CN112310990A - 一种基于荷电状态的直流微电网多储能***均衡控制方法 - Google Patents

一种基于荷电状态的直流微电网多储能***均衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于荷电状态的直流微电网多储能***均衡控制方法，其技术特点是：通过在直流微电网中加入储能电源SOC；计算协调均衡控制储能电源SOC数据；根据协调均衡控制储能电源SOC的计算数据，对直流微电网进行改进均衡控制，实现了在各储能电源SOC不同的情况下，使用改进下垂控制控制各直流变换器，使每组储能电源SOC依据自身进行出力，以实现功率均衡分配。本发明通过根据各自储能电源SOC对其进行相应的功率分配，从而达到储能电源SOC均衡的目的，避免储能储能电源SOC过充或过放，延长了储能电源SOC使用寿命。

Description

一种基于荷电状态的直流微电网多储能***均衡控制方法
技术领域
本发明属于新能源技术领域，尤其是一种基于荷电状态的直流微电网多储能***均衡控制方法。
背景技术
随着可再生能源的发展，微电网得到广泛的应用。微电网作为整合区域内分布式能源和负荷的小型电力***，以其灵活的运行模式和可控性成为大规模开发利用可再生能源的解决方案之一。相较于交流微电网，直流微电网减少了变流设备以及功率转换环节，也不存在交流微电网中相位同步、无功潮流和谐波等问题，易于控制，运行可靠，因而得到广泛关注和研究。由于可再生能源的间隙性以及负荷波动的不确定性，此时需要配备储能电池来维持正常电压水平下功率的实时平衡。为了满足相应变流器的功率等级，以确保储能***的安全性和可靠性，此时需要多个储能电源配置成储能***。但由于各储能电池间的差异以及充放电过程中功率分配不均等问题导致储能电池间SOC存在差异，容易造成储能电池过充或过放，不仅影响电池寿命，也影响整个直流微网***运行的稳定性。因此须对各储能电源变换器进行协调控制，实现功率在各储能电源间的均衡分配。
现有技术主要有：采用以SOC为自变量的非性对数函数构建不同储能电源SOC间变化率关系，实现各储能电源SOC均衡和负荷功率动态分配，但只考虑了储能放电情况；提出以SOC幂函数自适应调节各储能电源的下垂系数，实现负荷功率在各储能之间的动态分配和SOC均衡，但当不同储能电源荷电状态差异较大时，仍然避免不了储能电池的过充和过放；利用电压变化率替代下垂控制中的电压，有效降低线路阻抗对负荷功率分配精度的影响，但是没有考虑SOC信息，用于储能控制时不能按容量进行功率分配。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于荷电状态的直流微电网多储能***均衡控制方法，能够实现在各储能电源SOC不同的情况下，使用改进下垂控制控制各直流变换器。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于荷电状态的直流微电网多储能***均衡控制方法，包括以下步骤：
步骤1、在直流微电网中加入储能电源；
步骤2、计算协调均衡控制储能电源SOC数据；
步骤3、根据协调均衡控制储能电源SOC的计算数据，对直流微电网进行改进均衡控制。
而且，所述步骤1的具体实现方法为：所述直流微电网包括分布式发电***、电动汽车和直流负载，三组储能电源分别通过直流变换器连接直流母线并直接对分布式发电***、电动汽车和直流负载进行供电。
而且，所述步骤2的具体实现方法为：
使用安时计量法对储能电源的电池荷电状态进行估算：
Figure BDA0002723734050000021
其中，SOC(t)为储能电源当前荷电状态，SOC(0)为储能电源初始荷电状态；Cb为储能电源SOC容量；ib为储能电源SOC充放电电流；t为储能电源SOC运行时间；
计算储能电源SOC的输出功率：
Pb＝ibVb
其中，Pb为储能电源输出功率；ib为储能电源充放电电流；Vb为储能电源端电压；
计算直流微电网中下垂控制：
Vdc＝Vdc-ref-kdPb
其中，Vdc为储能电源通过直流变换器后输出电压值；Vdc-ref为储能电源通过直流变换器输出电压参考值；kd为下垂系数；
将Vb看成常数，联立储能电源输出功率、电池荷电状态和直流微电网中下垂控制得到：
Figure BDA0002723734050000022
Figure BDA0002723734050000023
Figure BDA0002723734050000024
根据联立公式得到通过增大变换器参考电压值或降低下垂系数改变储能电源SOC变化率，使储能电源SOC趋于一致。
而且，所述步骤3的具体计算方法为：
根据传统控制下参考电压Vdc-ref的计算公式计算新的动态调节参考电压
Figure BDA0002723734050000031
Figure BDA0002723734050000032
其中，k1为SOC影响系数；SOCi为第i个储能电源的荷电状态；SOCavg为三组储能荷电状态平均值，
Figure BDA0002723734050000033
k1＝k2(Pi-Pavg)+k3
Figure BDA0002723734050000034
其中，k2为功率影响因子，Pi为第i个储能电源SOC输出功率值；Pavg为三组储能电源SOC输出功率平均值；k3为常数，
储能电源通过直流变换器后输出电压值为：
Vdc＝Vdc-ref+[k2(Pi-Pavg)+k3](soci-socavg)-kdPb。
而且，所述步骤3的具体控制方法为：通过采集每时刻、每组储能电池的荷电状态值SOC、输出电流I以及输出功率P，并将每一组储能电池对应数据与相应平均值做差得到修正量，并将最终得到的修正量引入至电压外环电流内环控制环节当中。
本发明的优点和积极效果是：
本发明通过在直流微电网中加入储能电源SOC；计算协调均衡控制储能电源SOC数据；根据协调均衡控制储能电源SOC的计算数据，对直流微电网进行改进均衡控制，实现了在各储能电源SOC不同的情况下，使用改进下垂控制控制各直流变换器，使每组储能电源SOC依据自身进行出力，以实现功率均衡分配。本发明通过根据各自储能电源SOC对其进行相应的功率分配，从而达到储能电源SOC均衡的目的，避免储能储能电源SOC过充或过放，延长了储能电源SOC使用寿命。
附图说明
图1是本发明的直流微网结构图；
图2是本发明调节后的参考电压下垂控制曲线图；
图3是本发明调节参考电压的改进控制图；
图4是传统控制策略下直流母线电压曲线图；
图5是传统控制策略下SOC波形图；
图6是传统控制策略下输出功率波形图；
图7是本发明直流母线电压曲线图；
图8是本发明SOC波形图；
图9是本发明输出功率波形图；
图10是三组储能单元在起始SoC不同的情况下放电情波形图；
图11是三组储能单元输出功率波形图；
图12是本发明总体控制原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种基于荷电状态的直流微电网多储能***均衡控制方法，包括以下步骤：
步骤1、在直流微电网中加入储能电源。如图1所示，所述直流微电网包括分布式发电***、电动汽车和直流负载，三组储能电源分别通过直流变换器连接直流母线并直接对分布式发电***、电动汽车和直流负载进行供电并构成直流微网结构。
直流微电网***中，由于分布式发电***与直流负荷之间存在实时功率波动，需要通过储能电源的充放电填充两者之间的功率缺额，保证公共直流母线电压稳定。由于各储能电源之间SOC各不相同，SOC越大的储能电源放电速率越快、SOC越小的储能电源充电速率越快，因此为避免储能电源出现过充或过放，缩短使用寿命，需要在直流微电网运行中根据各储能电源的SOC对功率进行均衡分配。
步骤2、计算协调均衡控制储能电源SOC数据。
使用安时计量法对储能电源的电池荷电状态进行估算：
Figure BDA0002723734050000041
其中，SOC(t)为储能电源当前荷电状态，SOC(0)为储能电源初始荷电状态；Cb为储能电源容量；ib为储能电源充放电电流；t为储能电源运行时间；
依据各储能电源SOC对输出功率进行有效动态分配，计算储能电源的输出功率：
Pb＝ibVb
其中，Pb为储能电源输出功率；ib为储能电源充放电电流；Vb为储能电源端电压；
通过采用下垂控制对各储能电源变换器输入功率和输出功率进行控制，使各储能电源SOC达到动态均衡，其中计算直流微电网中下垂控制：
Vdc＝Vdc-ref-kdPb
其中，Vdc为储能电源通过直流变换器后输出电压值；Vdc-ref为储能电源通过直流变换器输出电压参考值；kd为下垂系数；
由于储能电源中蓄电池端电压变化范围较小，能够将Vb看成常数，联立储能电源输出功率、电池荷电状态和直流微电网中下垂控制得到：
Figure BDA0002723734050000051
Figure BDA0002723734050000052
Figure BDA0002723734050000053
规定储能电源放电时，ib和Vb为正，对应输出功率Pb为正；反之，储能电源充电时，ib、Vb、Pb均为负。当储能电源充电功率越大时，储能荷电状态正向变化越大，SOC上升速度越快；当储能电源放电功率越大时，储能荷电状态反向变化越大，SOC下降速度越快。
在各储能电源配置完全相同的情况下，视为Cb、Vb均相同，而各储能电源均通过直流变换器并联于公共直流母线上，所以其Vdc也均相同。因此储能电源荷电状态变化率仅与变换器输出参考电压、下垂系数有关，即：可以通过增大变换器参考电压值或降低下垂系数来改变储能电源SOC变化率，使SOC趋于一致。
步骤3、根据协调均衡控制储能电源SOC的计算数据，对直流微电网进行改进均衡控制。
实际工程运用中，多采用含有通信的控制策略，且具有更加快速与精确的特点，在正常通信情况下，提出动态调节参考电压的改进下垂控制策略。如图2所示，曲线与纵轴的交点值即为调节后的参考电压值。
根据传统控制下参考电压Vdc-ref的计算公式计算新的动态调节参考电压
Figure BDA0002723734050000054
Figure BDA0002723734050000055
其中，k1为SOC影响系数；SOCi为第i个储能电源的荷电状态；SOCavg为三组储能荷电状态平均值，
Figure BDA0002723734050000056
k1＝k2(Pi-Pavg)+k3
Figure BDA0002723734050000061
其中，正常情况下k1为常数，SOC变化率与储能电源输入输出功率密切相关，因此为了提高SOC均衡精度，在k1中引入功率Pb，k2为功率影响因子，Pi为第i个储能电源SOC输出功率值；Pavg为三组储能电源SOC输出功率平均值；k3为常数，
储能电源SOC通过直流变换器后输出电压值为：
Vdc＝Vdc-ref+[k2(Pi-Pavg)+k3](soci-socavg)-kdPb。
如图3和图12所示，得到的控制策略为：通过采集每时刻、每组储能电源的荷电状态值SOC、输出电流I以及输出功率P，并将每一组储能电源对应数据与相应平均值做差得到修正量，并将最终得到的修正量引入至电压外环电流内环控制环节当中，基本思路为通过层层修正环节改变每一组储能电源所连接的双向DC/DC变换器的参考电压值，改变每周一组储能电源的输出功率，使得每一组储能电源能够根据其自身荷电状态进行相应的出力，以实现到各组储能电池间的均衡状态
根据上述一种基于荷电状态的直流微电网多储能***均衡控制方法，进行仿真已验证本发明的准确性。
仿真模型各***参数如表1：
表1
参数 数值
电池端电压(V) 300
电池1初始SOC(％) 70.2
电池2初始SOC(％) 70
电池3初始SOC(％) 69.8
直流母线电压(V) 400
直流负载电阻(Ω) 160
在仿真模型中，三组电池组成的储能电源均工作在放电模式。在放电过程中，三组储能电源初始SOC分别为70.2％、70％、69.8％。在传统控制策略即未采用下垂控制情况下得到的波形如图4、图5和图6所示，在传统控制下，直流母线电压保持恒定，各储能电源SOC下降保持一致，各储能单元输出功率基本相同。
使用本发明改进下垂控制得到的波形如图7、图8和图9所示，在改进下垂控制下，直流母线电压依然保持恒定，但随着储能电源放电时间增加，各储能电源SOC趋于一致，同时各储能电源输出功率也趋于一致。
如图10和图11所示，图10为三组储能单元在起始SoC不同的情况下放电，最终SoC趋于一致；图11为各储能单元输出功率波形，每组储能单元根据其自身SoC进行相应功率输出，
通过上述仿真能够证明本发明的在使用改进下垂控制控制各直流变换器，使每组储能电源SOC依据自身进行出力，以实现功率均衡分配。本发明通过根据各自储能电源SOC对其进行相应的功率分配，从而达到储能电源SOC均衡的目的，避免储能储能电源SOC过充或过放，延长了储能电源SOC使用寿命。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于荷电状态的直流微电网多储能***均衡控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、在直流微电网中加入储能电源；
步骤2、计算协调均衡控制储能电源SOC数据；
步骤3、根据协调均衡控制储能电源SOC的计算数据，对直流微电网进行改进均衡控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于荷电状态的直流微电网多储能***均衡控制方法，其特征在于：所述步骤1的具体实现方法为：所述直流微电网包括分布式发电***、电动汽车和直流负载，三组储能电源分别通过直流变换器连接直流母线并直接对分布式发电***、电动汽车和直流负载进行供电。
3.根据权利要求1所述的一种基于荷电状态的直流微电网多储能***均衡控制方法，其特征在于：所述步骤2的具体实现方法为：
使用安时计量法对储能电源的电池荷电状态进行估算：
Figure FDA0002723734040000011
其中，SOC(t)为储能电源当前荷电状态，SOC(0)为储能电源初始荷电状态；Cb为储能电源SOC容量；ib为储能电源SOC充放电电流；t为储能电源SOC运行时间；
计算储能电源SOC的输出功率：
Pb＝ibVb
其中，Pb为储能电源输出功率；ib为储能电源充放电电流；Vb为储能电源端电压；
计算直流微电网中下垂控制：
Vdc＝Vdc-ref-kdPb
其中，Vdc为储能电源通过直流变换器后输出电压值；Vdc-ref为储能电源通过直流变换器输出电压参考值；kd为下垂系数；
将Vb看成常数，联立储能电源输出功率、电池荷电状态和直流微电网中下垂控制得到：
Figure FDA0002723734040000012
Figure FDA0002723734040000013
Figure FDA0002723734040000014
根据联立公式得到通过增大变换器参考电压值或降低下垂系数改变储能电源SOC变化率，使储能电源SOC趋于一致。
4.根据权利要求1所述的一种基于荷电状态的直流微电网多储能***均衡控制方法，其特征在于：所述步骤3的具体计算方法为：
根据传统控制下参考电压Vdc-ref的计算公式计算新的动态调节参考电压
Figure FDA0002723734040000021
Figure FDA0002723734040000022
其中，k1为SOC影响系数；SOCi为第i个储能电源的荷电状态；SOCavg为三组储能荷电状态平均值，
Figure FDA0002723734040000023
k1＝k2(Pi-Pavg)+k3
Figure FDA0002723734040000024
其中，k2为功率影响因子，Pi为第i个储能电源SOC输出功率值；Pavg为三组储能电源SOC输出功率平均值；k3为常数，
储能电源通过直流变换器后输出电压值为：
Vdc＝Vdc-ref+[k2(Pi-Pavg)+k3](soci-socavg)-kdPb。
5.根据权利要求1所述的一种基于荷电状态的直流微电网多储能***均衡控制方法，其特征在于：所述步骤3的具体控制方法为：通过采集每时刻、每组储能电池的荷电状态值SOC、输出电流I以及输出功率P，并将每一组储能电池对应数据与相应平均值做差得到修正量，并将最终得到的修正量引入至电压外环电流内环控制环节当中。
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