CN111446725A - 一种用于微电网的混合储能调频控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于微电网的混合储能调频控制方法，该方法基于传统的下垂控制，混合储能装置选用互补性强的蓄电池和超级电容，超级电容担任主要频率控制单元快速提供功率响应频率变化，蓄电池响应负载的功率变化，并参与频率的二次调节，此外与传统下垂控制调频不同的是本方法还实现了储能装置的SOC控制，超级电容作为具有高功率密度低能量密度的储能装置响应负载快速功率变化的同时，其SOC基本在设定点附近不变，而多个蓄电池在响应负载功率变化的同时使它们SOC逐渐均衡。

Description

一种用于微电网的混合储能调频控制方法
技术领域
本发明涉及微电网***的调频技术领域，具体为一种用于微电网的混合储能调频控制方法。
背景技术
传统化石能源的大量消耗导致其不断枯竭，开发利用可再生能源越来越被各个国家所重视。可再生能源发电稳定性较差，而微电网相比大电网更为灵活高效，将微电网用于管控可再生能源发电可以有效的增强可再生能源发电的稳定性，已经逐渐成为未来开发可再生能源的发展趋势和有效途径。
微电网是否稳定一个关键的要素是其频率是否稳定，一般而言，可再生能源发电有很强的随机性、间歇性和波动性等问题，这些会导致***频率波动，除此之外负载的变化导致功率不平衡也会影响频率的稳定，因此微电网的频率控制研究显得十分重要。
微电网***频率调节的方式通常有两种，一种是通过对可再生能源本身的控制使其参与微电网***调频，例如在光伏发电或者风力发电中实际工作点略高于最大功率跟踪点，使其减载运行，从而留有一部分备用功率使得可再生能源具备参与***调频的能力，这种方式对微电网的频率稳定能起到一定的改善作用，但是其频率调节范围较小，并且使用过程中可再生能源无法达到能量利用最大，会损失一部分能量。第二种方式则是在微电网***中配备蓄电池、超级电容等储能设备用以调节***的频率，储能设备具有可控的双向吞吐能力，且工作时灵活，响应速度快，可以有效弥补可再生能源自身参与调频的不足。而传统的储能调频也存在局限性，没有考虑到不同类型储能设备本身的特点，或者没有考虑储能设备的SOC(荷电状态)等因素。
发明内容
本发明研究开发了一种新的用于微电网的混合储能调频控制方法，该方法基于传统的下垂控制，在孤岛微电网中使用不同类型的储能装置，即具有高功率密度的超级电容和具有高能量密度的蓄电池，发挥其各自优势对微电网频率进行调节，且在调节过程中不需要任何通信设备。在该方法中，超级电容担任主要频率控制单元快速提供功率，响应频率变化，蓄电池主要响应负载的功率变化，并参与频率的二次调节，使***频率维持在额定频率。此外还实现了储能装置的SOC控制，超级电容作为具有高功率密度低能量密度的储能设备响应负载快速功率变化的同时，使其SOC基本在设定点附近不变，而多个蓄电池在响应负载功率变化的同时使它们SOC逐渐均衡，增加的SOC控制将储能装置SOC增加到下垂控制中，有效弥补了现有控制中不同储能设备发挥自身优势的同时难以兼顾可以是否处在正常SOC范围内，无法保证混合储能工作有效工作时长的不足。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种用于微电网的混合储能调频控制方法，包括以下内容：
(1)所述微电网***包括混合储能设备和负载，储能设备先经DC/DC变换升压，再由DC/AC变换与负载连接。其中混合储能设备包括蓄电池和超级电容。
(2)该方法基于传统的下垂控制，传统下垂控制先检测储能逆变器经滤波后的逆变电压Uabc和逆变电流Iabc，经过功率计算模块计算出其有功功率P和无功功率Q，通过公式f＝f0-m·P，得到频率指令值f，其中f0为额定频率，m为有功下垂系数，再根据频率指令值计算出相角θ；通过公式Uref＝U0-n·Q，得到参考电压Uref，其中U0为额定电压，n为无功下垂系数。根据Uref和θ经派克变换计算出Udref和Uqref，根据Uabc和θ经派克变换计算出Ud和Uq，将dq轴参考电压Udref和Uqref与dq轴实际电压Ud和Uq经PI调节器得到参考电动势E，由得出的相角θ和参考电动势E调整输出控制逆变器通断，输出相应的电压电流。
(3)该方法与传统下垂控制不同之处在于：超级电容对应的下垂控制中，求取频率指令值的公式为
Figure BDA0002438601510000021
其中kp和ki为超级电容SOC控制的PI参数，SOCref为超级电容的SOC参考值，SOCes为储能设备的SOC实际值，msc为超级电容有功下垂系数，Psc为超级电容分配的功率；蓄电池对应的下垂控制中，求取频率指令值的公式为
Figure BDA0002438601510000022
其中kpf和kif为蓄电池参与二次调频控制的PI参数；f0为***额定频率；fref为二次调频频率参考值，在实际中控制时以额定频率作为参考值；fmeas为***频率的实际测量值；mbt为蓄电池有功下垂系数；Pbt为蓄电池分配的功率。根据上述两个公式，蓄电池和超级电容共同参与调频，此外还实现了储能设备的SOC控制，超级电容作为具有高功率密度低能量密度的储能设备响应负载快速功率变化的同时，使其SOC基本在设定参考值附近不变。
上述的一种用于微电网的混合储能调频控制方法，超级电容有功下垂系数小于蓄电池有功下垂系数，超级电容分配的功率大于蓄电池分配的功率(功率分配计算见公式4)，则超级电容担任主要频率控制单元快速提供功率响应频率变化，蓄电池主要响应负载的功率变化，并参与频率的二次调节，使***频率维持在频率参考值fref。
上述一种用于微电网的混合储能调频控制方法，混合储能设备中的蓄电池为蓄电池组，蓄电池下垂控制方法中取频率指令值的公式为
Figure BDA0002438601510000031
ks为蓄电池SOC控制的增益，蓄电池组增加SOC控制，使蓄电池在响应负载功率变化的同时使它们SOC逐渐均衡。
本发明具备的优点有：
(1)该方法可以利用不同储能装置的固有特性充分发挥它们的优势，使超级电容主要响应***频率变化，其余蓄电池主要承担负载功率变化。
(2)该方法在控制过程中可以使超级电容SOC可以维持在参考值不变，有足够的能量响应下次频率变化，而多个蓄电池的SOC可以逐渐均衡，可以大大延长储能装置的使用寿命。
(3)该方法对于传统下垂控制无法在负载突变时维持频率不变增加二次调频，使***频率稳定在额定频率，保证***的稳定运行。
附图说明
图1是本发明中微电网的简化结构图。
图2是该***储能逆变器下垂控制结构图。
图3是本发明中改进下垂法中超级电容下垂控制框图。
图4是本发明中改进下垂法中蓄电池下垂控制框图。
图5是采用传统下垂控制时储能装置输出功率波形。
图6是采用传统下垂控制时储能装置SOC波形。
图7是采用传统下垂控制时***频率波形。
图8是增加超级电容SOC控制和蓄电池二次调频控制时储能装置输出功率波形。
图9是增加超级电容SOC控制和蓄电池二次调频控制时储能装置SOC波形。
图10是增加超级电容SOC控制和蓄电池二次调频控制时***频率波形。
图11是增加超级电容SOC控制、蓄电池二次调频控制和蓄电池SOC均衡控制时储能装置输出功率波形。
图12是增加超级电容SOC控制、蓄电池二次调频控制和蓄电池SOC均衡控制时储能装置SOC波形。
图13是增加超级电容SOC控制、蓄电池二次调频控制和蓄电池SOC均衡控制时***频率波形。
具体实施方式
首先，本发明微电网***结构简化为如图1所示。该微电网***包括一个超级电容和两个蓄电池组成的混合储能设备和负载，储能设备与负载之间先经DC/DC升高电压，再通过DC/AC逆变相连。超级电容为功率型储能装置，可以快速提供功率，但是无法长时间输出能量，而蓄电池为能量型储能装置，能长时间的输出能量，但是反应速度较慢，二者结合使用刚好可以互补。
一种用于微电网的混合储能调频控制方法，超级电容作为主要频率控制单元响应***频率变化，两个蓄电池响应负载功率变化且参与***的二次调频。传统求取频率指令值公式如式(1)所示。
f＝f0-mP (1)
式中：f为频率指令值；f0为额定频率；m为有功下垂系数；P为逆变器输出的有功功率。
本发明超级电容下垂方程如式(2)所示，控制框图如图3所示，蓄电池下垂方程如式(3)所示，控制框图如图4所示。
Figure BDA0002438601510000041
Figure BDA0002438601510000051
式中：其中kp和ki为超级电容SOC控制的PI参数，SOCref为超级电容的SOC参考值，SOCes为储能设备的SOC实际值，msc为超级电容有功下垂系数，Psc为超级电容分配的功率；其中kpf和kif为蓄电池参与二次调频控制的PI参数，fref为频率参考值，fmeas为***频率的实际测量值；ks为蓄电池SOC控制的增益，mbt为蓄电池有功下垂系数，Pbt为蓄电池分配的功率。当多个储能设备通过下垂控制组成微电网孤岛运行时，由于频率为整体变量，因此多个储能设备是工作在相同的频率指令值f下，总的逆变器输出的有功功率P＝Psc+Pbt。
在式(2)和式(3)中，第一部分为传统的下垂控制，根据微电网的频率调节其输出的有功功率，式(2)中第二部分为超级电容SOC控制环节，设定超级电容SOC参考值SOCref，将超级电容SOC实际值SOCes与参考值SOCref进行比较，经过PI控制使其SOC实际值可以维持在参考值SOCref，式(3)中第三部分为蓄电池二次调频的频率补偿环节，将频率参考值fref与实际测量值fmeas的差值经过PI控制使***频率与参考值fref相等，弥补传统下垂控制是有差调节的不足，第四部分为蓄电池SOC控制环节，不同SOC的蓄电池输出不同的功率，使它们SOC逐渐均衡。
上述系数中，下垂系数的大小会影响功率变化时频率的波动，因此应合理的选取下垂系数使频率波动满足相应的技术标准。根据小信号分析确定PI参数的选取范围，在仿真过程中根据实际情况进行调试得到最终的参数。蓄电池增益取过小时SOC均衡速度太慢，过大时会影响频率的稳定，综合经仿真调试得到最终的增益值。
在负载突变造成频率变化时，通过第一部分超级电容和蓄电池同时参与***的一次调频，其中超级电容下垂系数msc设置小于蓄电池的下垂系数mbt，由传统下垂控制时的功率关系
Figure BDA0002438601510000052
可知，超级电容分配的功率大，使超级电容快速提供较多功率，在响应***频率变化时起主要作用；通过第二部分控制使超级电容在进行一次调频的同时其SOC值可以恢复至参考值SOCref附近，负载功率的变化主要由蓄电池响应，这样可以保证在下次负载突变时超级电容仍有足够的能量响应频率变化；通过第三部分控制蓄电池对微电网***进行二次调频，传统的下垂控制原则上是有差调节，根据下垂曲线，逆变器输出的频率会根据功率的变化而产生变化，***恢复稳定时会偏移频率参考值fref，通过第三部分对其偏差进行补偿，使***稳定时频率完全恢复至频率参考值fref；通过第四部分控制可以均衡蓄电池SOC，当两个蓄电池的初始SOC不一致时，若不进行相应的控制，放电时初始SOC低的蓄电池会先把电放完退出***，这样加快了剩余蓄电池的放电速度，影响其使用寿命，且一个蓄电池突然退出***时有可能引发故障对***造成不良影响，增加第四部分控制使两个蓄电池SOC不平衡时，在放电过程中SOC较高的蓄电池输出较多的功率，SOC低的蓄电池输出较少的功率，在工作过程中使它们的SOC逐渐均衡，通过控制增益系数ks的大小来控制蓄电池的均衡速率。
本实施方式根据所述控制在Matlab/Simulink中进行仿真实验，改变有功负载在不同策略下进行仿真，观察对应结果。
两个蓄电池的有功下垂系数设置为超级电容的两倍，***初始工作在空载状态，1s时突增有功负载20000W，运行到6s再将负载切除。图5至图7为传统下垂控制下波形，增加负载时***频率下跌且无法恢复，超级电容输出功率大于蓄电池输出功率，超级电容SOC急剧下降，两个蓄电池输出功率相等，功率波形重合，它们的SOC以相同速率下降；图8至图10为增加超级电容SOC控制和蓄电池二次调频控制后的波形，增加负载时***频率维持不变，超级电容快速提供一部分功率支撑频率，随后负载功率由两个蓄电池全部承担，超级电容不再输出功率，尽管这种策略下超级电容峰值功率比传统下垂控制下低，但是其SOC没有显著变化，两个蓄电池输出功率波形仍然输出相等的功率其功率波形重合，其SOC以相同速率下降；图11至图13为在上述基础上再增加蓄电池SOC均衡控制后的波形，增加负载时***频率仍基本维持不变，超级电容情况也与上述一致，但是两个蓄电池放电速度不同，两个蓄电池SOC差值逐渐减小趋于均衡。
表1显示仿真参数
Tab.1 simulation parameter
Figure BDA0002438601510000061
Figure BDA0002438601510000071

Claims (3)

1.一种用于微电网的混合储能调频控制方法，所述微电网采用储能设备用以调节***的频率，储能设备先经DC/DC变换升压，再由DC/AC变换与负载连接；储能设备调节***频率基于传统的下垂控制方法，传统下垂控制方法先检测储能逆变器经滤波后的逆变电压Uabc和逆变电流Iabc，计算出其有功功率P和无功功率Q，通过求取频率指令值的公式，得到频率指令值f，再根据频率指令值计算出相角θ；通过公式Uref＝U0-n·Q，得到参考电压Uref，其中U0为额定电压，n为无功下垂系数，根据Uref和θ经派克变换计算出dq轴参考电压Udref和Uqref，根据Uabc和θ经派克变换计算出dq轴电压Ud和Uq，将参考电压Udref和Uqref与实际电压Ud和Uq经PI调节器得到参考电动势E，由得出的相角θ和参考电动势E调整输出控制逆变器通断，进而输出相应的电压电流；
其特征在于：储能设备为混合储能设备，包括蓄电池和超级电容；超级电容对应的下垂控制方法中，求取频率指令值的公式为
Figure FDA0002438601500000011
其中kp和ki为超级电容SOC控制的PI参数，SOCref为超级电容的SOC参考值，SOCes为储能设备的SOC实际值，msc为超级电容有功下垂系数，Psc为超级电容分配的功率；蓄电池对应的下垂控制方法中，求取频率指令值的公式为
Figure FDA0002438601500000012
其中kpf和kif为蓄电池参与二次调频控制的PI参数；f0为***额定频率；fref为二次调频频率参考值，在实际中控制时以额定频率作为参考值；fmeas为***频率的实际测量值；mbt为蓄电池有功下垂系数；Pbt为蓄电池分配的功率。
2.根据权利要求1所述的一种用于微电网的混合储能调频控制方法，其特征在于：超级电容有功下垂系数小于蓄电池有功下垂系数。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于微电网的混合储能调频控制方法，其特征在于：混合储能设备中的蓄电池为蓄电池组，蓄电池下垂控制方法中取频率指令值的公式为
Figure FDA0002438601500000013
ks为蓄电池SOC控制的增益。
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