一种光伏微电网混合储能系统的功率控制方法

1.本发明涉及微电网控制技术领域，特别涉及一种光伏微电网混合储能控制方法。


背景技术：

2.光伏发电功率受到外部环境中光照、温度等因素的影响，具有随机性和间歇性的特点，因此不论是集中并网发电还是分布式发电，直接接入光伏都会给电力系统带来稳定性、安全性问题。微电网是解决光伏发电输出功率波动问题的重要途径，储能装置是微电网的重要组成部分，微电网系统通过储能来提高系统的稳定性和电能质量，储能一般采用超级电容器或者蓄电池装置。为了能够达到平抑微电网光伏和负载之间的功率不平衡的目的，协调控制不同储能出力情况，辅以相应的能量管理方案和控制策略，对实现微电网系统稳定、经济地运行尤为重要。
3.目前对微网混合储能系统的研究主要集中在功率分配和能量管理方向。但传统方法没有同时考虑到储能系统的安全性和经济性。由于各种储能单元的固有特性不同，在响应电网调度时，不对储能系统施加适合的控制策略，会导致储能单元充放电频繁、寿命缩短。此外由于储能单元的储能容量有一定限值，当光伏发电和负载出现大功率扰动，储能系统在平抑功率波动时很容易发生过充过放情况，影响微网系统的稳定运行。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种光伏微电网混合储能控制方法，用于通过对储能单元的容量进行考虑来进行储能系统的功率控制以减少储能系统在控制过程中出现的过充过放风险。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种光伏微电网混合储能系统的功率控制方法，包括如下步骤：
6.步骤1:搭建含有混合储能系统的光伏微电网数学模型，实时分析出光伏输出功率、负载功率获取储能系统对应的待平抑功率；
7.步骤2：对待平抑功率进行频谱分析，将待平抑功率分解为多种频段功率分量；
8.步骤3：根据储能系统中的soc数值状态来确定储能系统中每种储能单元所承担的功率分量；
9.步骤4：基于储能单元承担的功率分量计算出各个储能单元的电流参考值，利用电力电子装置实现储能单元对功率的吸收和释放。
10.步骤2中，对待平抑功率的分析包括：采用确定参数的低通滤波器对待平抑功率进行分解得到高中低三种频段的功率分量.
11.在步骤3中，将储能系统soc设置划分多个范围值并根据范围值划分储能系统soc状态；根据储能系统的soc状态来对应的分配确定储能系统中的储能单元对应的所承担的功率分量。
12.按照预先设置的soc限制值判断储能系统中蓄电池储能单元和超级电容储能单元
的soc是否处于过高或过低状态，当均处于过高状态时且待平抑功率为充电功率时或当均处于过低状态时且待平抑功率为放电功率时，通过切断部分负载来维持功率平衡。
13.步骤3中，设置储能单元soc的限制值并根据限制值来对soc进行划分，其中soc限制值包括：soc
_max
、soc
_min
为储能soc的最大值与最小值，soc
_high
、soc
_low
为储能单元soc充/放电的限制值；并按照限制值划分如下：
14.当0％≤soc≤soc
_min
时，此时判断储能系统的储能单元soc处于过低状态；
15.当soc
_min
《soc≤soc
_low
时，此时判断储能系统的储能单元soc处于低状态；
16.当soc
_low
《soc≤soc
_high
时，此时判断储能系统的储能单元soc处于中状态；
17.当soc
_high
《soc≤soc
_max
时，此时判断储能系统的储能单元soc处于高状态；
18.当soc
_max
《soc≤100％时，此时判断储能系统的储能单元soc处于过高状态。
19.根据超级电容储能单元和蓄电池储能单元所处的soc状态来对储能系统进行充放电控制以平衡补偿待平抑功率：
20.(1)当蓄电池和超级电容soc处于过高/过低状态时，采用切断部分负载来维持功率平衡；
21.(2)当蓄电池soc处于高/低状态，超级电容处于过高/过低状态时，由超级电容承担高中低频段功率分量；
22.(3)当超级电容soc处于过高/过低，蓄电池荷电状态处于高中低状态时，由蓄电池承担系统高中低频段功率分量；
23.(4)当超级电容soc处于高低范围，蓄电池soc处于中间范围时，由超级电容承担高频段功率分量，蓄电池承担中低频段功率分量；
24.(5)当超级电容soc和蓄电池soc同时处于高中低范围时，由超级电容承担高中频段功率分量，蓄电池承担低频段功率分量。
25.本发明的优点在于：改进型混合储能控制策略通过将待平抑功率分解为三种频段功率分量，根据储能系统soc状态设计五种混合储能系统运行模式，对混合储能各自承担功率分量进行实时调整，能够有效缓解蓄电池出力，减少其充放电次数，延长其使用寿命，并且能够有效解决由于储能设备的过充/过放而导致系统不能正常稳定运行的问题。本技术控制策略相较于传统控制策略，能够使蓄电池功率变化更加平缓，大大减少其充放电次数，且可以防止储能单元出现过充过放现象，提高微电网运行的稳定性和经济性。
附图说明
26.下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
27.图1为本发明提供的含有混合储能系统的光伏微电网拓扑结构图；
28.图2为本发明提供的传统混合储能功率分配策略图；
29.图3为本发明提供的传统混合储能能量管理策略图；
30.图4为本发明提供的基于三频段分解的混合储能功率分配策略图；
31.图5为本发明提供的改进型混合储能能量管理策略图；
32.图6为本发明提供的基于三频段分解的混合储能功率分配策略流程图；
33.图7为本发明实施例提供的光伏功率与负载功率图；
34.图8为本发明实施例提供的传统控制策略在超级电容状态良好时的功率变化曲
线；
35.图9为本发明实施例提供的传统控制策略在超级电容状态良好时的soc变化曲线；
36.图10为本发明实施例提供的改进型控制策略在超级电容状态良好时的功率变化曲线；
37.图11为本发明实施例提供的改进型控制策略在超级电容状态良好时的soc变化曲线；
38.图12为本发明提供的改进型控制策略在超级电容soc在15％左右波动时的功率变化曲线；
39.图13为本发明提供的改进型控制策略在超级电容soc在15％左右波动时的元soc变化曲线；
具体实施方式
40.下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
41.本技术主要是实现针对微电网系统中混合储能系统的功率分配控制，通过考虑储能系统中的蓄电池、超级电容的过充过放等情况，设计一种新的功率控制方法，具体如下：
42.一种光伏微电网混合储能系统的功率控制方法，包括如下步骤：
43.步骤1:搭建含有混合储能系统的光伏微电网数学模型，实时分析出光伏输出功率、负载功率获取储能系统对应的待平抑功率；
44.将微电网数学模型搭建完成后，根据微电网的实时数据分析即可得到微电网中需要储能系统平衡的功率：待平抑功率；其可以根据光伏输出功率、负载功率计算得到，若直流微电网并网接入交流电网，还需要考虑并网功率来计算待平抑功率。
45.步骤2：对待平抑功率进行频谱分析，将待平抑功率分解为多种频段功率分量；一般可以分为两种或三种，若分为两种则将待平抑功率分解为高频段功率和低频段功率，若三种，则可以分为高中低三种频段功率，分解可以通过采用确定参数的低通滤波器对待平抑功率进行分解得到高中低三种频段的功率分量，当低通滤波器确认后，通过模型参数计算可以得到对应的高中低三种频段的功率分量。
46.步骤3：根据储能系统中的soc数值状态来确定储能系统中每种储能单元所承担的功率分量；
47.此步骤中，主要考虑储能系统中蓄电池和超级电容的过充过放的风险，将储能系统soc设置划分多个范围值并根据范围值划分储能系统soc状态；根据储能系统的soc状态来对应的分配确定储能系统中的储能单元对应的所承担的功率分量或者当按照预先设置的soc限制值判断储能系统中蓄电池储能单元和超级电容储能单元的soc是否处于过高或过低状态，当均处于过高状态时且待平抑功率为充电功率时或当均处于过低状态时且待平抑功率为放电功率时，通过切断部分负载来维持功率平衡；
48.此步骤中，一方面蓄电池储能单元和超级电容储能单元的soc是否处于过高或过低状态，如果通过蓄电池或超级电容来平衡待平抑功率，则会产生过充过放，故而在存在过充过放时，通过切断非必需的负载的供电，实现待平抑功率的平衡；当储能系统中超级电容、蓄电池均处于过高状态的soc时，此时待平抑功率对应的是放电，则按照高中功率分量
由超级电容来承担，按照高中功率分量的功率进行放电平衡微电网功率，而蓄电池则承担低频段功率分量；当储能系统中超级电容、蓄电池均处于过低状态soc时，此时待平抑功率时充电时，按照高中功率分量的功率进行放电平衡微电网功率，而蓄电池则承担低频段功率分量。
49.实际上，可以设置储能单元soc的限制值并根据限制值来对soc进行划分，其中soc限制值包括：soc
_max
、soc
_min
为储能soc的最大值与最小值，soc
_high
、soc
_low
为储能单元soc充/放电的限制值；并按照限制值划分如下：
50.当0％≤soc≤soc
_min
时，此时判断储能系统的储能单元soc处于过低状态；
51.当soc
_min
《soc≤soc
_low
时，此时判断储能系统的储能单元soc处于低状态；
52.当soc
_low
《soc≤soc
_high
时，此时判断储能系统的储能单元soc处于中状态；
53.当soc
_high
《soc≤soc
_max
时，此时判断储能系统的储能单元soc处于高状态；
54.当soc
_max
《soc≤100％时，此时判断储能系统的储能单元soc处于过高状态。
55.根据超级电容储能单元和蓄电池储能单元所处的soc状态来对储能系统进行充放电控制以平衡补偿待平抑功率：
56.1)当蓄电池和超级电容soc处于过高/过低状态时，采用切断部分负载来维持功率平衡；当处于过高状态时待平抑功率是充电、处于过低状态时待平抑功率为放电时，若储能系统承担功率，则会造成过充过放风险，因此此时通过对负载的接入和切出操作可以控制待平抑功率通过接入和切除的负载来进行功率平衡，从而避免蓄电池和超级电容的过充过放；若负载切入或切除后待平抑功率仍然存在时则可以通过超级电容器或蓄电池按照平均或按照soc大小分配功率等各种方式来平抑功率；当当蓄电池和超级电容soc一个处于过高/过低状态时，另一个正常状态，则由正常状态的储能单元平抑功率；
57.(2)当蓄电池soc处于高/低状态，超级电容处于过高/过低状态时，由超级电容承担高中低频段功率分量；
58.(3)当超级电容soc处于过高/过低，蓄电池荷电状态处于高中低状态时，由蓄电池承担系统高中低频段功率分量；
59.(4)当超级电容soc处于高低范围，蓄电池soc处于中间范围时，由超级电容承担高频段功率分量，蓄电池承担中低频段功率分量；
60.(5)当超级电容soc和蓄电池soc同时处于高中低范围时，由超级电容承担高中频段功率分量，蓄电池承担低频段功率分量。
61.蓄电池承担功率、超级电容承担功率是指蓄电池、超级电容按照分配的功率来进行充电或放电以满足微电网的功率平衡，从而将待平抑功率消耗从而满足微电网平衡稳定。
62.步骤4：基于储能单元承担的功率分量计算出各个储能单元的电流参考值，利用电力电子装置实现储能单元对功率的吸收和释放。
63.如图1为本发明提供的基于三频段分解的混合储能控制框图。系统包含光伏发电系统、交直流负载、配电网、超级电容和蓄电池组成的混合储能系统以及电力电子装置。光伏模块和混合储能模块通过双向dc/dc变换器先并入直流电网，然后通过双向dc/ac并入交流电网。
[0064][0065]
式(1)中，p
hess
为储能系统所需承担总功率，为超级电容和蓄电池需承担功率之和。当p
hess
大于0时，混合储能系统应释放电量来补偿系统功率缺额。当p
hess
小于0时，混合储能系统应吸收电量来维持系统功率平衡。p
pv
、pg、p
load
分别为光伏系统输出功率、并网口功率、负载消耗的功率。p
bat
为蓄电池吸收/释放的功率，p
sc
为超级电容吸收/释放的功率。当p
bat
大于0时，蓄电池放电，p
bat
小于0时，蓄电池充电，当p
sc
大于0时，超级电容放电，p
sc
小于0时，超级电容充电。
[0066]
图2为本发明提供的传统光伏微电网混合储能功率分配控制框图，
[0067]
功率分配数学模型如式(2)所示：
[0068][0069]
其中
[0070]
混合储能装置得功率指令p
hess
通过低通滤波器，得到超级电容器得功率指令p
sc_ref
和蓄电池得功率指令p
bat_ref
，在超级电容u
sc
和蓄电池端电压u
bat
确定的情况下，超级电容和蓄电池的参考电流值i
bat_ref
、i
sc_ref
的计算方程如式(3)所示：
[0071][0072]
得到的蓄电池和超级电容的参考电流值i
bat_ref
、i
sc_ref
通过与蓄电池和超级电容的参考电流值比较得到电流差值，之后通过电力电子装置实现储能单元对功率的吸收和释放。
[0073]
图3为本发明提供的传统光伏微电网混合储能能量管理策略图
[0074]
蓄电池与超级电容剩余电量的表达式如(4)所示，其中soc为蓄电池与超级电容的剩余电量。
[0075][0076]
公式中：soc为荷电状态，功率吞吐量δp，soc
bat
、soc
sc
分别为蓄电池与超级电容的剩余电量。
[0077]
在能量管理策略图中，第一象限与第四象限分别表示储能单元的放电区及充电区。当储能单元soc高于最大限制soc
_max
，则停止充电，同理，当储能单元soc低于最小限制
soc
_min
时，停止放电。防止储能系统出现过充过放现象。
[0078]
图4为本发明提供的混合储能功率分配策略图，根据各单元功率关系与低通滤波器的原理，将待平抑功率分解为高中低频段三种功率分量，分别为高频段功率分量ph，中频段功率分量pm，低频段功率分量p
l
。式(5)为本策略的功率分配模型，τ1、τ2分别为低通滤波器的时间常：
[0079][0080]
图5为本发明提供的混合储能能量管理策略图，为避免储能单元的过充过放现象对储能系统造成损害，设置储能单元的限制值和最值来防止储能系统出现过充过放现象。限制值和最值的设置如式(6)所示：
[0081][0082]
式(6)中soc
_max
、soc
_min
为储能soc的最大值与最小值，soc
_high
、soc
_low
为储能单元soc充/放电的限制值。
[0083]
为了确定储能单元的运行状态以便协调分配功率，设置五个范围来确定储能单元soc状态，如式(7)所示：
[0084][0085]
式(7)中，过高/过低状态表示储能单元soc已快达到过充/过放状态。高/低状态表示储能单元soc已经达到充/放限制，中状态表示储能单元soc处于正常范围，储能单元可以正常充放电。
[0086]
通过引入混合储能荷电状态限制值和最值可以设置五种工作状0态来对储能系统进行合适的充放电控制，用以补偿系统功率变化。
[0087]
(1)当蓄电池和超级电容soc处于过高/过低状态时，采用切断一些不重要负载来维持功率平衡。
[0088]
(2)当蓄电池soc处于高/低状态，超级电容处于过高/过低状态时，由超级电容承担高中低频段功率分量。
[0089]
(3)当超级电容soc处于过高/过低，蓄电池荷电状态处于高中低状态时，由蓄电池承担系统高中低频段功率分量。
[0090]
(4)当超级电容soc处于高低范围，蓄电池soc处于中间范围时，由超级电容承担高频段功率分量，蓄电池承担中低频段功率分量。
[0091]
(5)当超级电容soc和蓄电池soc同时处于高中低范围时，由超级电容承担高中频段功率分量，蓄电池承担低频段功率分量。
[0092]
改进型混合储能控制策略通过将待平抑功率分解为三种频段功率分量，根据储能系统soc状态设计五种混合储能系统运行模式，对混合储能各自承担功率分量进行实时调整，能够有效缓解蓄电池出力，减少其充放电次数，延长其使用寿命，同时防止储能单元出现过充/过放现象。搭建了光伏微电网混合储能的实验仿真。实验结果证明：所提控制策略相较于传统控制策略，能够使蓄电池功率变化更加平缓，大大减少其充放电次数，且可以防止储能单元出现过充过放现象，提高微电网运行的稳定性和经济性。
[0093]
在matlab/simulink中搭建了含混合储能的光伏微电网仿真模型，对所提改进型控制策略和传统策略进行对比效果验证。仿真具体参数见表1。
[0094]
表1仿真系统参数
[0095]
参数单位取值直流母线电压u/v1000光伏阵列电压u
pv
/v683.2蓄电池电压u
bat
/v500超级电容电压u
sc
/v500逆变器转换效率η/％96系统频率f/hz50并网口功率pg/kw60
[0096]
表2为储能单元容量配置方案。
[0097]
表2储能容量配置方案
[0098][0099]
图7和图8分别是使用传统功率分配策略平抑系统内功率扰动时的混合储能功率曲线变化图和混合储能soc变化图，从图7可以看出，在6:00-18:00时，由于传统控制策略不能平抑光伏输出功率波动，导致蓄电池功率曲线波动剧烈；图8可以看出蓄电池的soc变化
曲线有较大波动，这表示蓄电池充放电次数频繁，对蓄电池的寿命有很大影响。为了改善这个问题，应当考虑在适当时刻减少蓄电池的出力。
[0100]
图9和图10分别是使用改进后功率分配方法的混合储能功率曲线变化图与soc变化图。由于光伏本身具有的不稳定性，光伏输出功率出现波动，因此使用传统方法时蓄电池吸收/释放功率变化曲线波动剧烈，蓄电池soc变化曲线有较大波动，蓄电池充放电频繁。而使用改进型控制策略平抑系统功率波动时，由于中频段功率分量由状态良好的超级电容所吸收，蓄电池仅承担低频段功率分量，可以看到蓄电池吸收/释放功率时变化更加平缓，soc变化曲线平滑，充放电次数大大减小。
[0101]
当其他参数不变，超级电容soc在15％上下波动时，储能单元的功率变化和soc变化结果分别如图10～11所示。
[0102]
图11和图12可知，使用改进型控制策略时，当超级电容soc小于15％时，由超级电容承担高频段功率分量，蓄电池处理中低频段功率分量。蓄电池吸收/释放功率曲线变化剧烈，soc变化曲线也随之波动明显，充放电次数较多。当超级电容soc大于15％时，超级电容承担系统内高中频段功率分量，蓄电池承担低频段功率分量。蓄电池吸收/释放功率曲线明显平缓，soc变化曲线平滑，充放电次数明显减少。证明考虑储能系统soc的控制策略能够有效防止储能系统过度放电，使储能系统soc始终处于适当范围，维持系统稳定。
[0103]
图6为本发明实施例提供的光伏微电网混合储能控制方法流程图，该方法具体包括如下步骤：
[0104]
s1.通过低通滤波器将待平抑功率p
hess
分解为高中低频段三种功率分量，分别为高频段功率分量ph，中频段功率分量pm，低频段功率分量p
l
。
[0105]
s2.设置五个范围来确定储能单元soc状态。
[0106]
s3.根据蓄电池和超级电容的soc状态设计五种运行模式协调控制不同储能单元的承担功率。
[0107]
s4.将得到的蓄电池和超级电容须承担的功率分量与蓄电池和超级电容端电压相除，得到蓄电池和超级电容的参考电流值i
bat_ref
、i
sc_ref
。
[0108]
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。