CN115313453B - 一种基于soc改进下垂控制算法的多储能***协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，公开了一种基于SOC改进下垂控制算法的多储能***协调控制方法，包括如下步骤：步骤1：采用多台储能蓄电池并联运行于独立运行的光储直流微电网；步骤2：实时计算储能电池荷电状态SOC，确定储能电池SOC变化量；步骤3：根据步骤2储能电池SOC变化量，提出改进下垂控制系数计算方法；步骤4：根据改进下垂控制系数进行储能均衡速率协调控制。与现有技术相比，本发明采用多储能***来对不平衡的***功率进行调节，提出一种改进下垂控制方法，引入SOC计算控制多储能蓄电池充放功率，有效避免蓄电池的过充或者过放，保证直流母线电压波动在控制范围之内。

Description

一种基于SOC改进下垂控制算法的多储能***协调控制方法

技术领域

本发明涉及变换器并联运行控制技术领域，具体涉及一种基于SOC改进下垂控制算法的多储能***协调控制方法。

背景技术

随着分布式电源发展比重的不断增加，孤立运行的光储直流微电网稳定运行时，由于分布式电源发电间接性问题与随机的负荷投切，将会造成整个***功率过剩或者功率不足的情况发生，影响***稳定运行。一般储能***控制多采用下垂控制，但传统下垂控制会使得储能单元充放电功率相同，可能造成储能单元过充充或者过放问题。

目前，微电网储能模式主要采用混合储能和多储能***，混合储能***中蓄电池功率密度低，而超级储能电容与蓄电池相反功率密度较高，根据这种特点许多学者提出了混合储能控制策略。但采用混合补偿控制策略，满足了电能质量和波动负荷需求，但是充放电次数增加不利于蓄电池的使用。因此采用本地信息通信的多储能蓄电池直流微电网现如今逐步成为国内外研究热点，多储能电池多通过DC-DC电路和直流微电网并联使用，可以解决单台蓄电池充放电电流过大问题。对于并联使用的蓄电池荷电状态(State of charge，SOC)均衡研究大多数都是采用改进的下垂控制技术，通过计算储能蓄电池实时SOC参与控制算法设计，实时调整储能变换器功率大小，最后达到SOC的均衡效果，使得多储能***蓄电池可以根据自身电池SOC状态量调节充电功率，避免蓄电池过充或者过放问题，同时维持直流母线电压稳定。

在未来的微电网发展中，储能蓄电池装置是必不可少的一部分，但是传统的下垂控制方式以相同功率充放电模式将大大缩减储能单元的寿命，因此，需要充分考虑基于SOC改进下垂控制算法实时动态调整充放电功率与直流母线电压波动问题。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于SOC改进下垂控制算法的多储能***协调控制方法，采用多储能***来对不平衡的***功率进行调节，提出一种改进下垂控制方法，引入SOC计算控制多储能蓄电池充放功率，有效避免蓄电池的过充或者过放，保证直流母线电压波动在控制范围之内。

技术方案：本发明提供了一种基于SOC改进下垂控制算法的多储能***协调控制方法，包括如下步骤：

步骤1：采用多台储能蓄电池并联运行于独立运行的光储直流微电网；

步骤2：实时计算储能电池荷电状态SOC，确定储能电池SOC变化量；

步骤3：根据步骤2储能电池SOC变化量，提出改进下垂控制系数计算方法：

其中，S_c.max、S_c.min分别表示储能***中初始电量的最大值和最小值；表示蓄电池工作时计算电流分配系数的参考值，充电工作情况下其值等于0，放电情况下其值等于1；α_i是第i个蓄电池电流分配系数，多台蓄电池电流分配系数为1；设定多台蓄电池的容量大小相同时，蓄电池荷电状态变化量只取决于工作时电流；

步骤4：根据改进下垂控制系数进行储能均衡速率协调控制。

进一步地，所述步骤2具体为：根据储能电池荷电状态SOC实现功率分配，加入储能电池计算公式，采用的是电流表示计算公式：

式中，Soc_i(t)和Soc_i(0)是并联第i个储能电池分别在t时刻和开始时刻储能电池的状态量；I_i(τ)表示第i个储能电池工作时电流大小；C_i为第i个储能电池的容量大小；根据上式，整理可以得出储能电池SOC变化量为：

进一步地，当蓄电池充电时，的值等于0，因此当蓄电池SOC越大式中分子越小其电流分配系数越小吸收功率就越小，而当SOC越小蓄电池电流分配系数越大充电功率越大；当蓄电池放电时/>的值等于1，因此当蓄电池SOC越大式中分子越大其电流分配系数越大输出功率就越大，而当SOC越小蓄电池电流分配系数越小放电功率就越小。

进一步地，所述步骤1中独立运行的光储直流微电网的平衡公式为：

P_Load＝P_DGi+P_storage

P_storage＝P_storage1+P_storage2+…+P_storagen

式中，P_Load是负载的总功率；P_DGi是分布式电源的输出功率；P_storage是储能单元的输出功率。

进一步地，所述独立运行的光储直流微电网的运行模式分成4种：

模式1：储能***未发生故障全部正常运行模；

模式2：储能***发生故障部分储能单元无法工作退；

模式3：储能***因过充而整体退出；

模式4：储能***退出工作时部分DG单元退出运行；

根据模式1与模式2，考虑储能单元未退出运行时根据荷电状态SOC进行功率分配。

进一步地，所述步骤4的具体过程为：

采用多台储能蓄电池并联，蓄电池变换器出口电压U_dc1、U_dc2...U_dcn应当满足：

U_dc1＝U_dc2＝...＝U_dcn

选取下垂系数表示式为：

其中，是直流母线设定参考电压；i_bati是储能变换器输出电流；α_i为第i个蓄电池电流分配系数；U_{dc_ref}是经下垂系数计算后的电压参考值；各储能单元功率关系为：

α₁P_bat1＝α₂P_bat2＝...＝α_nP_batn。

有益效果：

本发明在传统下垂控制方法中，引入各储能单元SOC状态量运用到控制算法中，微电网***可根据SOC状态量实时动态调整多储能单元充放电功率，解决传统多储能充放电功率相同的问题，避免了蓄电池的过充或者过放，提高多储能蓄电池使用寿命。基于SOC改进下垂控制算法，实时动态调整多储能单元充放电功率，可维持微电网***直流母线电压恒定。

附图说明

图1为传统下垂控制算法；

图2为蓄电池下垂控制曲线；

图3为本发明孤立光储直流微电网拓扑结构；

图4为本发明储能控制***框图；

图5为本发明实施例情况1下储能***功率曲线，其中(a)为本发明基于SOC改进控制的储能***功率曲线；(b)为传统下垂控制的储能***功率曲线；

图6为本发明实施例情况1下DG波动时母线电压；

图7为本发明实施例情况2下储能***功率曲线，其中(a)为本发明基于SOC改进控制的储能***功率曲线；(b)为传统下垂控制的储能***功率曲线；

图8为本发明实施例情况2下负荷波动时母线电压；

图9为本发明实施例情况3下储能***功率曲线，其中(a)为本发明基于SOC改进控制的储能***功率曲线；(b)为传统下垂控制的储能***功率曲线；

图10为本发明实施例情况3下部分储能退出时母线电压。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明公开了一种基于SOC改进下垂控制算法的多储能***协调控制方法，实现多储能蓄电池单元根据SOC实时状态进行充放电功率调整，维持微电网直流母线电压稳定。从而提高储能单元设备使用寿命，增强微电网稳定能力。本发明的是通过以下技术方案实现的：

目前，下垂控制主要分为“电流-电压”和“功率-电压”两种控制，本发明以I-U下垂控制为示例分析，其控制框图如1所示。

图1中，是直流母线设定参考电压；i_bati是储能变换器输出电流；k为下垂控制中电阻性下垂系数；U_{dc_ref}是经下垂系数计算后的电压参考值；G_u(s)和G_i(s)分别是电压电流双闭环控制的电压外环PI控制器和电流内环PI控制器；L和R_L是储能变换器电感和电感等值电阻；K₁为放大信号增益；P_d是***扰动功率；C是直流母线稳压电容值。选取下垂系数表示式为：

根据式(4-1)，其下垂曲线如图2所示。

图2中，U_H、U_L分别是微电网直流母线电压稳定运行时的最大值和最小值；i_{c_limit}和i_{f_limit}表示储能***充电和放电时允许的最大电流；表示直流母线电压的参考值。当电压电流运行在第一象限内，蓄电池处于放电模式；当电压电流运行在第二象限内，蓄电池处于充电模式。

本发明采用三台储能蓄电池并联使用，因此蓄电池变换器出口电压U_dc1、U_dc2和U_dc3应当满足：

U_dc1＝U_dc2＝U_dc3 (4-2)

结合式(4-1)和式(4-2)进一步可以得出传统控制下各储能单元功率关系为：

k₁P_bat1＝k₂P_bat2＝k₃P_bat3 (4-3)

由式(4-3)可知，传统下垂控制中一般采用相同不变的下垂系数，因此储能单元将以相同的功率充放电，这样就可能会导致SOC过高的储能电池过充和SOC过低的储能电池过放问题，将大大降低储能电池的寿命和利用率。为此本发明进一步提出基于SOC的储能均衡速率控制策略，提高储能***均衡速度。

本发明主要针对独立运行的光储直流微电网结构如图3，由图3中功率的流动方向可以得出全网的平衡公式为：

P_Load＝P_DGi+P_storage (4-4)

式中：

P_storage＝P_storage1+P_storage2+…+P_storagen (4-5)

上式中，P_Load是负载的总功率P_DGi是分布式电源的输出功率；P_storage是储能单元的输出功率。

由上式所知，任何一个单元功率的波动都将导致母线电压产生波动，从而引起微电网不正常运行。本发明将直流微电网运行模式分成4种，储能***未发生故障全部正常运行模式(模式1)；储能***发生故障部分储能单元无法工作退出(模式2)；储能***因过充而整体退出(模式3)；储能***退出工作时部分DG单元退出运行(模式4)，此模式下各DG单元可按照容量成比例运行。本发明模式1和模式2主要目的是考虑储能单元未退出运行时根据荷电状态SOC进行功率分配；而模式3和模式4主要是对光伏出力进行控制，因此不涉及本发明内容不具体进行仿真分析。

模式1：主要研究光储直流微电网中负荷投切和分布式电源波动时引起的母线电压波动，通过储能单元充放电来稳定直流母线电压。此模式中，光伏DG单元采用的是MPPT工作模式运行在最大输出功率位置，储能***根据荷电状(SOC)自适应的提供全网波动的功率。此种模式下，电网功率关系为：

P_storage＝P_Load-P_DG (4-6)

模式2：此模式下储能蓄电池因维修或者其他不可控因素导致某些蓄电池不参与***工作，由其他正常运行的储能单元通过充放电来调节***功率缺额。此时，分布式光伏电源采用扰动观测法使其工作在MPPT最大功率模式下。此时，***将由模式1迅速转为模式2，正常工作的储能单元根据SOC实时调整输出功率维持***供电。此时，***正常运行时功率关系为：

P_{storage_m}＝P_Load-P_DG (4-7)

式(4-8)中，m表示可正常运行的储能单元数目。

模式3：此模式主要用于研究由于光伏电池单元持续运行电压过高导致储能电池持续充电而导致储能单元充满退出调节运行。在这种状况下直流微电网仍持续输出多余功率将导致直流母线电压的升高，此时无储能单元调节各光伏电源应当退出MPPT控制模式转为按照自身容量成比例对***负载供电。采取本发明的自适应下垂控制算法自适应调节DG单元输出功率实现全网功率平衡。此时，全网功率应满足：

P_Load＝P_DG (4-9)

模式4：当独立直流微电网运行在工作模式3，部分光伏DG单元故障无法提供电能，剩余的光伏DG单元自适应增大发电功率为***负荷供电模式。此时，DG单元输出功率为：

式中，n为可以正常运行的光伏DG单元数量。

本发明主要研究计及SOC的储能单元工作模式1和模式2，因此光伏电池在设置其运行时，光伏发电***采用扰动观测法实现MPPT最大功率控制。蓄电池具有能量密度大的优点，但是单个蓄电池长期以较大功率充放电将会导致蓄电池寿命降低，为此本发明采用3个储能电池并联运行减小单个蓄电池充放电电流过大问题。本发明主要考虑荷电状态(SOC)的影响，通过实时电压和直流母线参考电压进行差值比较来进行充放电，可定义其差值为ΔU：

式中，U_dc是直流母线电压实际测量值，是直流母线电压参考值。且当上式定义电压偏差ΔU＞0时，判断电源发出功率大于负载需求此时储能***吸收两者多余功率充电；当ΔU＜0时，判断***功率不足此时储能***释放能量与电源一起给负载供电。

本发明考虑根据储能电池荷电状态(SOC)实现功率分配，因此加入储能电池计算公式，采用的是电流表示计算公式：

式(4-12)中，Soc_i(t)和Soc_i(0)表示的是并联第i个储能电池分别在t时刻和开始时刻储能电池的状态量；I_i(τ)表示第i个储能电池工作时电流大小；C_i为第i个储能电池的容量大小。根据上式，整理式(4-12)可以得出储能电池SOC变化量为：

由式(4-13)可知，SOC变化量与蓄电池工作时电流和蓄电池本身容量的大小有关，当设定3组蓄电池的容量大小相同时，蓄电池荷电状态变化量只取决于工作时电流，因此本发明提出改进公式为：

式(4-14)中，S_c.max、S_c.min分别表示储能***中电量的最大值和最小值；表示蓄电池工作时计算电流分配系数的参考值，充电工作情况下其值等于0，放电情况下其值等于1；α_i是第i个蓄电池电流分配系数，本发明以三个蓄电池作为研究对象，因此三个储能单元的分配系数满足α₁+α₂+α₃＝1。

由(4-14)可知，当蓄电池充电时的值等于0，因此当蓄电池SOC越大式中分子越小其电流分配系数越小吸收功率就越小，而当SOC越小蓄电池电流分配系数越大充电功率越大。当蓄电池放电时/>的值等于1，因此当蓄电池SOC越大式中分子越大其电流分配系数越大输出功率就越大，而当SOC越小蓄电池电流分配系数越小放电功率就越小。这样有利于避免某些储能单元的过充和过放，提高储能蓄电池的寿命。

所以，采用三台储能蓄电池并联，蓄电池变换器出口电压U_dc1、U_dc2...U_dcn应当满足：

U_dc1＝U_dc2＝...＝U_dcn

选取下垂系数表示式为：

其中，是直流母线设定参考电压；i_bati是储能变换器输出电流；α_i为第i个蓄电池电流分配系数；U_{dc_ref}是经下垂系数计算后的电压参考值；各储能单元功率关系为：

α₁P_bat1＝α₂P_bat2＝α₃P_batn。

综上所述，本发明储能***控制电流系数分配框图如图4所示。

本发明为验证引入SOC改进的下垂控制方法的有效性，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型。初始三台蓄电池SOC分别为80％、70％和60％；蓄电池容量均为50Ah；直流母线电压设定值为400V；采用3台光伏电池稳定运行时最大发电功率分别为50kW、50kW和25kW。本发明对以下3种工况验证本发明的有效性：

情况1：光伏DG单元采用的是MPPT稳定的工作模式，储能***采用上述基于SOC的电流分配方法。仿真初始时，储能***释放能量维持***正常运行，在1s时增大光伏发电由60kW增大至约120kW，其仿真结果如图5和图6所示。

如图5(b)所示，储能***使用传统的下垂控制方式时，储能单元输出功率始终一致，将会造成某些蓄电池过充和过放，降低蓄电池使用寿命。

由图5(a)可知，采取本发明的控制方法，当增大光伏电池输出时，储能单元迅速吸收多余能量稳定***，并且当SOC较大时，储能单元吸收功率较小，而当SOC较小时，储能单元吸收功率较大。从图5(a)中可以明显看出当SOC较大时分以较大的电流此时储能单元输出功率大，而当SOC较小时分以较小的电流此时储能单元输出功率小，储能***按SOC大小实时调整充放电功率避免储能单元过充和过放，提高了蓄电池使用寿命。由图6进一步可以得出，当发电功率发生波动时，储能***能够迅速调整出力，维持母线电压稳定，说明了本发明提出控制方法的可行性。

情况2：主要研究***负荷波动时对***稳定性的影响。仿真初始时，储能***输出功率维持***稳定运行，在1s时切除约90kW负载功率，其结果如图7和图8所示。

由图7和图8可知，当负荷产生波动时，储能***迅速调整充放电状态，从原有的放电工作状态迅速转换为充电工作状态，使得母线电压稳定在设定值400V，同时电压波动较小。

由图7所示，当负荷切除时，储能***都能够迅速吸收多余的能量，调整充放电功率的大小。由图7(a)进一步看出，储能***工作在两种运行状态，0～1s时的放电模式和1～2s时的充电模式。工作在0～1s时，储能单元按照SOC大小成正比输出功率，SOC越大的储能单元提供的负荷功率越大，而SOC越小的储能单元提供的负荷功率就越小。当储能***工作在1～2s时，储能单元按照SOC大小成反比吸收功率，SOC越小的储能单元从***中吸收的功率越大，而SOC越大的储能单元从***中吸收的功率越小。综上分析，储能单元将根据不同的SOC进行功率分配，有利于避免储能***过充或者过放。而由7(b)可知，在传统下垂控制方式下，储能***始终以相同功率充放电，可能会出现过充或者过放的问题，影响储能电池寿命。

通过上两种情况分析，在储能都能正常工作的情况下，采用本发明提出控制方法储能单元可以根据SOC大小调整输出功率，避免储能***过充和过放，同时还可以维持母线电压稳定在设定值，验证了本发明提出控制方法的有效性。

情况3：孤立光储直流微电网蓄电池会因为故障或者其他原因退出运行，为研究其部分储能单元退出运行对***影响。仿真初始时，储能***工作在放电状态维持***正常工作，当运行到1s时，蓄电池3因为故障原因退出***运行，其仿真结果图如9和10所示。

由图9和图10可知，当储能单元3退出运行时，其余两台储能单元调整增加出力，母线电压波动较小且迅速恢复至设定值，维持***稳定。

有图9(a)可知，当运行在0～1s时，储能***可以按照SOC分配功率输出；当1s时，储能单元3退出运行时其余两台蓄电池仍可以按照SOC分配功率输出，实现控制目标避免储能***过充和过放。但由9(b)可知，在传统下垂控制下，各储能单元平均承担***功率，可导致储能***过充和过放，影响蓄电池寿命。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于SOC改进下垂控制算法的多储能***协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：采用多台储能蓄电池并联运行于独立运行的光储直流微电网；

独立运行的光储直流微电网的平衡公式为：

P_Load＝P_DGi+P_storage

P_storage＝P_storage1+P_storage2+···+P_storagen

式中，P_Load是负载的总功率；P_DGi是分布式电源的输出功率；P_storage是储能单元的输出功率；

所述独立运行的光储直流微电网的运行模式分成4种：

模式1：储能***未发生故障全部正常运行模；

模式2：储能***发生故障部分储能单元无法工作退；

模式3：储能***因过充而整体退出；

模式4：储能***退出工作时部分DG单元退出运行；

根据模式1与模式2，考虑储能单元未退出运行时根据荷电状态SOC进行功率分配；

步骤2：实时计算储能电池荷电状态SOC，确定储能电池SOC变化量；

根据储能电池荷电状态SOC实现功率分配，加入储能电池计算公式，采用的是电流表示计算公式：

式中，Soc_i(t)和Soc_i(0)是并联第i个储能电池分别在t时刻和开始时刻储能电池的状态量；I_i(τ)表示第i个储能电池工作时电流大小；C_i为第i个储能电池的容量大小；根据上式，整理可以得出储能电池SOC变化量为：

当蓄电池充电时，的值等于0，因此当蓄电池SOC越大式中分子越小其电流分配系数越小吸收功率就越小，而当SOC越小蓄电池电流分配系数越大充电功率越大；当蓄电池放电时/>的值等于1，因此当蓄电池SOC越大式中分子越大其电流分配系数越大输出功率就越大，而当SOC越小蓄电池电流分配系数越小放电功率就越小；

步骤3：根据步骤2储能电池SOC变化量，提出改进下垂控制系数计算方法：

其中，S_c.max、S_c.min分别表示储能***中初始电量的最大值和最小值；表示蓄电池工作时计算电流分配系数的参考值，充电工作情况下其值等于0，放电情况下其值等于1；α_i是第i个蓄电池电流分配系数，多台蓄电池电流分配系数为1；设定多台蓄电池的容量大小相同时，蓄电池荷电状态变化量只取决于工作时电流；

步骤4：根据改进下垂控制系数进行储能均衡速率协调控制：

采用多台储能蓄电池并联，蓄电池变换器出口电压U_dc1、U_dc2…U_dcn应当满足：

U_dc1＝U_dc2＝...＝U_dcn

选取下垂系数表示式为：

其中，是直流母线设定参考电压；i_bati是储能变换器输出电流；α_i为第i个蓄电池电流分配系数；U_{dc_ref}是经下垂系数计算后的电压参考值；各储能单元功率关系为：

α₁P_bat1＝α₂P_bat2＝...＝α_nP_batn。