一种多元储能的微电网并网协调控制方法及其系统与流程

本发明涉及一种多元储能的微电网并网协调控制方法及其系统，属于微电网并网运行技术领域。

背景技术：

微电网的提出为解决大规模新能源接入电网提供了的合理的方向。

一个典型的微电网由分布式发电单元、储能系统及负荷组成，并由微电网能量管理系统对微电网运行模式进行控制，由储能管理站对储能系统的工作状态进行控制。目前的微电网储能系统多采用蓄电池储能形式，不同时间尺度下的功率变化、负荷波动、微电网运行模式以及储能系统工作状态不同极易引起电池的过充过放、使用寿命下降等问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种多元储能的微电网并网协调控制方法及其系统，提高了微电网运行的可靠性，保证风力发电系统、光伏发电系统接入大电网系统的安全稳定性，满足了微电网在并网模式下对多元储能系统不同工作状态的需求。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的一种多元储能微电网并网运行模式协调控制方法，包括以下方法：

储能管理站接收微电网能量管理系统的控制指令和超级电容储能模块及磷酸铁锂电池储能模块的状态反馈指令控制第一储能变流器及第二储能变流器，控制所述超级电容和磷酸铁锂电池工作在以下任意一种工作状态：

工作状态一：多元储能系统采用平滑功率波动的工作状态；

工作状态二：多元储能系统采用跟踪调度出力的工作状态；

工作状态三：多元储能系统采用削峰填谷的工作状态。

上述多元储能系统采用平滑功率波动状态，具体包括如下步骤：

步骤1.1、由所述微电网能量管理系统监测分布式发电单元的实际功率输出信号ptotal，经由功率控制器的第一低通滤波器后得到所述分布式发电单元的参考输出功率ptotal_ref，将分布式发电单元的实际功率ptotal减去参考输出功率ptotal_ref得到多元储能系统的输出功率参考值phess；

步骤1.2、由所述储能管理站利用功率控制器的第二低通滤波器将步骤1.1中多元储能系统的输出功率参考值phess分离得到磷酸铁锂电池低频补偿功率分量的参考值pb_ref，再用phess减去pb_ref得到超级电容的高频补偿功率分量参考值psc_ref；

步骤1.3、由所述储能管理站将步骤1.2中超级电容的高频补偿功率分量参考值psc_ref传送至超级电容储能模块中的第一储能变流器，将步骤1.2中的磷酸铁锂电池的低频补偿功率分量参考值pb_ref传送至磷酸铁锂电池储能模块中的第二储能变流器，同时所述储能管理站监测超级电容储能模块的电压usc和磷酸铁锂电池储能模块的socb值，控制所述超级电容储能模块和磷酸铁锂电池储能模块的投切和充放电操作；

步骤1.4、以步骤1.3中的高频补偿功率分量的参考值psc_ref作为所采用的功率控制策略的目标有功功率信号控制所述第一双向dc/ac变流器的功率输出；同时，以步骤1.3中的低频补偿分量的参考值pb_ref作为所采用的功率控制策略的目标有功功率信号控制所述第二双向dc/ac变流器的功率输出。

步骤1.3中，将socb值划分为如下区间，

0<socmin<socb<socmax<1，

usc划分为如下区间，

0<uscmin<0.2uscmax<usc<0.8uscmax和0.8uscmax<usc<uscmax；

设置当phess>0时多元储能系统进入放电模式，当phess<0时多元储能系统进入充电模式。

上述多元储能系统采用跟踪调度出力状态，具体包括如下步骤：

步骤2.1、所述微电网能量管理系统监测分布式发电单元的实际功率ptotal及所接收的并网点功率调度指令值pline，计算多元储能系统所需的输出功率参考值phess；

步骤2.2、由所述储能管理站利用功率控制器的第二低通滤波器将步骤2.1中多元储能系统的输出功率参考值phess分离得到磷酸铁锂电池低频补偿功率分量的参考值pb_ref，再用phess减去pb_ref得到超级电容的高频补偿功率分量参考值psc_ref；

步骤2.3、由所述储能管理站将步骤2.2中超级电容的高频补偿功率分量参考值psc_ref传送至超级电容储能模块中的第一储能变流器，将步骤2.2中的磷酸铁锂电池的低频补偿功率分量参考值pb_ref传送至磷酸铁锂电池储能模块中的第二储能变流器，同时所述储能管理站监测超级电容储能模块的电压usc和磷酸铁锂电池储能模块的socb值，控制所述超级电容储能模块和磷酸铁锂电池储能模块的投切和充放电操作；

步骤2.4、以步骤2.3中的高频补偿功率分量的参考值psc_ref作为所采用的功率控制策略的目标有功功率信号控制所述第一双向dc/ac变流器的功率输出；同时，以步骤2.3中的低频补偿分量的参考值pb_ref作为所采用的功率控制策略的目标有功功率信号控制所述第二双向dc/ac变流器的功率输出。

上述多元储能系统采用削峰填谷工作状态，具体步骤如下：

步骤3.1、所述微电网能量管理系统监测分布式发电单元的实际输出的功率信号ptotal和微电网负载实际输出功率信号pload，计算多元储能系统所需的输出功率参考值phess；

步骤3.2、由所述储能管理站利用功率控制器的第二低通滤波器将步骤3.1中多元储能系统的输出功率参考值phess分离得到磷酸铁锂电池低频补偿功率分量的参考值pb_ref，再用phess减去pb_ref得到超级电容的高频补偿功率分量参考值psc_ref；

步骤3.3、由所述储能管理站将步骤3.2中超级电容的高频补偿功率分量参考值psc_ref传送至超级电容储能模块中的第一储能变流器，将步骤3.2中的磷酸铁锂电池的低频补偿功率分量参考值pb_ref传送至磷酸铁锂电池储能模块中的第二储能变流器，同时所述储能管理站监测超级电容储能模块的电压usc和磷酸铁锂电池储能模块的socb值，控制所述超级电容储能模块和磷酸铁锂电池储能模块的投切和充放电操作；

步骤3.4、以步骤3.3中的高频补偿功率分量的参考值psc_ref作为所采用的功率控制策略的目标有功功率信号控制所述第一双向dc/ac变流器的功率输出；同时，以步骤3.3中的低频补偿分量的参考值pb_ref作为所采用的功率控制策略的目标有功功率信号控制所述第二双向dc/ac变流器的功率输出。

本发明的一种多元储能微电网并网运行模式协调控制系统，所述系统包括网络接口、存储器和处理器；其中，

所述网络接口，用于在与其他外部网元之间进行收发信息过程中，信号的接收和发送；

所述存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的计算机程序指令；

所述处理器，用于在运行所述计算机程序指令时，执行上述多元储能微电网并网运行模式协调控制方法的步骤。

本发明的一种多元储能微电网并网运行模式协调控制系统，包括超级电容储能模块、磷酸铁锂电池储能模块、储能管理站、分布式发电单元、微电网能量管理系统和微电网负载；

所述超级电容储能模块与磷酸铁锂电池储能模块并联接入多元储能系统的公共交流母线；

所述超级电容储能模块包括超级电容和由储能管理站控制的第一储能变流器；所述磷酸铁锂电池储能模块包括磷酸铁锂电池和由储能管理站控制的第二储能变流器；

所述第一储能变流器及第二储能变流器分别包括第一双向dc/ac变流器及第二双向dc/ac变流器。

上述超级电容储能模块通过第一储能变流器接入多元储能系统的380v公共交流母线；磷酸铁锂电池储能模块通过第二储能变流器接入多元储能系统的380v公共交流母线。

上述380v公共交流母线经过变压器tm1升压后接入微电网10kv公共交流母线。

上述第一双向dc/ac变流器及第二双向dc/ac变流器采用三相全桥拓扑结构，由pwm控制器产生相应的控信号控制三相全桥，所述pwm控制器包括三相锁相环、功率控制器和pwm信号发生器；所述三相锁相环采用通过瞬时功率理论实现频率及相位锁定送给功率控制器；所述功率控制器基于电压电流双闭环解耦结构的功率控制策略，用于实现参考值与测量值的电压电流解耦控制，控制所述第一双向dc/ac变流器及第二双向dc/ac变流器输出相应的功率，生成电压调制波；所述pwm信号发生器将功率控制器生成的电压调制波，与三角波比较生成三相全桥变流器的调制脉冲，用于实现整体控制功能。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明的一种多元储能的微电网并网协调控制方法，该多元储能系统根据微电网的并网模式有三种工作状态，第一种工作状态为并网运行模式下平滑功率波动工作状态，第二种工作状态为并网运行模式下跟踪调度出力工作状态，第三种工作状态为孤岛运行模式下削峰填谷工作状态，满足了微电网不同运行状态下的需求。

2、本发明中多元储能系统中的超级电容储能模块和磷酸铁锂电池储能模块分别通过双向dc/ac变流器接入储能系统380v公共交流母线，再经过变压器升压后接入微电网10kv公共交流母线。

3、本发明采用储能管理站中的低通滤波器对多元储能系统中两种储能模块的功率输出进行分配，超级电容储能模块补偿多元储能系统总功率中的高频波动部分和磷酸铁锂电池储能模块补偿多元储能系统总功率的低频部分，这样就可以发挥超级电容高功率密度和磷酸铁锂电池高能量密度的特点。

4、本发明中所采用的基于双闭环解耦结构的功率控制策略能够控制双向dc/ac变流器输出相应的功率采用上述控制结构和控制策略能够满足微电网对储能系统的输出要求。

附图说明

图1为本发明涉及的典型微电网以及微电网中多元储能系统的拓扑结构示意图；

图2为本发明中涉及的超级电容储能模块变流器的拓扑结构；

图3为本发明中涉及的磷酸铁锂电池储能模块变流器的拓扑结构；

图4为本发明中涉及的工作模式一功率参考值原理图；

图5为本发明中涉及的工作模式二功率参考值原理图；

图6为本发明中涉及的工作模式三功率参考值原理图；

图7为本发明中涉及的多元储能系统协调控制流程图；

图8为本发明中涉及的功率控制策略原理框图。

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。

为了实现微电网运行需求的多样性，同时考虑到超级电容具有功率密度大和磷酸铁锂电池具有能量密度大的优势，提出采用超级电容+磷酸铁锂电池的多元储能系统，将短时间尺度、小功率幅度的高频功率波动由功率型储能超级电容进行补偿，而长时间尺度、大功率幅度的低频功率波动由能量型储能磷酸铁锂电池进行补偿。由于微电网在并网模式下对储能系统工作状态有多种要求，因此需要设计多元储能系统控制策略来保证储能系统不同储能模块的协调控制。

本实施实例中，微电网是由风力发电系统和光伏发电系统构成的分布式发电单元、微电网负载、多元储能系统、微电网能量管理系统组成，并采用10kv并网开关柜将微电网10kv公共交流母线与大电网相连，如图1所示，微电网负载通过输电线和变压器接在微电网10kv公共交流母线上，微电网能量管理系统负责微电网运行模式的选择和储能管理站的控制；多元储能系统是由超级电容储能模块、磷酸铁锂电池储能模块和储能管理站组成；储能管理站根据微电网能量管理系统的运行模式指令和储能模块的状态反馈指令控制储能变流器，从而控制超级电容和磷酸铁锂电池的工作状态和投切时序以满足微电网的运行需求并充分发挥各类型储能的优势：

微电网并网运行时，多元储能系统采用如下工作状态一、工作状态二或工作状态三：

工作状态一：多元储能系统采用平滑功率波动的工作状态；

工作状态二：多元储能系统采用跟踪调度出力的工作状态；

工作状态三：多元储能系统采用削峰填谷的工作状态；

采用储能管理站对多元储能系统内超级电容储能模块和磷酸铁锂电池储能模块的功率输出进行分配调度，由超级电容储能模块来输出短时间尺度、高频波动的功率，由磷酸铁锂电池储能模块输出长时间尺度、低频波动的功率，且每个储能模块的输出都可以根据控制策略的不同满足微电网对电压、频率或功率要求。

本实例中，超级电容储能模块配置为：超级电容储能模块通过第一储能变流器接入储能系统的380v公共交流母线，所述第一储能变流器由第一双向dc/ac变流器组成，所述第一双向dc/ac变流器采用三相桥式结构，所述第一储能变流器由储能管理站控制，所述储能管理站接收微电网能量管理系统的控制指令和超级电容储能模块的状态反馈指令；

磷酸铁锂电池储能模块配置为：磷酸铁锂电池通过第二储能变流器接入储能系统380v公共交流母线，所述第二储能变流器由第二双向dc/ac变流器组成，所述第二双向dc/ac变流器采用三相全桥结构，所述第二储能变流器由储能管理站控制，所述储能管理站接收微电网能量管理系统的控制指令和磷酸铁锂电池储能模块的状态反馈指令；

多元储能系统中每个储能模块分别由双向dc/ac变流器组成的储能变流器控制超级电容和磷酸铁锂电池的功率输出，实现微电网运行的多样性需求。所述双向dc/ac变流器采用功率控制策略或vf控制策略，以实现储能模块输出满足微电网要求的功率或电压、频率。

在工作状态一中，设置超级电容储能模块中的第一双向dc/ac变流器和磷酸铁锂电池储能模块中的第二双向dc/ac变流器都采用功率控制策略，所述工作状态一按如下步骤进行：

步骤1.1、所述微电网能量管理系统选择运行模式一，并检测分布式发电单元实际功率输出信号ptotal，经由第一低通滤波器滤波后得到分布式发电单元的参考输出功率ptotal_ref，分布式发电单元实际功率输出ptotal减去参考输出功率ptotal_ref得到多元储能系统的参考输出功率phess，然后由微电网能量管理系统将此参考输出功率phess输送给储能管理站，具体计算过程如公式(1)、(2)所示；

步骤1.2、由所述储能管理站利用第二低通滤波器将步骤1.1中多元储能系统的输出功率参考值phess分解得到磷酸铁锂电池低频补偿功率分量的参考值pb_ref，再用phess减去pb_ref得到超级电容高频补偿功率分量参考值psc_ref,具体计算过程如公式(3)、(4)所示；

步骤1.3、由所述储能管理站将步骤1.2中超级电容高频补偿功率分量参考值psc_ref传送至超级电容储能模块中的第一储能变流器，同时将1.2中的的磷酸铁锂电池低频补偿功率分量参考值pb_ref传送至磷酸铁锂电池储能模块中的第二储能变流器，同时所述储能管理站检测超级电容储能模块电压usc和磷酸铁锂电池储能模块socb值，控制储能模块的投切和充放电操作；

步骤1.4、所述双向dc/ac采用功率控制，以步骤1.3中的高频补偿功率分量参考值psc_ref作为所采用的功率控制策略的目标功率信号产生pwm控制信号控制第一双向dc/ac变流器的功率输出；同时，以步骤1.3中的低频补偿分量的参考值pb_ref作为所采用的功率控制策略的目标功率信号产生pwm控制信号控制第二双向dc/ac变流器的功率输出；

在所述工作状态二中，设置超级电容储能模块中的第一双向dc/ac变流器和磷酸铁锂电池储能模块中的第二双向dc/ac变流器都采用功率控制策略，所述工作状态二按如下步骤进行：

步骤2.1、所述微电网能量管理系统根据微电网中分布式发电单元的输出功率ptotal及所接收的并网点功率调度指令值pline，按式(1)计算多元储能系统所需的输出功率参考值phess；

phess＝pline-ptotal(5)

步骤2.2、步骤2.3、步骤2.4分别与控制方式一中的步骤1.2、步骤1.3和步骤1.4相同；

在所述工作状态三中，设置超级电容储能模块中的第一双向dc/ac变流器和磷酸铁锂电池储能模块中的第二双向dc/ac变流器都采用功率控制策略，所述工作状态三按如下步骤进行：

步骤3.1、所述微电网能量管理系统监测分布式发电单元的实际输出功率信号ptotal、和微电网负载实际输出功率信号pload，按式(6)计算多元储能系统所需的输出功率参考值phess；

phess＝pload-ptotal(6)

步骤3.2、步骤3.3和步骤3.4分别与控制方式一中的步骤1.2和步骤1.3和1.4相同。

本发明的一种多元储能微电网并网运行模式协调控制系统，系统包括网络接口、存储器和处理器；其中，

网络接口，用于在与其他外部网元之间进行收发信息过程中，信号的接收和发送；

存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的计算机程序指令；

处理器，用于在运行所述计算机程序指令时，执行上述多元储能微电网并网运行模式协调控制方法的步骤。

本实施实例中，超级电容储能模块中第一储能变流器的第一双向dc/ac变流器的结构拓扑如图2所示。

图2中第一双向dc/ac变流器采用三相全桥拓扑结构，由pwm控制器1产生相应的控信号控制三相全桥，所述pwm控制器1由三相锁相环1、功率控制器1以及pwm信号发生器1组成，本工作状态一中选择功率控制策略，功率控制策略的目标功率信号由所接收的高频功率波动信号psc_ref确定，pwm控制器1内的三相锁相环1采集的第一双向dc/ac变流器交流侧电压u1的相位信息；

本实施实例中，磷酸铁锂电池储能模块中第二储能变流器的第二双向dc/ac变流器的结构拓扑如图3所示。图3中第二双向dc/ac变流器的拓扑结构和控制策略与图2中第一双向dc/ac变流器完全相同；

图3中第二双向dc/ac变流器采用三相全桥拓扑结构，由pwm控制器2产生相应的控制信号控制三相全桥，所述pwm控制器2由三相锁相环2、功率控制器2以及pwm信号发生器2组成，本工作状态一中选择功率控制策略，功率控制策略的目标功率信号由所接收的低频功率波动信号pb_ref确定，pwm控制器2内的三相锁相环2采集的第二双向dc/ac变流器交流侧电压u2的相位信息。

参见图4，检测分布式发电单元实际功率输出信号ptotal，经由第一低通滤波器滤波后得到分布式发电单元的参考输出功率ptotal_ref，分布式发电单元实际功率输出ptotal减去参考输出功率ptotal_ref得到多元储能系统的参考输出功率phess，利用第二低通滤波器将多元储能系统的输出功率参考值phess分解得到磷酸铁锂电池低频补偿功率分量的参考值pb_ref，再用phess减去pb_ref得到超级电容高频补偿功率分量参考值psc_ref。

参见图5，根据微电网中分布式发电单元的输出功率ptotal及所接收的并网点功率调度指令值pline，计算得到多元储能系统所需的输出功率参考值phess，利用第二低通滤波器将多元储能系统的输出功率参考值phess分解得到磷酸铁锂电池低频补偿功率分量的参考值pb_ref，再用phess减去pb_ref得到超级电容高频补偿功率分量参考值psc_ref。

参见图6，监测分布式发电单元的实际输出功率信号ptotal、和微电网负载实际输出功率信号pload，计算多元储能系统所需的输出功率参考值phess，利用第二低通滤波器将多元储能系统的输出功率参考值phess分解得到磷酸铁锂电池低频补偿功率分量的参考值pb_ref，再用phess减去pb_ref得到超级电容高频补偿功率分量参考值psc_ref。

多元储能系统协调控制流程图如图7所示，实时监测磷酸铁锂电池的荷电状态socb和超级电容器的端电压usc，将socb划分为如下区间，0<socmin<socb<socmax<1，usc划分为如下区间，0<uscmin<0.2uscmax<usc<0.8uscmax和0.8uscmax<usc<uscmax。设置当phess>0时多元储能系统进入放电模式，当phess<0时多元储能系统进入充电模式，采用如下流程步骤：

步骤1：判断输出功率参考指令值phess，若phess≥0则多元储能系统进入待放电模式，如果phess＝0，则多元储能系统处于待机状态，如果phess>0，则微电网多元储能系统进入放电状态，转入步骤2，如果phess<0，则微电网多元储能系统进入充电状态转入步骤4；

步骤2：放电状态下，监测并比较超级电容器端电压usc与0.2uscmax的关系，若usc≥0.2ucmax，则微电网多元储能系统输出功率参考值phess首先由超级电容器放电来补偿，直到usc<0.2ucmax时，储能管理站向第一储能变流器发出闭锁信号，将超级电容储能模块切除从而实现过放电保护，并转入步骤3；

步骤3：监测并比较磷酸铁锂电池socb与socmin大小关系，如果socb≥socmin，则由磷酸铁锂电池接着补偿步骤2中多元储能系统功率补偿的不足部分，监测级电容端电压和磷酸铁锂电池的荷电状态，如果socb<socmin，则储能管理站向第二储能变流器发出闭锁信号，将磷酸铁锂电池储能模块切除从而实现过放电保护；

步骤4：充电状态下，监测并比较超级电容端电压usc与0.8uscmax的关系，若usc<0.8uscmax，则超级电容首先充电，来吸收分布式发电单元发出的功率，直到usc≥0.8uscmax时，储能管理站向第一储能变流器发出闭锁信号，将超级电容储能模块切除从而实现过充电保护转入步骤5；

步骤5：监测并比较磷酸铁锂电池荷电状态socb与socmax大小关系，如果socb≤socmax，则由磷酸铁锂电池接着吸收步骤4中分布式发电单元输出功率的多余部分，监测级电容端电压和磷酸铁锂电池的荷电状态，如果socb>socmax时，则储能管理站向第二储能变流器发出闭锁信号，将磷酸铁锂电池储能模块切除从而实现过充电保护。

功率控制策略原理图如图8所示，pref，qref分别为有功功率和无功功率参考值；ω为电网频率；idref，iqref分别为功率解耦得到的d轴、q轴电流参考值；ud，uq分别为电流环控制得到的d轴、q轴调制电压信号。当双向dc/ac变流器投入运行时，所述双向dc/ac变流器的输出电压即为储能系统公共交流母线电压380v，通过调节双向dc/ac变流器的输出电流，从而实现有功功率和无功功率的解耦控制。通过有功功率和无功功率进行解耦，得到双向dc/ac变流器出口滤波电感电流的参考值，与实际测得的电感电流相比较，得到的误差信号经过瞬时电流环pi控制器后得到双向dc/ac变流器的调制电压信号。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。