基于储能系统的直流微电网稳态性能分析方法与流程

本发明涉及孤岛运行的直流微电网相关技术领域，特别是指一种基于储能系统的直流微电网稳态性能分析方法。

背景技术：

在直流微电网系统中，参照图1所示，为并联树枝状的直流微电网拓扑结构。由图可知，大部分负载通过电力电子变换器，即负载变换器，与直流母线相连接，在负载变换器受到闭环控制的情况下，负载与负载变换器整体呈现恒功率负载(constantpowerloads,cpls)的特性，当孤岛运行的直流微电网系统出现母线电压扰动时，若设计不当，恒功率负载呈现出的负阻抗特性就相当于为系统引入了一个正反馈，不断放大扰动，严重时甚至会引起直流母线电压的大幅跌落或出现震荡现象，严重影响整个系统的正常工作。

为了保证孤岛运行的直流微电网系统的稳定运行，需要消除恒功率负载的负阻抗特性，现有方法一般有两种方式，一种是直接改变恒功率负载的变换器控制策略，另一种则是在恒功率负载的输入端加入特定的滤波装置。前一种方法会对负载正常工作性能产生影响，后一种方法需改变系统硬件结构，对现有设备来说代价太大。

因此，在实现本申请的过程中，申请人发现现有技术至少存在以下缺陷：当前消除恒功率负载的负阻抗特性的方法要么影响工作性能，要么成本过高，实现起来不够方便实用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于储能系统的直流微电网稳态性能分析方法，能够方便实用的实现恒功率负载的负阻抗特性的消除，而且不会引起额外的成本，较为容易实现。

基于上述目的本发明提供的一种基于储能系统的直流微电网稳态性能分析方法，包括：

基于直流微电网系统的特性，分别建立直流微电网系统中的储能系统在充电模式下的混合势函数模型以及放电模式下的混合势函数模型；

基于构建的混合势函数模型以及稳定性定理，分别进行稳态性能分析，得到储能系统在充电模式下和放电模式下的稳定性条件；

依据得到的所述稳定性条件，通过调节储能系统的参数设置，进而控制直流微电网系统稳定运行。

可选的，所述建立直流微电网系统中的储能系统在充电模式下的混合势函数模型以及放电模式下的混合势函数模型的步骤还包括：

充电模式下，根据混合势函数理论的定义以及模型参数，得到电流势函数以及电压势函数；

根据混合势函数模型的模型参数以及微电网系统的特性，得到电流与电压分别需要满足的一致性条件；

在放电模式下，采用与充电模式同样的方式，得到放电模式下电流势函数、电压势函数以及相应需要满足的一致性条件。

可选的，所述进行稳态性能分析的步骤还包括：

充电模式下，基于构建的混合势函数模型以及相应的电流势函数和电压势函数，通过稳定性定理推导得到与系统稳定性相关的两个最小特征值；

根据所述两个最小特征值需要满足的条件，得到储能系统在充电模式下的稳定性条件；

在放电模式下，采用同样的方式得到储能系统在放电模式下的稳定性条件。

可选的，所述储能系统在充电模式下的混合势函数模型为：

所述储能系统在放电模式下的混合势函数模型为：

其中，i为通过母线滤波电感的电流；v为母线滤波电容两端电压；r0为等效内阻；p0为负载功率；pb1为蓄电池充电功率；pb2为蓄电池放电功率；vs为母线电压；p(i,v)为混合势函数。

可选的，充电模式下，所述电流势函数和电压势函数分别为：

电流与电压分别需要满足的一致性条件为：

其中，a(i)、b(v)分别为电流势函数和电压势函数；l为母线滤波电感；c为母线滤波电容；

放电模式下，所述电流势函数和电压势函数分别为：

相应需要满足的一致性条件为：

可选的，与系统稳定性相关的矩阵分别为：

l^-1/2aii(i)l^-1/2；

c^-1/2bvv(v)c^-1/2；其中，aii、bvv分别为电流势函数对电流i的二阶偏导和电压势函数对电压v的二阶偏导；

充电模式下，得到的两个最小特征值分别为：

其中，pb1为蓄电池充电功率；

根据稳定性定理，为了保障系统的稳定性，最小特征值需要满足：

μ1+μ2＞0；

带入参数，得到储能系统在充电模式下的稳定性条件为：

放电模式下，采用同样的方式获得两个最小特征值分别为：

其中，pb2为蓄电池放电功率；

带入参数，得到储能系统在放电模式下的稳定性条件为：

从上面所述可以看出，本发明提供的基于储能系统的直流微电网稳态性能分析方法通过对系统中的储能部分进行合理的控制，使得无需增加任何设备的条件下，能够有效消除了恒功率负载的负阻抗特性。具体的，本申请分析方法通过构建微电网系统在充电和放电两种模式下的能量函数模型，然后通过稳定性定理进行稳态性能分析，得到充电和放电两种模式下储能系统功率和恒功率负载功率的定量限制条件，最后通过保障孤岛运行的直流微网系统的安全稳定运行的条件，相应的调节系统的参数设置，使得系统始终属于稳定运行状态。因此，本申请所述基于储能系统的直流微电网稳态性能分析方法不仅能够方便实用的实现恒功率负载的负阻抗特性的消除，而且不会引起额外的成本，较为容易实现。

附图说明

图1为现有技术中并联树枝状的直流微电网拓扑结构示意图；

图2为本发明提供的基于储能系统的直流微电网稳态性能分析方法的一个实施例的流程示意图；

图3为本发明提供的直流微电网系统拓扑结构对应的简化电路示意图；

图4为本发明提供的简化直流微电网系统的结构示意图；

图5为本发明提供的充电状态下母线电压波形和恒功率负载电流波形的一个实施例的示意图；

图6为本发明提供的充电状态下母线电压波形和恒功率负载电流波形的另一个实施例的示意图；

图7为本发明提供的放电状态下母线电压波形和恒功率负载电流波形的一个实施例的示意图；

图8为本发明提供的放电状态下母线电压波形和恒功率负载电流波形的另一个实施例的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

针对于当前常见的消除恒功率负载的负阻抗特性的方法存在的问题，本申请发明人发现，实际上，与恒功率负载并联的蓄电池储能系统由于可在“充电-放电”状态之间任意切换，工作模式灵活，如果对储能系统控制合理，不但能够消除恒功率负载的负阻抗特性，同时不会影响负载的正常工作性能。此外，这样的分析方法不会增加任何硬件设备，只需要对控制算法进行改善，方便实用，容易实现。

参照图2所示，为本发明提供的基于储能系统的直流微电网稳态性能分析方法的一个实施例的流程示意图。所述基于储能系统的微电网稳态性能分析方法包括：

步骤101，基于直流微电网系统的特性，分别建立直流微电网系统中的储能系统在充电模式下的混合势函数模型以及放电模式下的混合势函数模型；也即根据储能系统在充电模式和放电模式两种不同工作状态下，分别构建系统的能量函数模型，也即混合势函数模型，使得充电模式下储能系统等效为负载，而在放电模式下等效为电流源部分。

可选的，所述建立直流微电网系统中的储能系统在充电模式下的混合势函数模型以及放电模式下的混合势函数模型的步骤还包括：

充电模式下，根据混合势函数模型的定义以及模型参数，得到电流势函数以及电压势函数；

根据混合势函数模型的模型参数以及微电网系统的特性，得到电流与电压分别需要满足的一致性条件；

在放电模式下，采用与充电模式同样的方式，得到放电模式下电流势函数、电压势函数以及相应需要满足的一致性条件。

这样，可以通过一致性条件判断构建的混合势函数模型是否与真实的系统结构保持一致，也即构建的模型是否准确。

步骤102，基于构建的混合势函数模型以及稳定性定理，分别进行稳态性能分析，得到储能系统在充电模式下和放电模式下的稳定性条件；也即通过对构建的混合势函数模型进行稳定性分析，进而使得只需要相应的满足稳定性条件就可以使得系统处于稳定状态。

具体的，所述进行稳态性能分析的步骤还包括：

充电模式下，基于构建的混合势函数模型以及相应的电流势函数和电压势函数，通过稳定性定理推导得到与系统稳定性相关的两个最小特征值；

根据所述两个最小特征值需要满足的条件，得到储能系统在充电模式下的稳定性条件；

在放电模式下，采用同样的方式得到储能系统在放电模式下的稳定性条件。

步骤103，依据得到的所述稳定性条件，通过调节储能系统的参数设置，进而控制直流微电网系统稳定运行。也即，通过稳定性条件反向去设置系统相应的参数，进而使得系统始终满足稳定性条件，也即始终属于稳定运行状态。

由上述实施例可知，本申请所述基于储能系统的直流微电网稳态性能分析方法通过对系统中的储能部分进行合理的控制，使得无需增加任何设备的条件下，能够有效消除了恒功率负载的负阻抗特性。具体的，本申请分析方法通过构建微电网系统在充电和放电两种模式下的能量函数模型，然后通过稳定性定理进行稳定性分析，得到充电和放电两种模式下储能系统功率和恒功率负载功率的定量限制条件，最后通过保障孤岛运行的直流微网系统的安全稳定运行的条件，相应的调节系统的参数设置，使得系统始终属于稳定运行状态。因此，本申请所述基于储能系统的直流微电网稳态性能分析方法不仅能够方便实用的实现恒功率负载的负阻抗特性的消除，而且不会引起额外的成本，较为容易实现。

在本申请一些可选的实施例中，所述基于储能系统的直流微电网稳态性能分析方法包括：

(1)分析孤岛模式下直流微电网系统的储能单元和恒功率负载的工作特性。

在孤岛运行的直流微电网系统中，蓄电池储能单元有两种工作状态：当发电功率大于负载功率时，储能系统工作在充电状态；当发电功率小于负载功率时，储能系统工作在放电状态。储能系统工作在不同状态，会呈现不同特性，需要应用不同的等效模型。充电状态下，如果充电电流给定值发生变化，则实际充电电流也会随之变化，蓄电池与双向dc-dc变换器组成的储能系统呈现负载的特性，在建模时可用负载模型进行等效。蓄电池放电工作状态通常是恒流放电，因此蓄电池和dc-dc变换器呈现电流源特性，在建模时可用受控电流源进行等效。恒功率负载则用理想非线性模型：po＝常数＝voio来表示。简化后的孤岛运行下直流微电网系统拓扑结构如图3所示，包括直流母线、等效内阻r0、lc滤波器以及恒功率负载和蓄电池储能系统。

(2)基于图3所示的系统结构，应用混合势函数理论分别建立系统在储能充、放电模式下的混合势函数模型。

具体为：首先，推导得到了充电模式下直流微电网系统的混合势函数模型：

根据混合势函数定义和式(1)所示模型参数，可分别得到电压势函数a(i)和电压势函数b(v)，分别为：

根据式(1)模型参数和图3所示系统结构，充电模式下，电流和电压分别满足：

式(4)表明模型参数和系统结构保持一致，由此可知式(1)所示充电状态的模型参数是正确的。

同理，根据混合势函数理论可得到放电模式下系统的混合势函数模型：

根据混合势函数定义和式(5)所示模型参数，可分别得到放电模式下的电流势函数a(i)和电压势函数b(v)，分别为：

根据式(5)模型参数和图3所示系统结构，放电模式下，电流和电压分别满足：

式(8)表明模型参数和系统结构保持一致，由此可知式(5)所示放电状态的模型参数是正确的。

(3)基于混合势函数模型参数进行稳定性分析

根据混合势函数稳定性定理，需分别对充电、放电两种状态的直流微电网系统进行稳定性分析。

储能系统充电状态下，根据稳定性定理，需推导得到矩阵l^-1/2aii(i)l^-1/2的最小特征值μ1和矩阵c^-1/2bvv(v)c^-1/2的最小特征值μ2，根据式(1)所示混合势函数模型参数，可得：

根据混合势函数稳定性定理，为了保障系统稳定，μ1、μ2应满足：

μ1+μ2＞0(11)

则根据式(9)、(10)和(11)可推出：

式(12)所示判据表明，孤岛运行的直流微电网系统中，当恒功率负载功率和蓄电池的充电功率之和小于r0cv²/l时，系统能够稳定运行。也就是说，为了保障系统稳定运行，对恒功率负载最大功率和储能系统充电的最大功率之和给出了限制条件。

同理，可分析储能系统放电状态下的系统性能，根据式(5)所示模型参数，可得：

为了保障系统稳定运行，需满足μ1+μ2＞0，则：

式(15)所示判据表明，孤岛运行的直流微电网系统中，当恒功率负载功率减去蓄电池放电功率之差小于r0cv²/l时，系统能够稳定运行。对比式(12)和式(15)可知，为了保障系统稳定运行，蓄电池的工作模式与恒功率负载功率的大小密切相关。当恒功率负载功率较小时，不论蓄电池充电还是放电，系统皆可稳定运行；当恒功率负载功率较大时，蓄电池处于大电流放电状态，也可保障参数满足(15)，从而维持系统稳定运行。也就是说，放电状态的蓄电池储能系统提高了微电网系统能够提供给恒功率负载的最大功率，增大了系统的稳定范围，保障系统安全稳定运行。

进一步，为了验证本申请所述分析方法的优点，在一些实施例中还提供了稳定性判据的试验验证。具体如下：

为了验证式(12)和式(15)得到的稳定性判据，搭建了如图4所示的简化系统进行试验验证。其中，系统母线电压设置为380v，等效内阻为0.02ω，蓄电池组的电压为150v，电感为1mh、电容为1mf。储能系统包括dc-dc双向变换器和蓄电池。恒功率负载由闭环控制的buck变换器和电阻构成，其中的电压传感器时时检测电阻电压，并反馈至控制器，控制器通过驱动电路控制igbt模块动作，来保障电阻两端电压恒定，不计电路损耗，负载电阻便是buck变换器中唯一消耗功率的器件，其电压恒定也就意味着buck变换器从直流侧吸收的功率是恒定的，从而实现了恒功率负载特性。

首先对蓄电池充电模式下系统参数进行分析，根据式(12)，可得到系统能够提供的蓄电池充电功率和恒功率负载功率之和的最大值满足：

蓄电池充电电流为5a，充电功率为750w，根据式(16)可知，系统能够承担的恒功率负载最大功率满足：

p0＜2138w(17)

恒功率负载初始功率为500w，进行两组参数对比，参数1：恒功率负载功率从500w阶跃至1500w；参数2：恒功率负载功率从500w升至4000w。其中，参数1数据符合式(12)所示稳定准则，而参数2数据不满足式(12)。图5给出了参数1所示情况下母线电压和恒功率负载的电流波形图，当恒功率负载的功率从500w阶跃至1500w时，母线电压能够保持稳定。图6给出了参数2所示情况下母线电压和恒功率负载的电流波形图，当恒功率负载的功率从500w升至4000w时，母线电压振荡。

对比图5和图6可以清晰看出，当参数符合式(12)时，系统能够稳定运行；反之，当参数不符合式(12)时，系统产生震荡。由此验证了式(12)所示储能系统充电状态下稳定性判据的准确性。

接着对储能系统放电状态进行分析，恒功率负载的初始功率为500w，阶跃后的功率为5000w。为了验证式(15)的正确性，同样进行两组参数对比，参数1：储能系统放电电流为20a；参数2：储能系统放电电流5a。其中，参数1数据符合式(15)所示稳定准则，而参数2数据在恒功率负载功率为500w时满足式(15)，在恒功率负载功率为5000w时不满足式(15)。图7给出了参数1所示情况下母线电压和恒功率负载的电流波形图，当恒功率负载的功率从500w阶跃至5000w时，母线电压能够保持稳定。图8给出了参数2所示情况下母线电压和恒功率负载的电流波形图，当恒功率负载的功率从500w升至5000w时，母线电压出现振荡不稳定的现象。

对比图7和图8，储能系统放电模式下的稳定准则式(15)得到了验证。对比图6、图7和图8可知，可以通过增大蓄电池储能系统的放电功率来增加系统所带恒功率负载的功率，提高系统的稳定范围，也证明了放电状态的蓄电池储能系统的确提高了微电网系统能够提供给恒功率负载的最大功率，增大了系统的稳定范围，保障系统安全稳定运行。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(ic)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态ram(dram))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。