一种基于下垂控制的分布式复合储能协同控制方法与流程

本发明属于电气工程技术领域，更具体地，涉及一种基于下垂控制的分布式复合储能协同控制方法。

背景技术：

随着电力电子技术的发展和新能源发电渗透率的增加，结合了分布式发电单元、储能以及各类负载的直流微电网受到了广泛的关注。作为传统大电网的有力补充，微电网技术解决了分布式发电接入电网的稳定性问题，提高了电能质量和供电可靠性。相比于交流微网，直流微电网没有频率控制、同步和无功损耗等问题，效率更高，直流母线的电压是衡量直流微电网电能质量和稳定性的唯一指标，由于可再生能源如光伏、风能等具有很强的随机性和波动性能，会导致直流微电网的母线电压剧烈波动，因此，需要储能装置(energystorage，es)即时补偿系统的不平衡功率，稳定直流母线电压，从而保证直流微电网稳定运行。

蓄电池是目前微电网中应用最广研究最多的储能装置，然而，单一的蓄电池储能由于其功率密度不高，循环充放电次数少，具有一定的局限性。因此，将蓄电池和超级电容器(supercapacitor，sc)结合的复合储能系统受到了越来越多的关注。超级电容器是典型的功率型储能，功率密度高，循环寿命长，可快速充放电，与蓄电池很好地形成互补。

为充分发挥蓄电池和超级电容器的优势，需要将系统中不平衡功率的高低频分量在两者之间合理分配，传统的分布式储能功率控制是通过集中控制器测量系统的总不平衡功率，然后通过高通滤波器将功率分成低频和高频两部分，这种控制对通讯可靠性要求较高且仅适用于储能采用功率控制模式的情况；分散式的虚拟阻抗下垂(virtualimpedancedroop，vid)控制克服了集中式控制的缺陷，通过对超级电容器采用虚拟电容下垂(virtualcapacitordroop，vcd)控制，可以在没有通讯的情况下，实现蓄电池和超级电容器之间的高低频功率分配，但是分散式控制属于有差控制，目前缺乏有效的二次电压恢复控制方法能与这种分散式的复合储能控制策略结合，提升控制器性能。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于下垂控制的分布式复合储能协同控制方法，由此解决现有分散式的虚拟阻抗下垂控制由于属于有差控制，而缺乏有效的二次电压恢复控制方法能与这种分散式的复合储能控制策略结合的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于下垂控制的分布式复合储能协同控制方法，包括：

(1)根据与当前蓄电池节点的相邻蓄电池节点的平均电压观测值以及当前蓄电池节点的电压采样值，计算当前蓄电池节点的平均电压观测值；

(2)采用pi控制器，以当前蓄电池节点的平均电压观测值与母线参考电压的差值作为输入信号，获取用于调节平均母线电压的参考电压修正量；

(3)采用pi控制器，以当前超级电容器的端电压与超级电容器端电压的额定电压的差值作为输入信号，获取用于调节超级电容器端电压的反馈电流修正量；

(4)将用于调节平均母线电压的参考电压修正量和母线参考电压相加，作为蓄电池一次控制的参考电压信号，进而得到蓄电池内环控制的电压给定值；

(5)将用于调节超级电容器端电压的反馈电流修正量和超级电容器输出电流相加，作为超级电容器一次控制的电流反馈信号，进而得到超级电容器内环控制的电压给定值；

(6)对蓄电池采用传统的虚拟电阻下垂vrd控制作为一次控制，根据蓄电池内环控制的电压给定值得到蓄电池一次控制的输出信号，进而由蓄电池一次控制的输出信号生成控制dc/dc变换器的脉冲宽度调制pwm信号；

(7)对超级电容器采用虚拟电容下垂vcd控制作为一次控制，根据超级电容器内环控制的电压给定值得到超级电容器一次控制的输出信号，进而根据超级电容器一次控制的输出信号生成控制dc/dc变换器的pwm信号。

优选地，步骤(1)包括：

由确定第i个蓄电池节点的平均电压观测值vavgi，其中，vobi是第i个蓄电池节点的电压采样值，aij是第i个蓄电池节点与第j个蓄电池节点之间的通讯权重，vavgj是指与第i个蓄电池节点相邻的蓄电池节点j的平均电压观测值，j∈ni，ni是与第i个蓄电池节点相互通讯的蓄电池节点的集合。

优选地，步骤(2)包括：

由确定用于调节平均母线电压的参考电压修正量其中，kpb为母线电压pi控制器的比例系数，kib为母线电压pi控制器的积分系数，vref为母线参考电压。

优选地，步骤(3)包括：

由确定用于调节超级电容器端电压的反馈电流修正量其中，kpsc为超级电容器端电压pi控制器的比例系数，kisc为超级电容器端电压pi控制器的积分系数，vscn为超级电容器端电压的额定值，vsci为第i个超级电容器端电压。

优选地，步骤(4)包括：

由确定蓄电池内环控制的电压给定值其中，rvi为vrd控制的第i个蓄电池的虚拟电阻下垂系数，iobi为第i个蓄电池的输出电流。

优选地，步骤(5)包括：

由确定超级电容器内环控制的电压给定值其中，cvi是vcd控制的第i个超级电容器的虚拟电容下垂系数，iosci是第i个超级电容器的输出电流。

优选地，步骤(6)包括：

(6.1)将蓄电池直流母线电压的实际值与蓄电池内环控制的电压给定值做差，差值经蓄电池电压外环控制器得到电感电流的参考值；

(6.2)将电感电流的参考值与实测值之差经蓄电池电流内环控制器得到一组调制信号；

(6.3)将所得调制信号送入pwm信号发生器与三角载波比较，得到控制各变换器开断的pwm控制信号。

优选地，步骤(7)包括：

(7.1)将超级电容器直流母线电压的实际值与超级电容器内环控制的电压给定值做差，差值经超级电容器电压外环控制器得到电感电流的参考值；

(7.2)将电感电流的参考值与实测值之差经超级电容器电流内环控制器得到一组调制信号；

(7.3)将所得调制信号送入pwm信号发生器与三角载波比较，得到控制各变换器开断的pwm控制信号。

优选地，蓄电池的电流内环控制器和超级电容器的电流内环控制器相同，均为gc(s)，蓄电池的电压外环控制器为gvb(s)，超级电容器的电压外环控制器为gvsc(s)；

其中，其中，kpv_b和kiv_b为蓄电池电压外环pi控制器的比例系数和积分系数，kpv_sc和kiv_sc为超级电容器电压外环pi控制器的比例系数和积分系数，kpc和kic为电流内环pi控制器的比例系数和的积分系数。

本发明所提控制策略中，蓄电池和超级电容器之间的高低频功率分配由一次控制层中的vrd控制和vcd控制实现，分频频率由下垂系数rvi和cvi决定，svr控制的引入会影响两者之间的分频频率，但是利用频域分析，可以设计合理的svr控制参数，使svr控制几乎不改变一次控制决定的功率分配频段。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)蓄电池和超级电容器之间能够在没有通讯的情况下，实现高低频的功率分配；对于多组蓄电池和超级电容器组成的复合储能系统，仅需要相邻蓄电池之间的通讯，即可实现全局平均母线电压的调节，相比于以往的复合储能控制策略，对通讯要求大大降低。

(2)本发明改进了sc端电压控制，能够在sc存在漏电流的情况下，实现sc的稳态电压恢复，现有的控制技术在sc存在漏电流的情况下，无法达到稳态。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种由2个pvs和3组复合储能系统构成的400v直流微电网系统的示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于vid控制的一组复合储能的等值电路模型；

图3是本发明实施例提供的一种基于vid控制的复合储能协同控制策略框图；

图4是本发明实施例提供的一种基于vid控制的复合储能阻抗特性；

图5是本发明实施例提供的一种蓄电池svr控制器参数对复合储能输出电流响应特性，其中，图5中(a)是不同kpb对应的gob(s)和gosc(s)频域特性，图5中(b)是不同kib对应的gob(s)和gosc(s)频域特性；

图6是本发明实施例提供的一种超级电容器svr控制器参数对复合储能输出电流响应特性，其中，图6中(a)是不同kpsc对应的gob(s)和gosc(s)频域特性，图6中(b)是不同kisc对应的gob(s)和gosc(s)频域特性；

图7是本发明实施例提供的一种改进svr控制与传统svr控制和不加svr控制的系统阶跃响应对比，其中，图7中(a)对应母线电压，图7中(b)对应复合储能输出功率，图7中(c)对应超级电容器端电压，图7中(d)对应超级电容器svr控制输出的补偿量；

图8是本发明实施例提供的一种3组复合储能在结合了一致性算法的svr控制下的阶跃响应特性，其中，图8中(a)对应母线电压，图8中(b)对应超级电容器端电压，图8中(c)对应复合储能输出功率；

图9是本发明实施例提供的一种包含了光伏以及负载突增等复杂工况下，复合储能的运行特性，其中，图9中(a)对应光伏及负载的功率波动，图9中(b)对应复合储能的输出功率，图9中(c)对应母线电压，图9中(d)对应超级电容器的端电压。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种基于虚拟阻抗下垂控制的分布式复合储能协同控制方法，在实现分布式复合储能高低频功率分配的同时，实现直流母线电压的无差控制，以及超级电容器的端电压恢复控制。

图1所示为包含多组复合储能的分布式直流微电网系统，系统电压等级为400v，共包含6条母线，每个母线节点都有接入储能，光伏发电单元(photovoltaic，pv)或负载。为实现系统母线电压的整体调节，需要三个蓄电池之间保持通讯，电压观测器准确观测出状态变量平均值的条件是，通讯拓扑中必须至少包含一条有向生成树，也就是通讯拓扑必须是连通的，因此，本实施例中设计蓄电池之间的通讯拓扑为环形拓扑，如图1中虚线所示。

图2为不考虑二次电压恢复(secondaryvoltagecontrol，svr)控制的情况下，采用虚拟阻抗下垂(virtualimpedancedroop，vid)控制的复合储能等值电路。其中，蓄电池采用虚拟电阻下垂(virtualresistancedroop，vrd)控制，下垂系数为rv，超级电容器采用虚拟电容下垂(virtualcapacitordroop，vcd)控制，下垂系数为1/cvs,s是复频域的复变量。暂态时，超级电容器会快速响应系统的不平衡功率，而稳态时，由于电容的隔直作用，超级电容器输出功率为零；蓄电池响应系统不平衡功率的低频和稳态分量。由于蓄电池采用的vrd控制是有差控制，因此稳态时，各节点母线电压均低于400v的额定值；同时，超级电容器存储的能量有限，需要在每次充放电后恢复其存储的容量，来为下次暂态充放电过程做准备。超级电容器的储电量由超级电容器端电压决定，大多数超级电容器都存在小的漏电流，如果要保持超级电容器稳态电压恒定，则稳态时需要对超级电容器进行涓流充电，这与vcd控制下超级电容器稳态电流为零的特性矛盾。

对于上述系统而言，本发明实施例所提供的直流微电网复合储能二次电压恢复控制的控制目标是，在不影响一次控制功率分配的情况下，使系统各母线电压的平均值恢复到额定值400v；同时，在超级电容器存在漏电流的情况下，保证超级电容器的稳态端电压为额定值120v。

本发明实施例提供的基于虚拟阻抗下垂控制的复合储能二次电压恢复控制方法，具体包括如下步骤：

(1)采样测量获取第i个蓄电池节点的电压vobi，并根据接收的相邻蓄电池节点j的平均电压值vavgj，计算第i个蓄电池节点的平均电压值，并将第i个蓄电池节点的平均电压值vavgi传递给相邻蓄电池节点；

其中，aij是第i个蓄电池节点与第j个蓄电池节点之间的通讯权重，aij>0表示第i个蓄电池节点与第j个蓄电池节点之间能相互交换信息，aij＝0表示两者之间不能相互通讯；vavgj是指与第i个蓄电池节点相邻的蓄电池节点j的平均电压值，j∈ni，ni是与第i个蓄电池节点相互通讯的蓄电池节点集合。根据一致性算法的原理可知，在通讯拓扑连通的情况下，稳态时各蓄电池节点平均电压观测值将达到一致，收敛于各蓄电池节点电压的实际算术平均值。

(2)采用pi控制器，将第i个蓄电池节点观测的平均电压vavgi与母线参考电压vref的差值作为输入信号，计算调节平均母线电压的参考电压修正量，作为第i个蓄电池节点的二次电压恢复控制输出量

其中，kpb和kib分别为母线电压pi控制器的比例系数和积分系数。

(3)采用pi控制器，将第i个超级电容器端电压vsci与超级电容器端电压的额定电压vscn的差值作为输入信号，计算超级电容器端电压的反馈电流修正量，作为第i个超级电容器的二次电压恢复控制输出量

其中，kpsc和kisc分别为超级电容器端电压pi控制器的比例系数和积分系数。

(4)将蓄电池二次电压恢复控制的输出量与母线参考电压vref相加作为vrd一次控制的电压参考值，进而得到蓄电池内环控制的电压给定值

其中，rvi为第i个蓄电池的虚拟电阻下垂系数，iobi为第i个蓄电池的输出电流。

(5)将超级电容器二次电压恢复控制的输出量与超级电容器输出电流iosci相加作为vcd一次控制的电流反馈量，进而得到超级电容器内环控制的电压给定值

其中，cvi为第i个超级电容器的虚拟电容下垂系数。

(6)设计二次控制器参数。

仅采用一次控制时，蓄电池和超级电容器的v-i动态特性分别为：

vob＝vref-zbiob＝vref-rviob(6)

其中，zb和zsc分别为蓄电池和超级电容器的等效阻抗，两者的并联阻抗为：

其中，ωz为并联阻抗的转折频率，也是蓄电池和超级电容器响应功率的分频频率，其阻抗特性如图4所示，图3为基于vid控制的复合储能协同控制策略框图。在转折频率ωz之前的并联阻抗特性与蓄电池等效阻抗一致，说明频率低于ωz的低频功率分量由蓄电池响应；在转折频率ωz之后的并联阻抗特性与超级电容器等效阻抗一致，说明频率高于ωz的高频功率分量由超级电容器响应。

引入svr控制后，根据式(2)～(5)可以推导出蓄电池和超级电容器包含svr控制的等效阻抗，分别为：

此时，蓄电池和超级电容器的输出电流响应特性为：

其中，io为系统总的不平衡功率。gob(s)和gosc(s)的表达式分别是高阶的低通和高通滤波器，其截止频率就是引入svr控制后，蓄电池和超级电容器的功率分频频率。只要保证gob(s)和gosc(s)的截止频率与一次控制决定分频频率ωz相同，即可保证svr控制不影响一次控制决定的功率分配效果。

图5(a)和(b)分别为kpb增加和kib增加对gob(s)和gosc(s)频域特性的影响，结论是kpb越大，蓄电池响应的高频分量越多，kib对分频频率影响较小，但是kib增大会使系统超调增大；图6(a)和(b)分别为kpsc和kisc增加对gob(s)和gosc(s)频域特性的影响，结论是kpsc和kisc对分频频率影响都不大，但是过大的kisc会引起控制器振荡甚至导致控制器失稳。

本发明实施例中，通过对控制器的频域分析，蓄电池和超级电容器svr控制器参数取值如下：

蓄电池：kpb＝0.3，kib＝0.5；

超级电容器：kisc＝0.3，kisc＝0.05。

(7)蓄电池和超级电容器的内环控制均采用电压电流双闭环控制，使蓄电池的输出电压vobi跟踪蓄电池内环控制指令值使超级电容器的输出电压vosci跟踪超级电容器内环控制指令值蓄电池输出电压vobi与指令值的偏差经pi控制器gvb(s)输出电感电流指令值，电感电流测量值与电感电流指令值的偏差经pi控制器gc(s)输出pwm调制信号；超级电容器双环控制结构与蓄电池相同，其电压外环pi控制器为gvsc(s)，电流量内环pi控制器与蓄电池相同，为gc(s)。由于超级电容器响应速度快，其电压外环控制器gvsc(s)的带宽比gvb(s)高，gvb(s)、gvsc(s)和gc(s)的表达式分别为：

其中，kpv_b和kiv_b为蓄电池电压外环pi控制器的比例系数和积分系数，kpv_sc和kiv_sc为超级电容器电压外环pi控制器的比例系数和积分系数，kpc和kic为电流内环pi控制器的比例系数和的积分系数。

本发明实施例中，对一次控制器参数取值如下：

电压外环：蓄电池：kpv_b＝2，kiv_b＝50；超级电容器：kpv_sc＝50，kiv_sc＝50；

电流内环：kpc＝0.008，kic＝2.5。

采用在pscad/emtdc软件中对实施例提供的控制方法与传统控制方法对比，仿真结果如图7所示。图7研究了一组复合储能的情况，蓄电池和超级电容器均通过dc/dc变换器连接在直流母线上，变换器与母线间存在线路阻抗，5s时连接在母线上的负载阻抗从25ω变为11ω。图7中(a)对比了本发明提出的svr控制、传统的svr控制以及没有svr控制情况下，母线电压的响应特性，改进的svr控制和传统的svr控制都能将母线电压恢复到400v。图7中(b)为蓄电池和超级电容器响应功率，可以看出，引入改进的svr控制之后，功率分配情况与不加svr控制相同，而传统的svr控制使蓄电池功率上升速度略微加快。本发明实施例中，由于超级电容器存在漏电流，传统svr控制下超级电容器的端电压无法恢复到120v，且电压调节分量无法达到稳定值，控制器处于发散状态。而采用改进svr控制的系统在暂态过程后，超级电容器的端电压可以缓慢恢复到额定值120v，如图7中(c)所示，且电压调节分量能达到一个稳态值，该稳态值正好抵消超级电容器的漏电流。图7中(d)对应超级电容器svr控制输出的补偿量。

图8是本发明实施例所提svr控制在多组复合储能系统中的应用情况。仿真系统为如图1所示的分布式直流微电网系统，包含两个光伏，三个蓄电池，三个超级电容器以及负载。为了与图7所示的单组复合储能的情况形成对比，光伏电池没有投入使用，由三组复合储能系统为负载供电，初始时刻各负载阻抗均为25ω，10s时，母线1、母线2和母线3的负载阻抗分别变为11ω，11.5ω和15.3ω，由图8中(a)可以看出，基于平均电压观测器的分布式svr控制能够实现母线电压的同时调节，各母线电压的平均值达到了400v。图8中(b)为超级电容器的端电压波形，稳态时超级电容器端电压可以恢复到400v，对比图7中(c)可知，其相应特性与单组复合储能情况类似。图8中(c)为蓄电池和超级电容器的功率分配情况，可以看出，多组复合储能之间的高低频功率分配与单组复合储能相同，平均电压观测器的引入对功率分配没有影响，而蓄电池之间的稳态功率分配比例与下垂系数rvi成反比，本发明实施例中，各蓄电池的下垂系数均为0.1，稳态功率应平均分配，稳态功率的分配误差是由线路阻抗导致的，本发明所提的控制策略不针对这一问题讨论。

图9模拟了直流微电网的实际运行，此例中图1所示的两个pv单元均投入运行，并运行于最大功率跟踪(mttp)模式，其输出功率等效为ppv示于图9中(a)所示，负载功率在5s到15s之间模拟了一个突变过程，如图9中(a)所示，图9中(b)、(c)和(d)分别为蓄电池和超级电容器的功率分配情况、母线电压波动以及超级电容器端电压的动态特性。可以看出，在整个运行过程中，蓄电池的功率响应曲线较超级电容器平缓许多，达到了蓄电池响应低频功率分量，超级电容器响应高频分量的控制目标，如图9中(b)所示；同时系统母线电压的平均值始终维持在400v，如图9中(c)所示；从图9中(d)可以看出，超级电容器的端电压始终保持在120v左右，保持了比较好的荷电水平。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。