CN112600188A - 一种直流微电网多储能soc均衡的分段自适应下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流微电网多储能SOC均衡的分段自适应下垂控制方法，控制器采集各储能单元的SOC和实际容量信息，经过分段自适应下垂系数算法对下垂系数重新设定，控制储能单元充放电功率，实现SOC的快速均衡；为了弥补传统下垂控制固有的电压跌落，利用母线电压偏差经PI调节器输出一个公共电压偏差量ΔU，以此对下垂曲线进行补偿，进而自动恢复母线电压；本发明分段自适应下垂系数算法根据锂电池SOC偏差动态调节下垂系数；当SOC偏差较大时，调整下垂系数使放(充)电时SOC较高(低)的锂电池最大功率放(充)电，同时控制另一组锂电池补足剩余功率，加快均衡速度；SOC偏差较小时，在考虑不同线路阻抗和实际容量的基础上优化下垂系数，实现SOC均衡控制。

Description

一种直流微电网多储能SOC均衡的分段自适应下垂控制方法

技术领域

本发明涉及的是分段自适应下垂系数算法及其在独立运行直流微电网多储能SOC均衡控制中的应用领域，具体涉及一种直流微电网多储能SOC均衡的分段自适应下垂控制方法。

背景技术

近年来，国际社会越来越关注清洁可再生能源的发展，越来越多的学者投入到了可再生能源分布式发电的研究当中。为了克服可再生能源功率的功率随机性问题，提出了利用微电网就地消纳的方案，得到了研究人员的广泛认同。直流微电网具有造价较低，损耗较少，效率较高，结构简单和控制方便等优点，从众多微电网方案中脱颖而出。由于分布式能源功率具有间歇性和负荷波动的不可预测性，为了保证微电网稳定运行，常常需要在直流微电网内装设分布式储能***来起到平抑网内功率差额的作用。

直流微电网中，当多组储能单元(Distributed Energy Storage Unit，DESU)并列运行时，采用传统的下垂控制，由于线路阻抗和储能单元实际容量不同，导致储能单元的荷电状态(State of Charge，SOC)产生偏差，从而导致部分储能单元过度充电或者过度放电，严重影响了锂电池的使用寿命。模糊控制和自适应控制的下垂控制可以实现SOC均衡控制，但均衡速度较慢。

传统的下垂控制及SOC不均衡产生的机理：

1、储能***的常规下垂控制

独立运行的直流微电网中，为了同时对母线电压和锂电池输出电流加以控制，常采用母线电压外环，电池电流内环的PI调节器双闭环结构。通常采用下垂控制获得储能***DC/DC输出参考电压，实现储能单元之间的功率分配。下垂控制表达式为：

U_out＝U_ref-kI_out (1)

式中，U_ref为变换器端口参考电压；U_out为变换器端口电压(即直流母线电压)；k为下垂系数；I_out为变换器输出电流。

2、锂电池产生SOC不均衡的机理分析

锂电池荷电状态计算公式为：

式中，SOC为锂电池的荷电状态；SOC₀为锂电池的初始荷电状态；i(t)为锂电池输出电流；C_e为锂电池的最大容量。

考虑线路阻抗和锂电池的实际容量，由式(1)和式(2)可得两组锂电池SOC的变化率为：

式中，R_line1、k₁、U_ref1分别为储能单元1的线路阻抗、下垂系数、端口电压参考值；R_line2、k₂、U_ref2储能单元2的线路阻抗、下垂系数、端口电压参考值。

通常情况下U_ref1＝U_ref2，由式(3)可得：

由式(4)可以得知，理论上相同容量的储能单元由于各种生产和运行原因造成实际容量上存在差异，及线路阻抗差异，导致多组锂电池SOC产生偏差。

综上所述，本发明手机了一种直流微电网多储能SOC均衡的分段自适应下垂控制方法，分段自适应下垂系数算法根据SOC偏差的大小，动态调节下垂系数，加快储能单元的SOC均衡速度。。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种直流微电网多储能SOC均衡的分段自适应下垂控制方法，分段自适应下垂系数算法根据锂电池SOC偏差动态调节下垂系数；当SOC偏差较大时，调整下垂系数使放(充)电时SOC较高(低)的锂电池最大功率放(充)电，同时控制另一组锂电池补足剩余功率，加快均衡速度；SOC偏差较小时，在考虑不同线路阻抗和实际容量的基础上优化下垂系数，实现SOC均衡控制。采用母线电压自动恢复控制实现母线电压的无差控制，控制母线电压稳定，提高供电质量。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种直流微电网多储能SOC均衡的分段自适应下垂控制方法，其方法如下：控制器采集各储能单元的SOC和实际容量信息，经过分段自适应下垂系数算法对下垂系数重新设定，控制储能单元充放电功率，实现SOC的快速均衡；为了弥补传统下垂控制固有的电压跌落，利用母线电压偏差经PI调节器输出一个公共电压偏差量ΔU，以此对下垂曲线进行补偿，进而自动恢复母线电压；所述的储能单元包括第一储能单元1和第二储能单元2，U_out1、U_out2分别为第一储能单元1和第二储能单元2的DC/DC输出电压，I_bat1、I_bat2分别为第一储能单元1和第二储能单元2的输出电流，U_bus为母线电压。

所述的分段自适应下垂系数算法如下：

两组锂电池的平均值为：

则第i组电池的荷电态偏差为

ΔSOC_i＝SOC_i-SOC_avg (10)

(1)当偏差|ΔSOC|＞5％时

1)储能***需要放电的功率P_dmax≤P＜2P_dmax(P_dmax为锂电池额定放电功率)，或需充电的功率P_cmax≤P＜2P_cmax(P_cmax为锂电池额定充电功率)时：

①充电状态：控制SOC较小的一组电池以额定充电功率充电，剩余功率由SOC较大的一组电池吸收。下垂系数按如下重新设定：

式中，SOC_max为所有锂电池中SOC的最大值。

②放电状态：控制SOC较大的一组电池以额定放电功率放电，剩余功率由SOC较小的一组电池释放。下垂系数按如下重新设定：

式中，SOC_min为所有锂电池中SOC的最小值。

2)当储能***放电功率P＜P_dmax或充电功率P＜P_cmax时，放电时强制SOC最高的一组锂电池或者充电时SOC最低的一组锂电池的下垂系数取小值，进而释放或者吸收最多的功率，其余锂电池根据各自SOC和平均SOC的差值来调节下垂系数，尽可能实现功率的平滑过渡。下垂系数按如下公式重新设定：

(2)当偏差|ΔSOC|≤5％时

由式(4)可以看出，保证两组SOC无偏差，保证下式成立：

根据两组锂电池SOC的变化动态调节下垂系数便可按照实际容量的比例进行功率的分配。实际容量大的锂电池稳态时吸收的功率较小释放的功率较大，实际容量小的锂电池与之相反。如此便可实现不同容量锂电池的SOC无差均衡。下垂系数按下式设定：

式中，α为加速因数，符号因充放电状态而不同。

综上所述，当|ΔSOC|＞5％时，根据式(11)～式(14)动态调整下垂系数，可保证SOC最高(低)的锂电池放(充)电的功率最大，而另一组锂电池对应功率为最小，加快SOC均衡速度；当偏差|ΔSOC|≤5％时，根据式(16)自适应调整下垂系数，使储能单元充放电功率按照实际容量和SOC自动分配，彻底消除SOC偏差。

所述的母线电压自动恢复控制方法如下：传统的下垂控制总会产生大小为kI_out的电压偏差，如果传送功率过大将会导致母线电压严重跌落。为了克服传统下垂控制带来的母线电压降落，确保在额定负荷运行下母线电压的稳定，增加对母线电压的恢复控制。在下垂控制基础上增加ΔU偏移量，将下垂曲线平移，补偿下垂系数带来的母线电压降落，实现母线电压无偏差控制。母线电压可用下式表示：

式中，K_p、K_i分别为母线电压PI调节器的比例系数和积分系数。

本发明的有益效果：本发明根据各储能单元的SOC偏差自适应计算下垂系数的方法。偏差较大时通过调整下垂系数，控制储能单元充放电功率不超过额定功率情况下，尽可能快均衡SOC；偏差较小时，通过自适应优化垂系数可以实现多组储能SOC的零偏差控制。并且利用母线电压自动恢复控制可以很好地补偿下垂控制带来的母线电压偏差。在不同微电网运行工况下都能合理地分配储能单元的功率，从而快速均衡SOC，同时控制母线电压无偏差。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明的直流微电网的拓扑结构图；

图2为本发明的直流微电网等值电路图；

图3为本发明的控制方法示意图；

图4(a)为本发明实施例的传统下垂控制的线路阻抗和锂电池实际容量不同的仿真波形图；

图4(b)本发明实施例基于分段自适应下垂系数算法的多储能SOC均衡控制的线路阻抗和锂电池实际容量不同的仿真波形图；

图5(a)为本发明实施例的自适应下垂控制方法的P_dmax≤P<2P_dmax放电情况下仿真波形图；

图5(b)为本发明实施例的基于分段自适应下垂系数算法的多储能SOC均衡控制的P_dmax≤P<2P_dmax放电情况下仿真波形图；

图6为本发明实施例的P_cmax≤P<2P_cmax充电情况下仿真波形图；

图7为本发明实施例的P<P_dmax放电情况下仿真波形图；

图8为本发明实施例的P<P_cmax充电情况下仿真波形图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参照图1-8，本具体实施方式采用以下技术方案：一种直流微电网多储能SOC均衡的分段自适应下垂控制方法，其方法如下：控制器采集各储能单元的SOC和实际容量信息，经过分段自适应下垂系数算法对下垂系数重新设定，控制储能单元充放电功率，实现SOC的快速均衡；为了弥补传统下垂控制固有的电压跌落，利用母线电压偏差经PI调节器输出一个公共电压偏差量ΔU，以此对下垂曲线进行补偿，进而自动恢复母线电压；所述的储能单元包括第一储能单元1和第二储能单元2，U_out1、U_out2分别为第一储能单元1和第二储能单元2的DC/DC输出电压，I_bat1、I_bat2分别为第一储能单元1和第二储能单元2的输出电流，U_bus为母线电压。

其中独立运行直流微电网拓扑结构如图1所示，由光伏发电***、储能***和负荷组成。光伏发电***作为微源向母线提供能量。两组储能单元共同吸收母线上多余的能量或补充母线功率缺额，维持母线电压稳定，保证负荷的正常运行，其中储能***内部的功率利用下垂控制自动分配。直流微电网微源的参数见表1。

表1直流微电网***参数

本具体实施方式的下垂系数范围的确定：

直流微电网的等值电路如图2所示。微源一般采用最大功率点跟踪(MaximumPower Point Track,MPPT)控制，所以可等效为一个恒功率源或恒流源；储能单元用来平抑网内功率波动，维持直流母线电压稳定，可以用一个恒压源和阻抗的串联的模型等效；负荷则可以用一个等值阻抗来等效。

根据等值电路可得：

式中，P_source为微源发出的总功率；R_load为负荷的等值阻抗；k'＝k+R_line为储能***的等值阻抗，R_line为变换器线路阻抗。

由式(5)可得下垂系数的计算公式为：

将母线电压允许的最大变化范围带入式(6)即可解得下垂系数的最大值。

根据锂电池的实际容量和放电倍率还可以确定出下垂系数的一个最小值，有：

式中，U_bat为锂电池的端口电压；I_bat为锂电池的输出电流。

由(7)可得：

根据实际容量可以确定出锂电池的最大充放电电流，将其代入式(8)中即可求得下垂系数的最小值。

为了消除各储能单元实际容量和线路阻抗不同引起的SOC偏差，避免单个储能单元过充和过放，以及解决下垂控制母线电压存在偏差的问题，本发明设计了分段自适应下垂系数算法的多储能SOC均衡下垂控制策略，其控制框图如图3所示。其中，U_out1、U_out2分别为储能单元1和2的DC/DC输出电压，I_bat1、I_bat2分别为储能单元1和2的输出电流，U_bus为母线电压。控制器采集各储能单元的SOC和实际容量信息，经过分段自适应下垂系数算法对下垂系数重新设定，控制储能单元充放电功率，实现SOC的快速均衡。为了弥补传统下垂控制固有的电压跌落，利用母线电压偏差经PI调节器输出一个公共电压偏差量ΔU，以此对下垂曲线进行补偿，进而自动恢复母线电压。

本具体实施方式的分段自适应下垂系数算法如下：

两组锂电池的平均值为：

则第i组电池的荷电态偏差为

ΔSOC_i＝SOC_i-SOC_avg (10)

(1)当偏差|ΔSOC|＞5％时

1)储能***需要放电的功率P_dmax≤P＜2P_dmax(P_dmax为锂电池额定放电功率)，或需充电的功率P_cmax≤P＜2P_cmax(P_cmax为锂电池额定充电功率)时：

①充电状态：控制SOC较小的一组电池以额定充电功率充电，剩余功率由SOC较大的一组电池吸收。下垂系数按如下重新设定：

式中，SOC_max为所有锂电池中SOC的最大值。

②放电状态：控制SOC较大的一组电池以额定放电功率放电，剩余功率由SOC较小的一组电池释放。下垂系数按如下重新设定：

式中，SOC_min为所有锂电池中SOC的最小值。

2)当储能***放电功率P＜P_dmax或充电功率P＜P_cmax时，放电时强制SOC最高的一组锂电池或者充电时SOC最低的一组锂电池的下垂系数取小值，进而释放或者吸收最多的功率，其余锂电池根据各自SOC和平均SOC的差值来调节下垂系数，尽可能实现功率的平滑过渡。下垂系数按如下公式重新设定：

(2)当偏差|ΔSOC|≤5％时

由式(4)可以看出，保证两组SOC无偏差，保证下式成立：

根据两组锂电池SOC的变化动态调节下垂系数便可按照实际容量的比例进行功率的分配。实际容量大的锂电池稳态时吸收的功率较小释放的功率较大，实际容量小的锂电池与之相反。如此便可实现不同容量锂电池的SOC无差均衡。下垂系数按下式设定：

式中，α为加速因数，符号因充放电状态而不同。

综上所述，当|ΔSOC|＞5％时，根据式(11)～式(14)动态调整下垂系数，可保证SOC最高(低)的锂电池放(充)电的功率最大，而另一组锂电池对应功率为最小，加快SOC均衡速度；当偏差|ΔSOC|≤5％时，根据式(16)自适应调整下垂系数，使储能单元充放电功率按照实际容量和SOC自动分配，彻底消除SOC偏差。

传统的下垂控制总会产生大小为kI_out的电压偏差，如果传送功率过大将会导致母线电压严重跌落。为了克服传统下垂控制带来的母线电压降落，确保在额定负荷运行下母线电压的稳定，增加对母线电压的恢复控制。在下垂控制基础上增加ΔU偏移量，将下垂曲线平移，补偿下垂系数带来的母线电压降落，实现母线电压无偏差控制。母线电压可用下式表示：

式中，K_p、K_i分别为母线电压PI调节器的比例系数和积分系数。

实施例1：为了验证上述控制方法的有效性，根据图1拓扑和表1参数，在MATLAB/Simulink仿真软件中搭建了仿真模型，进行了仿真验证。锂电池允许的最大放电倍率0.5C和最大充电倍率0.2C，则两组锂电池可达到的最大充/放电功率分别为10kW/25kW。

1、线路阻抗和锂电池实际容量不同仿真研究

两组锂电池的初始SOC相同，初始SOC都设置为70％，光伏功率设为25kW，负荷功率40kW。传统下垂控制与本文提出的控制策略仿真结果如图4所示。由图4(a)可以看出，由于线路阻抗和锂电池实际容量不同，导致两组电池SOC产生偏差，而且母线电压低于750V。从图4(b)中可以看到，采用基于分段自适应下垂系数算法的多储能SOC均衡下垂控制策略，通过动态调节下垂系数来控制锂电池1和锂电池2放电功率不同，消除线路阻抗和锂电池实际容量差异的影响，实现两组锂电池的SOC偏差始终为0；母线电压维持750V，母线电压自动恢复控制实现电压无偏差控制，稳定母线电压。

2、自适应分段式下垂控制策略仿真研究

(1)储能***放电功率P_dmax≤P＜2P_dmax

两组锂电池初始SOC分别为SOC₁＝70％、SOC₂＝50％，光伏功率为10kW，负荷需求为40kW。网内功率缺额为30kW，大于一组锂电池能承受的最大放电功率25kW。自适应下垂控制与本文给出的控制策略仿真结果如图5所示。

由图5(a)可以看出，自适应下垂控制可以实现SOC均衡控制，但均衡速度较慢，而且母线电压740V，有偏差。从图5(b)可以看出，在两组锂电池SOC偏差大于5％时(0.5s之前)，SOC较大的锂电池1输出了最大允许的放电功率25kW，而剩余的5kW功率缺额由锂电池2补偿，最大可能快速均衡SOC；0.5s后，两组锂电池的SOC偏差缩小到5％以内，储能***内部的功率按式(16)下垂系数进行分配，最终消除SOC偏差；母线电压750V，母线电压稳定，提高了供电质量。

(2)储能***充电功率P_cmax≤P＜2P_cmax

两组锂电池初始SOC为SOC₁＝50％、SOC₂＝30％，光伏功率为55kW，负荷需求为40kW，网内功率剩余为15kW，大于一组锂电池额定充电功率10kW。仿真波形如图6所示，可以看出，SOC水平较低的锂电池2以额定功率10kW充电，剩余的5kW功率由锂电池1吸收。2.5s时，两组锂电池的SOC达到均衡，实现SOC的快速均衡。

(3)储能***放电功率P＜P_dmax

两组锂电池初始SOC为SOC₁＝70％、SOC₂＝50％，光伏功率为25kW，负荷需求为40kW，网内功率缺额为15kW。仿真波形如图7所示，可以看出，锂电池1释放了网内全部功率缺额15kW，1.5s时两组锂电池SOC实现了均衡。

(4)储能***充电功率P＜P_cmax

两组锂电池初始SOC为SOC₁＝50％、SOC₂＝30％，光伏功率为49kW，负荷需求为40kW，网内功率剩余为9kW。仿真波形如图8所示，SOC较高的锂电池1吸收功率几乎为0，锂电池2吸收了网内剩余的全部9kW功率。2s时两组锂电池实现了SOC均衡。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种直流微电网多储能SOC均衡的分段自适应下垂控制方法，其特征在于，其方法为：控制器采集各储能单元的SOC和实际容量信息，经过分段自适应下垂系数算法对下垂系数重新设定，控制储能单元充放电功率，实现SOC的快速均衡；为了弥补传统下垂控制固有的电压跌落，利用母线电压偏差经PI调节器输出一个公共电压偏差量ΔU，以此对下垂曲线进行补偿，进而自动恢复母线电压；所述的储能单元包括第一储能单元1和第二储能单元2，U_out1、U_out2分别为第一储能单元1和第二储能单元2的DC/DC输出电压，I_bat1、I_bat2分别为第一储能单元1和第二储能单元2的输出电流，U_bus为母线电压。

2.根据权利要求1所述的一种直流微电网多储能SOC均衡的分段自适应下垂控制方法，其特征在于，所述的分段自适应下垂系数算法如下：两组锂电池的平均值为：

则第i组电池的荷电态偏差为

ΔSOC_i＝SOC_i-SOC_avg (10)

(1)当偏差|ΔSOC|＞5％时

1)储能***需要放电的功率P_dmax≤P＜2P_dmax(P_dmax为锂电池额定放电功率)，或需充电的功率P_cmax≤P＜2P_cmax(P_cmax为锂电池额定充电功率)时：

①充电状态：控制SOC较小的一组电池以额定充电功率充电，剩余功率由SOC较大的一组电池吸收；下垂系数按如下重新设定：

式中，SOC_max为所有锂电池中SOC的最大值；

②放电状态：控制SOC较大的一组电池以额定放电功率放电，剩余功率由SOC较小的一组电池释放；下垂系数按如下重新设定：

式中，SOC_min为所有锂电池中SOC的最小值；

2)当储能***放电功率P＜P_dmax或充电功率P＜P_cmax时，放电时强制SOC最高的一组锂电池或者充电时SOC最低的一组锂电池的下垂系数取小值，进而释放或者吸收最多的功率，其余锂电池根据各自SOC和平均SOC的差值来调节下垂系数，尽可能实现功率的平滑过渡；下垂系数按如下公式重新设定：

(2)当偏差|ΔSOC|≤5％时

由式(4)可以看出，保证两组SOC无偏差，保证下式成立：

根据两组锂电池SOC的变化动态调节下垂系数便可按照实际容量的比例进行功率的分配；实际容量大的锂电池稳态时吸收的功率较小释放的功率较大，实际容量小的锂电池与之相反；如此便可实现不同容量锂电池的SOC无差均衡；下垂系数按下式设定：

式中，α为加速因数，符号因充放电状态而不同；

综上所述，当|ΔSOC|＞5％时，根据式(11)～式(14)动态调整下垂系数，可保证SOC最高(低)的锂电池放(充)电的功率最大，而另一组锂电池对应功率为最小，加快SOC均衡速度；当偏差|ΔSOC|≤5％时，根据式(16)自适应调整下垂系数，使储能单元充放电功率按照实际容量和SOC自动分配，彻底消除SOC偏差。

3.根据权利要求1所述的一种直流微电网多储能SOC均衡的分段自适应下垂控制方法，其特征在于，所述的母线电压的恢复控制；在下垂控制基础上增加ΔU偏移量，将下垂曲线平移，补偿下垂系数带来的母线电压降落，实现母线电压无偏差控制；母线电压可用下式表示：

式中，K_p、K_i分别为母线电压PI调节器的比例系数和积分系数。

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