流值的差值分别送入采样保持器后,根据采样保持器的输出结果实时修改参考电压偏置,实现各蓄电池储能单元的SOC均衡,ESOC为蓄电池储能单元的SOC参数。
2.根据权利要求1所述的一种考虑不匹配线阻的多储能独立直流微电网的改进控制方法,其特征在于,所述的步骤2)中,改进下垂控制模型的表达式为:
ui_(n+1)=ui_n-k(ii_n-iav_n)-m(ESOCi_n-ESOCav_n)
ESOCi=1-SOCi
其中,ui_(n+1)、ui_n分别为第i个蓄电池储能单元在n+1次和n次采样周期输出的电压,ii_n表示第i个蓄电池储能单元在n次采样周期输出的电流,iav_n为各蓄电池储能单元在n次采样周期输出电流的平均值,ESOCav_n为各蓄电池储能单元在n次采样周期ESOC的平均值,k和m分别为电流系数和荷电状态系数,SOCi为第i个蓄电池储能单元的荷电状态,ESOCi_n为第i个蓄电池储能单元在n次采样周期ESOC的平均值。
4.根据权利要求2所述的一种考虑不匹配线阻的多储能独立直流微电网的改进控制方法,其特征在于,所述的步骤3)中,根据蓄电池储能单元的电流方向和初始荷电状态将蓄电池储能单元的充放过程分为四种模式,包括:
5.根据权利要求4所述的一种考虑不匹配线阻的多储能独立直流微电网的改进控制方法,其特征在于,分别在四种模式下对改进下垂控制模型进行验证,最终实现各蓄电池储能单元的SOC均衡,避免蓄电池储能单元过度充放电。
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