交流微电网并网状态下复杂混合储能系统的协调控制方法
【专利摘要】本发明涉及交流微电网储能系统的控制方法，具体为交流微电网并网状态下复杂混合储能系统的协调控制方法。解决目前缺乏针对复杂混合储能系统的控制方法的问题。本发明所述的协调控制方法可以有效地抑制微电网分布式电源输出功率的波动，保证对负载输出功率的稳定；针对锂电池和超级电容器的自身特性，合理分配两者的输入/输出功率，延长锂电池的循环寿命，降低微电网的运行成本；同时为便于锂电池管理，该控制方法合理分配锂电池之间的功率，保证锂电池SOC值统一与同步；实现微电网与大电网的交换功率的可控，可以根据用户需要，实时设置PCC交换功率值，减小微电网对大电网功率预测与发电计划的影响。
【专利说明】
交流微电网并网状态下复杂混合储能系统的协调控制方法
技术领域
[0001] 本发明设及交流微电网储能系统的控制方法，具体为交流微电网并网状态下复杂 混合储能系统的协调控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着国际能源供需关系日趋紧张，W风机和光伏等可再生能源为主的分 布式发电技术和微电网技术得到了越来越多的重视。风机和光伏等可再生能源分布式并网 时，通常W最大功率跟踪(Maximum Power化int Tracking,MPPT)方式运行来最大程度地 利用可再生能源，可再生能源分布式并入微电网具有随机性和波动性的特点，大量接入分 布式电源会对大电网造成冲击，影响大电网的功率预测，因此微电网需要储能设备解决分 布式发电输出功率不稳定的问题，有效提高微电网系统的功率调节范围，提高资源的利用 效率，保障负荷平稳连续供给。
[0003] 现有微电网储能系统一般采用单一储能设备平抑功率波动，而不同类型的储能设 备具有不同的特点，在实际应用中的作用也不完全相同。裡电池能量密度大但功率密度小， 对单独的裡电池储能设备频繁或者过度地充放电会严重影响其使用寿命及动态响应性能； 超级电容器具有功率密度大但能量密度小，循环寿命长，但无法长时间大功率的连续运行。 微电网的储能设备采用裡电池与超级电容器相结合的混合储能系统，恰好发挥两者的优 势，可W互相弥补不足。
[0004] 现有微电网一般采用单一裡电池与单一超级电容器相结合的混合储能系统。单一 裡电池和单一超级电容器组成的混合储能系统接入微电网时，其变换器具有两种连接方 式:交流侧并联方式和直流侧并联方式。交流侧并联方式是将裡电池和超级电容器分别通 过各自的双向DC/DC变换器、双向DC/AC变换器并联在微电网交流母线，运种连接方式对交 流母线电压和频率的变化响应快，可W迅速调度储能设备的输出功率，根据不同储能设备 采用相互独立的DC/AC变换器，使储能设备运行更加灵活，也使微电网的扩容更加便捷。直 流侧并联方式是将裡电池和超级电容器各自的双向DC/DC变换器在出口并联后再经双向 DC/AC变换器接入交流母线，该方式的两个双向DC/DC变换器使用不同的控制方式，分别控 制裡电池与超级电容器的充放电过程，可W充分利用两者的优点，优化储能设备的运行。
[0005] 随着微电网的扩容，单一裡电池和单一超级电容器组成的混合储能系统已无法满 足扩容后的微电网的需求，因而出现包含多个裡电池的复杂混合储能系统，但目前缺乏针 对复杂混合储能系统的控制方法。
【发明内容】
[0006] 本发明解决目前缺乏针对复杂混合储能系统的控制方法的问题，提供一种交流微 电网并网状态下复杂混合储能系统的协调控制方法。该方法将多个裡电池与超级电容器进 行统一管理，从结构上优化复杂混合储能系统的连接方式，合理分配裡电池与超级电容器 之间和多个裡电池之间的功率，在平抑分布式电源功率波动的同时，延长储能设备的循环 寿命，实现微电网系统的高效运行。
[0007] 本发明是采用如下技术方案实现的:交流微电网并网状态下复杂混合储能系统的 协调控制方法，复杂混合储能系统包括多个裡电池和一个超级电容器，裡电池各自的双向 DC/DC变换器在出口并联后再经其双向DC/AC变换器接入微电网交流母线，超级电容器经其 双向DC/DC变换器和双向DC/AC变换器接入微电网交流母线;所述协调控制方法是由如下步 骤实现的： 一、复杂混合储能系统的裡电池与超级电容器的双向DC/AC变换器的控制； 为了统一功率流动方向与正负值的关系，定义由微电网母线向外输出的功率为正值， 向微电网母线注入的功率为负值，即微电网母线向大电网输出功率、复杂混合储能系统充 电功率和负荷功率为正值，大电网向微电网母线供电功率、风机和光伏分布式电源的输出 功率和复杂混合储能系统放电功率为负值； ① 启动并初始化上位机，启动微电网设备； ② 初始条件设置： 设置微电网与大电网的交换功率W :微电网与大电网之间存在交换功率，即在微 电网内部分布式电源和复杂混合储能系统输出功率不足W提供负荷运行时，需要向大电网 购电。为减少微电网对大电网的功率预测与计划发电的影响，可W在不同时段设置固定的 交换功率。国家电网公司会根据微电网容量与气象条件，规定微电网与大电网不同时段的 交换功率砖
[0008] 或者采用W下方法确定交换功率^、胃: 统计该微电网一段时间W来风机和光伏分布式电源的输出功率、负荷功率一天内不同 时段的历史数据，将运些数据依次相加，得到总功率&1。将总功率依次累加，即炎^|巧
可得到总功率累计值游娘賊，运时t代表15-30天的一段时间，总功率累计值反映了 总电能的流动情况，小于0表示分布式电源的输出功率大于负荷功率，微电网功率 过剩;大于0表示分布式电源的输出功率小于负荷功率，微电网功率不足。总功率累 计值^^巧分为多个时段，为消除用户负荷和气象条件的偶然变化等因素对统计数据影 响，对每个时段线性化，然后将每个时段线性化所得到曲线求导可W得到不同时段的微电 网与大电网的交换功率1??,胃。
[0009] 设置裡电池 SOC值的上限值SOUax与下限值SOUin ; 设置功率阔值./若和时间阔值:冷； ③ 上位机采集分布式电源功率%;、复杂混合储能系统和负荷的功率之和，W 及各裡电池的的SOC值SOC,;; ④ 计算复杂混合储能系统需要补偿的功率;
⑤ 将复杂混合储能系统需要补偿的功率马W进行分配； a. 竭^;〉0,且任一裡电池的SCXV〉SOCmax，此时，控制裡电池与超级电容器的DC/AC，使 裡电池与超级电容器的输入功率为零，由大电网来吸收功率差额； b. 冷，<0,且任一裡电池的SOC;, <SOCmin，此时，控制超级电容器的DC/AC使其输出功 率为零，由大电网来补偿功率差额，同时控制SOCu <S〇Cmin的裡电池进行预充电，充电至 託吟为S0Cmin+S0Cmin5%停止； C ..璋贸〉0,且筋Cy <S0Cmin或者SOCmin《筋Cy《SOCmax;我;;:<〇，且 SOC。〉S0Cmax或者 SOCmin^ SOCt;《SOCmax;此时，若II大于功率阔值4，且持续时间大于时间阔值義，则控 制裡电池和超级电容器的DC/AC，使裡电池的输入/输出功率为6.、.，超级电容器的输出/输 入功率为0;否则使裡电池输入/输出功率不变，超级电容器输入/输出功率为.Ig与此时保 持不变的裡电池输出/输入功率的差值； ⑥ .返回第③步； 二、复杂混合储能系统的各裡电池双向DC/DC变换器的控制 按如下公式控制各裡电池的DC/DC双向变换器来实现功率在各裡电池之间的分配，
其中，巧ij.为第i个裡电池的功率，唯.为第i个裡电池的功率分配系数，分配系数满足 下列约束条件： 放电时，
其中辩为采集的第i个裡电池的当前SOC值。
[0010] 本发明所述的协调控制方法可W有效地抑制微电网分布式电源输出功率的波动， 保证对负载输出功率的稳定;针对裡电池和超级电容器的自身特性，合理分配两者的输入/ 输出功率，延长裡电池的循环寿命，降低微电网的运行成本；同时为便于裡电池管理，该控 制方法合理分配裡电池之间的功率，保证裡电池SOC值统一与同步;实现微电网与大电网的 交换功率的可控，可W根据用户需要，实时设置PCC交换功率值，减小微电网对大电网功率 预测与发电计划的影响。
[0011] 为充分证明本发明所述协调控制方法的技术效果，构建了一个微电网（如图2所 示），光伏发电系统的额定功率为20kW，风力发电机的额定功率为12kW，两者的逆变器均采 用MPPT模式输出。混合储能包括两台裡电池和一台超级电容器，两台裡电池容量均为25Ah， 超级电容器容量为20F，最大充放电功率为lOkW。裡电池1和2的SOC变化范围为25%~90%，但 是由于裡电池2有运行损耗，最大SOC值只能达到85%;超级电容器SOC变化范围为20%~80%。 根据一般运行经验，设定混合储能修正分配功率阔值为IkW，时间阔值!爲为353。负荷的 功率范围为0~15kW。该微电网与大电网的PCC始终闭合，光伏发电与风力发电机采用MPPT控 制方式运行，裡电池和超级电容器采用PQ控制方式运行。微电网与大电网PCC(Point Of Common Coupling，PCC)设置的交换功率舞。、W如附图3所示，附图3所示的设置的交换功率 聲臣接激$是根据国家电网公司规定的微电网与大电网不同时段的交换功率聲帛极繳绘制的，或 者是根据本发明所述的设置的交换功率/kf. W的确定方法得出的。某日0点，该微电网启动 运行，裡电池1和2初始的SOC值分别为60.9%、54.2%，超级电容器的初始的SOC值为32.6%。该 微电网光伏发电和风力发电实际输出功率曲线如附图5、6所示，微电网内一天的负荷功率 变化情况如附图7所示。根据本发明的控制方法，两个裡电池和一个超级电容器实时运行功 率曲线如附图8、9、10所示，而微电网与大电网PPC实际交换功率如附图4所示。图11为运行 中的两个裡电池和一个超级电容器的SOC值变化曲线； 对比附图3、4，PCC实际交换功率与PCC设置交换功率几乎一致，由于风、光的实际变化 不同于平均值，所W仅在17点45分后的13分钟内略有不同。由于当日的环境因素，17点45分 时光伏实际功率低于预期的平均输出功率，造成了负荷功率大于光伏和风机的发电量。如 附图11所示复杂混合储能系统在运行中已达到了最低的SOC值，于是向大电网额外购电来 保证负荷的正常运行，为了提高在后续时段裡电池运行的调节范围，给裡电池1、2分别W 2.6kW和2.4kW的功率预充电。在17点58分后，光伏和风机的输出功率大于负荷功率，并且复 杂混合储能系统能够维持下一时刻微电网的运行，于是结束上述控制过程。
[0012] 根据W上运行结果，由附图3、4可W看出，本发明实现微电网与大电网的交换功率 的可控，可W根据用户需要，实时设置PCC交换功率值.韓fx.w;，减小微电网对大电网功率预 测与发电计划的影响；由附图5、6、7可W看出本发明中的复杂混合储能系统结构保障了交 流微电网的正常运行，其控制方法准确地平抑了分布式电源输出功率的波动，将具有随机 性和波动性的光伏与风机的输出功率通过微电网变的可控、连续、平稳，保障了负荷的稳定 供给；由附图8、9、10可W看出，本发明针对裡电池和超级电容器的自身特性，合理分配两者 的输出/输入功率，减少裡电池设备的频繁充放电，延长裡电池的循环寿命，间接降低了微 电网的运行成本；由附图11可W看出，本发明能够有效地管理含多裡电池的微电网，合理分 配裡电池之间的功率，保证裡电池SOC值统一与同步。
[0013] 美国高级电池联合会USABC(U.S. Advanced Batteiy Consortium)定义裡电池循 环寿命为其容量衰减到初始容量的80%时可充放电的循环次数。利用文献[1]中的裡电池衰 减容量计算公式，计算出裡电池1应用本方法前后的容量衰减曲线如附图12所示。可W看 出，应用本方法能够显著提高裡电池的循环寿命。
[0014] [1] Shen J, Dusmez S, Khaligh A. Optimization of Sizing and Battery Cycle Life in Battery/Ultracapacitor Hybrid Energy Storage Systems for Electric Vehicle Applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics 2014, 10(4): 2112-2121.
【附图说明】
[0015] 图I为本发明所述复杂混合储能系统的结构示意图； 图2为构建的一个微电网结构示意图； 图3为微电网与大电网PCC设置的交换功率、韓fx W曲线； 图4为微电网与大电网PCC实际的交换功率巧K.,,;曲线； 图5为微电网光伏发电实际输出功率曲线； 图6为微电网风力发电实际输出功率曲线； 图7为微电网的负荷功率变化曲线； 图8为一个裡电池实时运行功率曲线； 图9为另一个裡电池实时运行功率曲线； 图10为超级电容器实时运行功率曲线； 图11为运行中的裡电池和超级电容器的SOC值变化曲线； 图12为裡电池应用本方法前后的容量衰减曲线。
【具体实施方式】
[0016] 交流微电网并网状态下复杂混合储能系统的协调控制方法，复杂混合储能系统包 括多个裡电池和一个超级电容器，裡电池各自的双向DC/DC变换器在出口并联后再经其双 向DC/AC变换器接入微电网交流母线，超级电容器经其双向DC/DC变换器和双向DC/AC变换 器接入微电网交流母线;所述协调控制方法是由如下步骤实现的： 一、复杂混合储能系统的裡电池与超级电容器的双向DC/AC变换器的控制； 为了统一功率流动方向与正负值的关系，定义由微电网母线向外输出的功率为正值， 向微电网母线注入的功率为负值，即微电网母线向大电网输出功率、复杂混合储能系统充 电功率和负荷功率为正值，大电网向微电网母线供电功率、风机和光伏分布式电源的输出 功率和复杂混合储能系统放电功率为负值； ① 启动并初始化上位机，启动微电网设备； ② 初始条件设置： 设置微电网与大电网的交换功率微电网与大电网之间存在交换功率，即在微 电网内部分布式电源和复杂混合储能系统输出功率不足W提供负荷运行时，需要向大电网 购电。为减少微电网对大电网的功率预测与计划发电的影响，可W在不同时段设置固定的 交换功率。国家电网公司会根据微电网容量与气象条件，规定微电网与大电网不同时段的 交换功率發。
[0017] 或者采用W下方法确定交换功率《煉 统计该微电网一段时间W来风机和光伏分布式电源的输出功率、负荷功率一天内不同 时段的历史数据，将运些数据依次相加，得到总功率巧。将总功率依次累加，即
可得到总功率累计值巧，运时t代表15-30天的一段时间，总功率累计值反映了 总电能的流动情况，.]?供小于O表示分布式电源的输出功率大于负荷功率，微电网功率 过剩;穿大于O表示分布式电源的输出功率小于负荷功率，微电网功率不足。总功率累 计值^1終> 分为多个时段，为消除用户负荷和气象条件的偶然变化等因素对统计数据影 响，对每个时段线性化，然后将每个时段线性化所得到曲线求导可W得到不同时段的微电 网与大电网的交换功率砖;、;w。
[0〇1引设置裡电池SOC值的上限值SOUax与下限值SOUin; 设置功率阔值和时间阔值!；&; ③ 上位机采集分布式电源功率％、复杂混合储能系统和负荷的功率之和1胃^，W 及各裡电池的的SOC值SOC;.,; ④ 计算复杂混合储能系统需要补偿的功率;
⑤ 将复杂混合储能系统需要补偿的功率巧W进行分配； a. I私〉0,且任一裡电池的〉S0Cmax，此时，控制裡电池与超级电容器的DC/AC，使 裡电池与超级电容器的输入功率为零，由大电网来吸收功率差额； b. % <0，且任一裡电池的SOCy <S0Cmin，此时，控制超级电容器的DC/AC使其输出功 率为零，由大电网来补偿功率差额，同时控制SOC。<S0Cmin的裡电池进行预充电，充电至 SOCu 为50^1。+50(：。1。5%停止； C .:義故〉0，且乂)q、<S0Cmin或者S0Cmin《 soq;《SOCmax ; .? <0，且微冷:〉S0Cmax或者 S0Cmin《80?《SOCmax;此时，若1?.:伏于功率阔值&，且持续时间大于时间阔值，则控制 裡电池和超级电容器的DC/AC，使裡电池的输入/输出功率为巧,、;，超级电容器的输出/输入 功率为0;否则使裡电池输入/输出功率不变，超级电容器输入/输出功率为4;与此时保持 不变的裡电池输出/输入功率的差值； ⑥ .返回第③步； 二、复杂混合储能系统的各裡电池双向DC/DC变换器的控制 按如下公式控制各裡电池的DC/DC双向变换器来实现功率在各裡电池之间的分配，
其中，;为第i个裡电池的功率，巧为第i个裡电池的功率分配系数，分配系数满足 下列约束条件： 放电时，
充电时，
其中80Cjj,为采集的第i个裡电池的当前SOC值。
【主权项】
1. 一种交流微电网并网状态下复杂混合储能系统的协调控制方法，其特征在于，复杂 混合储能系统包括多个裡电池和一个超级电容器，裡电池各自的双向DC/DC变换器在出口 并联后再经其双向DC/AC变换器接入微电网交流母线，超级电容器经其双向DC/DC变换器和 双向DC/AC变换器接入微电网交流母线;所述协调控制方法是由如下步骤实现的： 一、 复杂混合储能系统的裡电池与超级电容器的双向DC/AC变换器的控制； 为了统一功率流动方向与正负值的关系，定义由微电网母线向外输出的功率为正值， 向微电网母线注入的功率为负值，即微电网母线向大电网输出功率、复杂混合储能系统充 电功率和负荷功率为正值，大电网向微电网母线供电功率、风机和光伏分布式电源的输出 功率和复杂混合储能系统放电功率为负值； ① 启动并初始化上位机，启动微电网设备； ② 初始条件设置： 设置微电网与大电网的交换功率国家电网公司会根据微电网容量与气象条 件，规定微电网与大电网不同时段的交换功率巧 设置裡电池 SOC值的上限值SOCmax与下限值SOCmin; 设置功率阔值..?和时间阔值I；; ③ 上位机采集分布式电源功率iia、复杂混合储能系统和负荷的功率之和巧。及 各裡电池的的S0C值SC.咬； ④ 计算复杂混合储能系统需要补偿的功率;⑤ 将复杂混合储能系统需要补偿的功率进行分配； a. 爲;〉〇,且任一裡电池的〉S0Cmax，此时，控制裡电池与超级电容器的DC/AC，使裡 电池与超级电容器的输入功率为零，由大电网来吸收功率差额； b. 巧，、;<0,且任一裡电池的妨<S0Cmin，此时，控制超级电容器的DC/AC使其输出功率 为零，由大电网来补偿功率差额，同时控制欲)(V<S0Cmin的裡电池进行预充电，充电至SOq; 为 S0Cmin+S0Cmin5% 停止； C .超}〉0，且々X，<S0Cmin或者SOCmin《就K!,《SOCmax ;嫁 <0，且 SOC。〉S0Cmax或者SOCmin 《SOC,，《S0Cmax;此时，若1%伏于功率阔值砖，且持续时间大于时间阔值馬，则控制裡电 池和超级电容器的DC/AC，使裡电池的输入/输出功率为％，超级电容器的输出/输入功率 为0;否则使裡电池输入/输出功率不变，超级电容器输入/输出功率为冷、;与此时保持不变 的裡电池输出/输入功率的差值； ⑥ .返回第③步； 二、 复杂混合储能系统的各裡电池双向DC/DC变换器的控制 按如下公式控制各裡电池的DC/DC双向变换器来实现功率在各裡电池之间的分配， 巧.;；：巧-:-':巧九==^令-、':;'-'';"\ 其中，巧ij.为第i个裡电池的功率，-??.为第i个裡电池的功率分配系数，分配系数满足下 列约束条件： 放电时，其中为采集的第i个裡电池的当前SOC值。2.根据权利要求1所述的交流微电网并网状态下复杂混合储能系统的协调控制方法， 其特征在于，采用W下方法确定交换功率巧α· 统计该微电网一段时间W来风机和光伏分布式电源的输出功率、负荷功率一天内不同 时段的历史数据，将运些数据依次相加，得到总功率;将总功率依次累加，即可得到总功率累计值^斌，运时t代表15-30天的一段时间，总功率累计值蘇滅移) 分为多个时段，对每个时段线性化，然后将每个时段线性化所得到曲线求导可W得到不同 时段的微电网与大电网的交换功率巧，〇；. W。
【文档编号】H02J3/38GK106099965SQ201610479583
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】秦文萍, 李凯, 韩肖清, 王鹏, 王英, 贾燕冰, 孟润泉, 张海涛, 郭晓龙
【申请人】太原理工大学