一种混合储能系统充放电切换过程动态优化控制方法与流程

本发明涉及一种混合储能系统充放电切换过程动态优化控制方法。

背景技术：

在目前的分布式电网中，风能、太阳能等可再生能源的比重越来越大。由于这些能源的电源输出功率受环境因素影响具有间歇性和随机性，将导致其并网后对电力系统的安全性和稳定性造成诸多不利影响。通常给可再生能源配置一定比例的静态无功补偿器可以快速补偿其无功功率，维持接入电网处电压稳定，而对于有功功率补偿，需要在可再生能源电源侧配置一定容量的储能系统。通过优化控制储能系统和这些能源电源的运行(即储能系统的功率配置)，平抑可再生能源电源注入电力系统的功率波动，使其输出功率满足电力系统安全稳定运行的要求。同时，为使储能系统具备大容量和大功率性能，通常采用能量型储能介质(如蓄电池)和功率型储能介质(如超级电容)混合组成储能系统。其中，能量型储能介质(如蓄电池)的能量密度大、功率密度小；相反，功率型储能介质(如超级电容)的能量密度小、功率密度大，且高倍率充-放电不会损害其性能。因此，在优化控制储能系统和这些能源电源的运行过程中，需要给出有效的优化控制策略以实现储能系统合理、有效的充放电功率配置。

经过对现有的关于混合储能系统充放电切换控制技术文献的检索发现，根据不同储能介质的互补特性，提出了超级电容与蓄电池混合储能系统，并从理论上证明了混合储能系统具有更高的功率输出能力和减少蓄电池的充放电次数。采用自动状态机控制方法实现风能、太阳能等发电系统的混合储能控制，采用多滞环PID调节控制策略，研究了适用于微网的蓄电池和超级电容混合储能系统，结果表明混合储能系统在应对微网中频繁快速的功率和能量变化方面具有很好的技术经济性。进一步，在储能介质离散时间数学模型的基础上，研究功率型储能介质组成的储能系统，利用模糊控制策略实现储能优化控制。这些成果通常侧重于储能过程机理分析，同时在储能功率分配控制器设计中不能明确考虑各种储能单元的功率输入输出限制、最小和最大荷电量范围，以及各个储能单元的充放电过程的不同电气特性。

技术实现要素：

为了克服现有的混合储能系统充放电切换过程控制方式的使用复杂、实用性较差的不足，本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种思路简单、使用方便、实用性良好的混合储能系统充放电切换过程动态优化控制方法，基于切换系统的共同控制Lyapunov函数工具，构造一个解析的切换状态反馈控制器，其中控制器的参数反映了混合储能系统充放电的速率，再考虑混合储能系统的各种限制条件和最佳充放电性能函数，根据各个储能单元不同的充放电过程，对切换控制器进行动态优化再设计，使混合储能系统的充放电过程始终满足限制条件和最佳充放电性能，实现混合储能系统的充放电切换过程的动态优化控制。

本发明为了解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种混合储能系统充放电切换过程动态优化控制方法，包括以下步骤：

步骤一、考虑混合储能系统中的第i个储能单元，以储能单元的剩余荷电量的变化表示充放电过程，应用能量守恒定理，建立该储能单元的充放电过程的动态数学模型，见式(1)和(2)

其中，n表示混合储能系统中的储能单元总数，式(1)表示第i个储能单元的充电过程动态模型，式(2)表示第i个储能单元的放电过程动态模型，t表示充放电的时间，单位min，Q_i表示第i个储能单元的剩余荷电量，单位MW，P_i表示第i个储能单元的充放电功率，单位MW/min，σ_c,i表示第i个储能单元的充电过程的自放电率，单位％/min，η_c,i表示第i个储能单元的充电效率，单位％，σ_d,i表示第i个储能单元的放电过程的自放电率，单位％/min，η_d,i表示第i个储能单元的放电效率，单位％；

步骤二、考虑实际混合储能系统的充放电情况，对混合储能系统充放电过程动态模型进行变换设计，定义变量x_i＝Q_i和u_i＝P_i，其中i＝1,…,n，定义混合储能系统的向量和根据公式(1)和(2)，分别定义混合储能系统的充放电过程的动态数学模型，见式(3)和(4)

其中，式(3)表示混合储能系统的充电过程动态模型，式(4)表示混合储能系统的放电过程动态模型，t表示充放电的时间，单位min，x表示储能系统中储能器件的荷电量，单位MW，u表示充放电功率，单位MW/min)；

步骤三、考虑超级储能单元充放电变换模型式(3)和(4)，定义矩阵

求解不等式方程组，见式(5)

其中P是未知变量；利用一元二次不等式方程组求解式(5)的未知变量P，得到式(5)的解，见式(6)

下标n×n表示P是n行n列的矩阵，在采样时刻t，测量混合储能系统当前荷电量x(t)，构造充电过程输入函数u_c(t)，见式(7)

和放电过程输入函数u_d(t)，见式(8)

其中，和未知参数θ₁、θ₂、θ₃和θ₄；

步骤四、考虑混合储能系统荷电量约束和功率输入输出约束，设定参数θ₁、θ₂、θ₃和θ₄的取值范围D，混合储能系统充电性能目标函数l_c(x,u)，见式(9)

和混合储能系统放电性能目标函数l_d(x,u)，见式(10)

其中，x_i,c是第i个储能单元的充电目标，x_i,d是第i个储能单元的放电目标，q_c,i和q_d,i是调试参数，i＝1,…,n，对混合储能系统充电过程，应用坐标轮换法求解优化问题，见式(11)

得到参数最优值θ₁^*和θ₂^*；对混合储能系统放电过程，应用坐标轮换法求解优化问题，见式(12)

得到参数最优值θ₃^*和θ₄^*，其中，X表示混合储能系统荷电量约束限制，U表示混合储能系统充放电过程的功率输入输出约束限制，T表示优化时域，J_c(x)表示优化时域内的累加充电过程性能函数，J_d(x)表示优化时域内的累加放电过程性能函数，将参数最优值(θ₁^*,θ₂^*)和(θ₃^*,θ₄^*)分别代入式(7)和式(8)，得混合储能系统充电过程优化控制器和放电过程优化控制器，在下一个采样时间到达后，再次重复求解式(11)或式(12)，得混合储能系统充电过程动态优化控制器和放电过程动态优化控制器。

进一步，所述动态优化控制方法还包括以下步骤：步骤五、在混合储能系统充放电过程切换控制计算机上运行实施，分为3个阶段：

5.1参数设置，包括模型参数和充放电过程目标参数，在模型导入界面中，分别输入各个储能单元充电和放电过程的自放电率σ_c,i和σ_d,i，单位％/min，充电效率为η_c,i，放电效率η_d,i；在控制参数设置界面中，分别输入各个储能单元的初始荷电量，未知参数的取值范围D，储能单元的充电目标x_i,c，储能单元的放电目标x_i,d，荷电量约束限制X，功率输入输出约束限制U，优化时域T，输入参数确认后，由控制计算机将设置数据送入计算机存储单元RAM中保存；

5.2离线调试，混合储能充放电控制系统进入控制器调试阶段，分别考虑充电过程和放电过程，调整组态界面中设定可调参数q_c,i和q_d,i的取值，观测混合储能系统各个储能单元的荷电和充放电功率的控制效果，由此确定一组能良好控制混合储能系统充放电过程的控制器参数值，参数q_c,i和q_d,i的取值规则：q_c,i和q_d,i为正实数，即q_c,i＞0和q_d,i＞0，参数q_c,i和q_d,i的调整规则：增大q_c,i的值将缩短充电过程的过渡时间，但增大充电过程的储能单元荷电量变化和功率值，增加对充电过程扰动的敏感性，增大q_d,i的值将缩短放电过程的过渡时间，但增大放电过程的储能单元荷电量变化和功率值，增加对放电过程扰动的敏感性；相反，减小q_c,i的值将延长充电过程的过渡时间，但减小充电过程的储能单元荷电量变化和功率值，降低对充电过程扰动的敏感性，减小q_d,i的值将延长放电过程的过渡时间，但减小放电过程的储能单元荷电量变化和功率值，降低对放电过程扰动的敏感性。因此，实际调试控制器参数q_c,i和q_d,i时，应在充放电过程的过渡时间、储能单元荷电量变化和功率值容许的范围内综合权衡；

5.3在线运行，启动混合储能系统充放电过程切换控制计算机的CPU读取混合储能系统充放电过程模型参数和最佳控制器参数，并执行“混合储能系统放电切换过程优化控制程序”，通过在线测量混合储能系统中各储能单元的实际荷电量，控制混合储能系统的充电和放电过程的充入功率和放出功率，实现混合储能系统充放电过程的有效控制。

本发明的有益效果为：先通过储能系统机理建立混合储能系统充放电模型，再通过给定数据，求得共同Lyapunov函数正定对称矩阵，进一步求得切换控制器，再结合系统约束和性能指标实现了切换控制器的动态优化再设计，进一步将其代入合储能充放电模型，用于其充放电控制，此设计方法简洁、易用，可用于指导实际的、充放电控制过程。

附图说明

图1是实施例混合储能系统充放电切换控制电荷状态曲线图。

图2是实施例混合储能系统充放电切换功率输入函数曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1和图2，一种混合储能系统充放电切换过程动态优化控制方法，包括以下步骤：

步骤一、考虑由2个储能单元组成的混合储能系统。以储能单元的剩余荷电量的变化表示充放电过程，应用能量守恒原理，建立储能系统中储能单元的充放电过程的动态数学模型，见式(1)和(2)

其中，2表示混合储能系统由2个储能单元组成，式(1)表示第i个储能单元的充电过程动态模型，式(2)表示第i个储能单元的放电过程动态模型，t表示充放电的时间(min)，Q_i表示第i个储能单元的剩余荷电量(MW)，P_i表示第i个储能单元的充放电功率(MW/min)，σ_c,i表示第i个储能单元的充电过程的自放电率(％/min)，η_c,i表示第i个储能单元的充电效率(％)，σ_d,i表示第i个储能单元的放电过程的自放电率(％/min)，η_d,i表示第i个储能单元的放电效率(％)。

步骤二、考虑储能系统的充放电实际情况，定义变量x_i＝Q_i和u_i＝P_i，其中i＝1,2，定义混合储能系统的向量和根据公式(1)和(2)，分别定义混合储能系统的充放电过程的动态数学模型，见式(3)和(4)

其中，式(3)表示混合储能系统的充电过程动态模型，式(4)表示混合储能系统的放电过程动态模型，t表示充放电的时间(min)，x表示储能系统中储能器件的荷电量(MW)，u表示充放电功率(MW/min)。

步骤三、考虑混合储能系统充放电变换模型式(3)和(4)，定义矩阵求解不等式方程组，见式(5)

其中P是未知变量。利用一元二次不等式方程组求解式(5)的未知变量P，得到式(5)的解，见式(6)

在采样时刻t，测量混合储能系统当前荷电量x(t)，构造充电过程输入功率函数u_c(t)，见式(7)

和放电过程输入函数u_d(t)，见式(8)

其中和未知参数θ₁、θ₂、θ₃和θ₄。

步骤四、考虑混合储能系统荷电量约束和功率输入输出约束，设定参数θ₁、θ₂、θ₃和θ₄的取值范围D，混合储能系统充电性能目标函数l_c(x,u)，见式(9)

和混合储能系统放电性能目标函数l_d(x,u)，见式(10)

其中，x_1,c和x_2,c是2个储能单元的充电目标，x_1,d和x_2,d是2个储能单元的放电目标，q_c,1、q_c,2、q_d,1和q_d,2是调试参数。对混合储能系统充电过程，应用坐标轮换法求解优化问题，见式(11)

得到参数最优值θ₁^*和θ₂^*；对混合储能系统放电过程，应用坐标轮换法求解优化问题，见式(12)

得到参数最优值θ₃^*和θ₄^*，其中，X表示混合储能系统荷电量约束限制，U表示混合储能系统充放电过程的功率输入输出约束限制，T表示优化时域，J_c(x)表示优化时域内的累加充电过程性能函数，J_d(x)表示优化时域内的累加放电过程性能函数，将参数最优值(θ₁^*,θ₂^*)和(θ₃^*,θ₄^*)分别代入式(7)和式(8)，得混合储能系统充电过程优化控制器和放电过程优化控制器，在下一个采样时间到达后，再次重复求解式(11)或式(12)，得混合储能系统充电过程动态优化控制器和放电过程动态优化控制器。

步骤五、混合储能系统充放电的执行，在混合储能系统充放电控制计算机上运行实施，可以大致分为3个阶段：

5.1参数设置，包括模型参数和充放电过程目标参数，在模型导入界面中，分别输入各个储能单元充电和放电过程的自放电率σ_c,i和σ_d,i(％/min)，充电效率为η_c,i，放电效率η_d,i；在控制参数设置界面中，分别输入各个储能单元的初始荷电量，未知参数的取值范围D，储能单元的充电目标x_i,c，储能单元的放电目标x_i,d，荷电量约束限制X，功率输入输出约束限制U，优化时域T，输入参数确认后，由控制计算机将设置数据送入计算机存储单元RAM中保存；

5.2离线调试，点击组态界面中的“调试”按钮，混合储能充放电控制系统进入控制器调试阶段；分别考虑充电过程和放电过程，调整组态界面中设定可调参数q_c,i和q_d,i的取值，观测混合储能系统各个储能单元的荷电和充放电功率的控制效果，由此确定一组能良好控制混合储能系统充放电过程的控制器参数值，参数q_c,i和q_d,i的取值规则：q_c,i和q_d,i为正实数，即q_c,i＞0和q_d,i＞0，参数q_c,i和q_d,i的调整规则：增大q_c,i的值将缩短充电过程的过渡时间，但增大充电过程的储能单元荷电量变化和功率值，增加对充电过程扰动的敏感性，增大q_d,i的值将缩短放电过程的过渡时间，但增大放电过程的储能单元荷电量变化和功率值，增加对放电过程扰动的敏感性；相反，减小q_c,i的值将延长充电过程的过渡时间，但减小充电过程的储能单元荷电量变化和功率值，降低对充电过程扰动的敏感性，减小q_d,i的值将延长放电过程的过渡时间，但减小放电过程的储能单元荷电量变化和功率值，降低对放电过程扰动的敏感性。因此，实际调试控制器参数q_c,i和q_d,i时，应在充放电过程的过渡时间、储能单元荷电量变化和功率值容许的范围内综合权衡；

5.3在线运行，点击组态界面“运行”按钮，启动混合储能系统充放电控制计算机的CPU读取混合储能系统充放电过程模型参数、充放电过程目标参数和最佳控制器参数，并执行“混合储能系统放电切换过程优化控制程序”，通过在线测量混合储能系统中不同储能单元的实际荷电量，控制充电和放电过程的充入功率和放出功率，实现混合储能系统充放电过程的有效控制。

下面结合附图和实例对本发明做进一步说明：

为了验证所建模型的性能，需要对模型进行拟合和校验。选取储能单元1的最大荷电量Q_1max＝0.75(MW)，充电过程自放电率σ_c1＝0.01(％/min)，放电过程自放电率σ_d1＝0.01(％/min)，充电效率为η_c1＝0.95和放电效率η_d1＝0.95；储能单元2的最大荷电量Q_2max＝1.5(MW)，充电过程自放电率σ_c2＝0.01(％/min)，放电过程自放电率σ_d2＝0.01(％/min)，充电效率为η₂＝0.90和放电效率η_d2＝0.90。在混合储能系统处于充电过程中，储能单元1的充电过程控制目标是x_c,1＝0.95Q_1max和储能单元2的充电过程控制目标是x_c,2＝0.9Q_2max；在混合储能系统处于放电过程中，储能单元1的放电过程控制目标是x_d,1＝0.25Q_1max和储能单元2的放电过程控制目标是x_d,2＝0.2Q_2max；混合储能系统荷电量约束限制X＝[0.2Q_1max,Q_1max]×[0.15Q_2max,Q_2max]，功率输入输出约束限制U＝[-2,2]×[-4,4]，优化时域T＝3.5分钟，采样周期0.7分钟，未知参数的取值范围D＝[0.1 1]×[0.5,5]。设置混合储能系统的初始剩余荷电量，储能单元1为0.6Q_1max和储能单元2为0.55Q_2max，混合储能系统充电过程结束后将切换到放电过程。

通过离线调试，设置参数q_c,1＝50、q_c,2＝50、q_d,1＝1和q_d,2＝1，将其带入式(9)和式(10)，求得混合储能系统充电过程和放电过程的功率输入输出函数，得到如图2所示。之后将该函数带入公式(3)和公式(4)，得到如图1所示，混合储能系统中储能单元1和储能单元2的充放电过程的剩余荷电量的变化结果。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改，都落入本发明的保护范围。