一种混合储能系统的变流器控制参数设计方法

1.本发明涉及混合储能系统技术领域，尤其涉及一种混合储能系统的变流器控制参数设计方法。


背景技术：

2.可再生能源的大量利用不仅能有效缓解目前的煤炭危机，同时也能大大减少污染物的排放，取得比较好的节能减排效益。但是可再生能源发电系统存在随机性、不确定性的问题，导致发电量不稳，因此储能系统必不可少，保障供电的稳定性和可靠性，与分布式电源、储能系统和负载共同组成微电网系统。储能系统的类型丰富多样，根据储能技术的特性，可分为能量型和功率型，能量型储能技术有电池储能、压缩空气储能、抽水储能等；功率型储能技术主要有超级电容储能、飞轮储能、超导储能等。其中，蓄电池在储能设备中得到广泛应用，其能量密度较大，符合分布式发电对能量密度的要求，但是受电化学反应速率的限制，蓄电池的功率密度比较小，当负载功率突变时，不能快速的吸收或释放目标功率，较难满足系统的暂态需要；另一方面，超级电容在充放电时内部发生物理变化，功率密度大，可以在短时间内提供较大功率，但是能量密度较低，无法长时间为系统供能。因此由超级电容与蓄电池组成的混合储能系统可以充分发挥蓄电池高能量密度和超级电容高功率密度的优点，使储能系统获得更好的暂稳态性能。
3.混合储能系统已成为微电网系统的重要组成部分，此外在微电网系统中存在大量闭环控制的负载，可视为恒功率负载。在微电网并离网切换、微源切除、负载大幅度变化、系统故障等情况下，恒功率负载表现负阻抗特性，会放大扰动信号，可能会出现母线电压振荡甚至崩溃的现象，因此如何高效的设计混合储能系统的变流器控制参数，增强微电网系统的稳定性，成为急需解决的技术难题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种混合储能系统的变流器控制参数设计方法，该方法能有效补偿恒功率负载的负阻抗特性，解决微电网系统由于大扰动现象导致的系统失稳甚至崩溃问题，增强了微电网系统的稳定性。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种混合储能系统的变流器控制参数设计方法，所述方法包括：
7.步骤1、设计基于恒功率负载功率调节的混合储能系统的控制策略；
8.步骤2、建立混合储能系统的非线性能量函数模型；
9.步骤3、基于所建立的非线性能量函数模型，结合混合储能系统的控制策略推导得到系统大信号稳定性判据；
10.步骤4、根据所得到的系统大信号稳定性判据，给出超级电容dc-dc环节控制单元的功率外环比例系数k
p1
和蓄电池组dc-dc环节控制单元的电压外环比例系数k
p2
的最大取值范围，实现混合储能系统的变流器控制参数设计。
11.由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法能有效补偿恒功率负载的负阻抗特性，解决微电网系统由于大扰动现象导致的系统失稳甚至崩溃问题，增强了微电网系统的稳定性。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
13.图1为本发明实施例提供的混合储能系统的变流器控制参数设计方法流程示意图；
14.图2为本发明实施例所述混合储能系统的拓扑结构示意图；
15.图3为本发明实施例所述低通滤波器的控制框图；
16.图4为本发明实施例所述蓄电池变换器的控制框图；
17.图5为本发明实施例所述超级电容变换器的控制框图；
18.图6为本发明实施例所述混合储能系统的简化模型示意图；
19.图7为本发明所举实例混合储能系统的等效仿真模型；
20.图8为本发明所举实例a组参数恒功率负载功率阶跃波形示意图；
21.图9为本发明所举实例a组参数直流母线电压波形示意图；
22.图10为本发明所举实例a组参数蓄电池功率波形示意图；
23.图11为本发明所举实例a组参数超级电容功率波形示意图；
24.图12为本发明所举实例b组参数恒功率负载功率阶跃波形示意图；
25.图13为本发明所举实例b组参数直流母线电压波形示意图；
26.图14为本发明所举实例b组参数蓄电池功率波形示意图；
27.图15为本发明所举实例b组参数超级电容功率波形示意图。
具体实施方式
28.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
29.如图1所示为本发明实施例提供的混合储能系统的变流器控制参数设计方法流程示意图，所述方法包括：
30.步骤1、设计基于恒功率负载功率调节的混合储能系统的控制策略；
31.在该步骤中，具体设计控制策略的过程为：
32.如图2所示为本发明实施例所述混合储能系统的拓扑结构示意图，针对基于恒功率负载功率调节的混合储能系统，蓄电池和超级电容分别经过双向buck-boost变换器接入直流母线，再通过lc滤波器进行滤波后连接恒功率负载；光伏微源为系统提供电能，连接在直流母线上；
33.分布式电源与恒功率负载的功率缺额通过低通滤波器分配给蓄电池和超级电容，具体是将功率的低频部分作为蓄电池的目标平抑功率，功率的高频部分作为超级电容的目标平抑功率；其中低通滤波器的滤波时间常数可由分布式电源与恒功率负载的功率差额动态调节，如图3所示为本发明实施例所述低通滤波器的控制框图，则各单元功率之间的关系如式(1)所示：
34.p
dg-p
load
＝p
bat-ref
+p
sc-ref
ꢀꢀꢀ
(1)
35.其中，p
dg
为微源发电功率；p
load
为负载功率；p
bat-ref
为蓄电池目标功率；p
sc-ref
为超级电容目标功率；
36.分布式电源与恒功率负载之间的功率差额为蓄电池和超级电容的目标平抑功率之和，采用一阶低通滤波器lpf来实现低通滤波功能，相应的传递函数为：
[0037][0038]
其中，t为滤波时间常数；s为复频率；
[0039]
p
hess
为混合储能系统需要平抑的总功率，推导得到蓄电池的目标平抑功率为：
[0040][0041]
超级电容的目标平抑功率为：
[0042][0043]
再将式(3)差分后，将其离散化，可推得：
[0044][0045][0046]
则式(3)最终转化为：
[0047][0048]
其中，ts为计算周期，在滤波过程中为固定值；
[0049]
将式(4)差分后，将其离散化，可推得：
[0050][0051][0052]
则式(4)最终转化为：
[0053][0054]
令式(10)中的p
hess
(k+1)-p
hess
(k)＝δp
hess
，则得到：
[0055][0056]
在设计控制策略时，应考虑功率波动对系统稳定性的影响，因此根据功率波动改变滤波时间常数，从而改变超级电容和蓄电池的功率分配，让混合储能系统在平抑功率的同时保证系统稳定性，具体来说：
[0057]
将分布式电源与恒功率负载的功率波动按照频率分成几个范围，每个范围对应不同的功率波动区间，即高频区(1hz及以上)、中频区(0.01～1hz)和低频区(0.01hz及以下)，分别选取满足稳定性要求的滤波时间常数t，在恒功率负载功率变化的过程中，实时改变低通滤波器的滤波时间常数t，从而改变超级电容和蓄电池的目标平抑功率，即在超级电容和蓄电池功率分配的过程中充分考虑到了恒功率负载功率对系统稳定性带来的影响，从而补偿了恒功率负载的负阻抗特性；
[0058]
如图4所示为本发明实施例所述蓄电池变换器的控制框图，蓄电池作为混合储能系统的稳压单元，起到维持直流母线电压的作用，因此采用直流母线电压外环，电感电流内环的控制方法，维持直流母线电压恒定，并实现电池充放电自动切换；
[0059]
如图5所示为本发明实施例所述超级电容变换器的控制框图，将分布式电源发出的电能与恒功率负载消耗的电能之差的高频部分作为超级电容的目标平抑功率，用功率外环加电流内环控制超级电容实际充放电功率等于目标平抑功率，低通滤波器的滤波时间常数t会实时变化，并实时输入变化的滤波时间常数t。
[0060]
步骤2、建立混合储能系统的非线性能量函数模型；
[0061]
在该步骤中，在建立函数模型之前，首先对混合储能系统进行简化，如图6所示为本发明实施例所述混合储能系统的简化模型示意图，将分布式电源等效为电流源，其功率为p
dg
，ce为直流母线上的稳压电容，其两端电压为ve；蓄电池和超级电容由于受dc-dc环节控制，故将其和dc-dc环节整体等效为一个受控电流源，其功率分别为p
bat
和p
sc
；r1、l1分别为线路等效电阻、电感；ls、rs分别为滤波电感及其等效电阻；滤波电感上流过的电流为ie；cs为滤波电容,其两端电压为vs；p
load
为恒功率负载功率，则对分布式电源、混合储能列写电压势函数：
[0062][0063]
对电阻列写电流势函数：
[0064][0065]
对恒功率负载列写电压势函数：
[0066][0067]
滤波电容上储存的能量为：
[0068][0069]
最终得到混合储能系统的非线性能量函数模型表示为：
[0070][0071]
进一步对得到的非线性能量函数模型进行检验：
[0072][0073]
由此可见，对于图6所示的简化模型，式(16)所得到的非线性能量函数模型是正确的。
[0074]
步骤3、基于所建立的非线性能量函数模型，结合混合储能系统的控制策略推导得到系统大信号稳定性判据；
[0075]
在该步骤中，首先根据混合储能系统的非线性能量函数模型式(16)，得到系统的电流势函数a(i)和电压势函数b(v)分别为：
[0076][0077][0078]
分别对式(18)、(19)进行二次偏导，可得：
[0079][0080][0081]
根据蓄电池变换器的控制策略和功率守恒原理可知：
[0082]il2
＝i
bref
＝k
p2
(v
eref-ve)+k
i2
(v
eref-ve)dt
ꢀꢀꢀ
(22)
[0083]ibat
ve＝ibvbꢀꢀꢀ
(23)
[0084]
其中，k
p2
、k
i2
为蓄电池组dc-dc环节控制单元的直流电压外环的比例环节、积分环节控制参数；ve为直流母线上稳压电容的两端电压；i
bat
为蓄电池dc/dc变换器输出电流；vb、ib为dc/dc变换器蓄电池侧的电压和电流；i
l2
为蓄电池dc/dc变换器中的电感电流；
[0085]
进一步得到：
[0086][0087]
根据超级电容变换器的控制策略和功率守恒原理可知：
[0088]il1
＝i
scref
＝k
p1
(p
scref-i
sc
ve)+k
i1
(p
scref-i
sc
ve)dt
ꢀꢀꢀ
(25)
[0089]isc
ve＝i
scvsc
ꢀꢀꢀ
(26)
[0090]
其中，k
p1
、k
i1
为超级电容dc-dc环节控制单元的功率外环的比例环节、积分环节控制参数；v
sc
、i
sc
为dc/dc变换器超级电容侧的电压和电流；i
l1
为超级电容dc/dc变换器中的电感电流；
[0091]
进一步得到：
[0092][0093]
然后根据式(20)、(21)、(24)和(27)求解系统能量函数的最小特征根，可得：
[0094][0095][0096]
其中，式(28)为电流能量函数，式(29)为电压能量函数；
[0097]
再将式(11)带入式(29)，可得：
[0098][0099]
最后推导得到混合储能系统变流器控制参数的设计约束条件为：
[0100][0101]
式(31)即为系统大信号稳定性判据。
[0102]
步骤4、根据所得到的系统大信号稳定性判据，给出超级电容dc-dc环节控制单元的功率外环比例系数k
p1
和蓄电池组dc-dc环节控制单元的电压外环比例系数k
p2
的最大取
值范围，实现混合储能系统的变流器控制参数设计。
[0103]
在该步骤中，为了补偿恒功率负载的负阻抗特性，保障直流微电网系统在大信号条件下安全稳定运行，由式(31)得出超级电容dc-dc环节控制单元的功率外环比例系数k
p1
和蓄电池组dc-dc环节控制单元的电压外环比例系数k
p2
的最大取值范围。
[0104]
其中，变流器控制参数的取值范围与恒功率负载功率p
load
，蓄电池和超级电容功率p
bat
和p
sc
，线路等效电阻、电感r1和l1，滤波电感及其等效电阻ls和rs，滤波电容cs及其两端电压vs，直流母线稳压电容ce和其两端电压ve，以及低通滤波器的滤波时间常数t都有关。
[0105]
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
[0106]
下面以具体的实例对上述参数设计方法的过程及准确性进行验证，在本实例中首先应用matlab软件搭建如图7所示的混合储能系统的等效仿真模型，混合储能系统拓扑的参数如下表1所示：
[0107]
表1系统仿真参数
[0108][0109]
按照式(31)设计的变流器控制参数能够抑制恒功率负载对系统稳定性的影响，在系统受到恒功率负载功率波动时，依然保持稳定。
[0110]
下面进行仿真验证：
[0111]
分别设计了两组控制参数，如下表2所示。a组参数满足式(31)，b组参数不满足式(31)：
[0112]
表2混合储能系统变流器控制参数
[0113][0114]
在t＝2s时，恒功率负载功率由2kw阶跃至12kw，可得到两组参数在功率阶跃后能
否保证系统稳定运行。
[0115]
a组参数是蓄电池dc-dc变换器的直流电压外环比例积分参数k
p1
为2，超级电容单元dc-dc环节控制单元直流电压外环的比例积分参数k
p1
为0.1，如图8所示为本发明所举实例a组参数恒功率负载功率阶跃波形示意图，如图9所示为a组参数直流母线电压波形示意图，如图10所示为a组参数蓄电池功率波形示意图，如图11所示为a组参数超级电容功率波形示意图，由上述图8-11可知，微电网系统的直流母线电压在功率阶跃后依然维持在400v，蓄电池和超级电容的功率波形正常，混合储能系统能够稳定运行。
[0116]
b组参数是蓄电池dc-dc变换器的直流电压外环比例积分参数k
p1
为10，超级电容单元dc-dc环节控制单元直流电压外环的比例积分参数k
p1
为0.1，如图12所示为本发明所举实例b组参数恒功率负载功率阶跃波形示意图，如图13所示为b组参数直流母线电压波形示意图，如图14所示为b组参数蓄电池功率波形示意图，如图15所示为b组参数超级电容功率波形示意图，由图12-15可知，微电网系统的直流母线电压在功率阶跃后无法维持在400v，从而导致蓄电池和超级电容的功率波形不稳定。由此可知，当储能变流器控制参数不满足判据式(31)时，混合储能系统在负载功率阶跃时不能稳定运行。
[0117]
由a组、b组控制参数的仿真结果对比可知，在相同的功率阶跃条件下，a组控制参数使得系统在经历恒功率负载阶跃的大扰动后，能够继续平稳运行；b组控制参数使得系统经历恒功率负载阶跃的大扰动后，不能保持稳定运行。由此验证了式(31)所示储能变流器控制参数约束条件是正确的。
[0118]
综上所述，本发明实施例通过对混合储能系统中的储能变流器控制参数进行优化设计，能够抑制系统中恒功率负载对系统稳定性的影响，为系统参数优化设计提供了依据。
[0119]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。