考虑储能荷电状态的交直流微电网稳定性控制方法

1.本发明涉及电力系统稳定性控制技术领域，尤其涉及一种考虑储能荷电状态的交直流微电网稳定性控制方法。


背景技术：

2.目前，针对单侧微网内储能系统的研究较多且以电池电压或荷电状态控制储能运行状态，其中，交流测储能主要采用p-f下垂控制，直流侧储能主要采用u-i下垂控制，对于储能下垂系数的设置大多采用固定系数或者单一函数调节。对于互联变换器的控制主要采用电压外环与电流内环控制，以达到功率的双向流动。
3.现有技术具有以下缺点:
4.1、仅通过电池电压或荷电状态控制储能运行状态，没有考虑储能运行时其他环境因素的综合影响。
5.2、对于储能下垂系数的调节，多采用固定系数或单一函数调节，没有重视储能soc的不同区间变化。
6.3、未利用储能灵活控制特性补偿因外部条件而造成的微网波动问题。
7.4、未考虑因外部环境变化微电网响应速度问题。


技术实现要素：

8.针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种考虑储能荷电状态的交直流微电网稳定性控制方法，在应对分布式电源(dg)出力变化、负荷变化、单侧储能无法工作的情况时，保持系统的频率与电压的稳定的同时，加快微网的响应速度，增强微网的动态性能。
9.为了实现上述目的，本发明提供一种考虑储能荷电状态的交直流微电网稳定性控制方法，包括步骤：
10.s1：通过对一交直流混合微电网的储能的电池电压、母线电压和荷电状态的优先级顺序判断所述储能运行状态；
11.s2：对所述储能的荷电状态进行分级并设置连续不同变化趋势的改进下垂系数，所述改进下垂系数随着所述荷电状态动态调整；
12.s3：对于交流侧所述储能采用多区域频率补偿性下垂控制，设置频率死区与频率偏移量分区调整参考有功功率；
13.s4：对于直流侧所述储能采用电压补偿性下垂控制，设置电压偏差量动态调整母线电压；
14.s5：针对互联变换器采用归一化的功率外环控制与电流内环控制策略；
15.s6：在matlab和simulink环境下建立风机、光伏、储能和负荷的交直流混合微电网仿真模型，验证策略的有效性。
16.优选地，所述s2步骤中，所述荷电状态满足公式：
[0017][0018][0019]
其中，k
b_c
与k
b_d
分别为ess的充电下垂系数和放电下垂系数；soc
max
、soc
high
、soc
low
、soc
min
分别代表所述储能的所述荷电状态的90％，70％，40％，20％；这里，a为控制系数，a＝0.36；soc表示所述荷电状态。
[0020]
优选地，所述s3步骤中，将所述储能的参考功率与交流侧频率特性进行分析，添加一个频率偏移量，所述频率偏移量的表达式为：
[0021][0022]
其中，fn表示所述频率偏移量，f
su_max
为交流侧的最大频率，f
su_min
为交流侧的最小频率；f
min
与f
max
表示微网系统所允许的最小与最大频率；
[0023]
将所述频率偏移量与频率补偿下垂控制结合，得到最终的包含soc控制的ess有功功率参考值公式：
[0024][0025]
其中，p
ref
表示交流侧参考有功功率，f表示微网系统频率，kb表示改进的储能下垂控制系数，δf表示交流侧储能功能工作的频率死区，f0表示交流侧储能正常工作的标准频率。
[0026]
优选地，所述s4步骤中，引入电压补偿环节提升直流母线电压质量，将所述直流母线电压的实际值与参考值的差经过pi调节后添加到下垂控制器的参考电压上，得到补偿性u-i下垂控制的表达式：
[0027]udc
＝u
dc_ref-i
dcrdroop_dc
+du
[0028][0029]
其中，u
dc_ref
是直流侧参考母线电压；u
dc
是母线电压；du是直流母线偏差；i
dc
是ess的输出电流；r
droop_dc
是直流侧ess的u-i下垂控制的下垂系数；k
p
与ki是pi控制器的比例系数和积分系数。
[0030]
优选地，所述s5步骤中，所述电流内环的前馈环节添加二阶adrc控制器；所述adrc控制器包括一跟踪微分器、一非线性误差反馈器和一扩张状态观测器；通过跟踪微分器、所述非线性误差反馈器和所述扩张状态观测器共同作用，控制对象由扰动补偿环节后得到：
[0031][0032]
其中，y
*
表示adrc控制器的误差输出量，u0表示非线性误差反馈器的输出控制量，z3(t)表示扰动观测量，b0表示控制量u0的放大系数。
[0033]
优选地，所述跟踪微分器的离散形式为：
[0034][0035]
其中，v0(i)是目标值，h0为滤波因子，r为速度因子，fh表示跟踪微分器的函数表达式简称，v1(i)表示跟踪输入的状态变量，v2(i)表示跟踪输入的导数的状态变量，通过改变h0、r的值调节目标对象的收敛速度。
[0036]
优选地，所述非线性误差反馈器的数学模型为：
[0037]
u＝β
n1
·
fal(e1,α,δ)+β
n2
·
fal(e2,α,δ)
ꢀꢀ
(8)；
[0038][0039]
其中，β
n1
、β
n2
为两个误差的反馈增益；e表示跟踪误差，δ表示滤波常数，u表示非线性误差反馈器的输出控制量，α为非线性因子。
[0040]
优选地，所述扩张状态观测器的数学模型为：
[0041][0042]
其中，e表示跟踪误差，z1、z2、z3表示扩张状态观测器的输出量，y表示控制对象，即本发明的d轴电流的反馈值，fe、fe1表示不同非线性因子的fal函数，，β1、β2、β3表示观测器的比例系数，b0表示表示控制量u的放大系数，h为滤波因子。
[0043]
优选地，所述s5步骤中：
[0044][0045]
p
mic_ref
＝-k
dc_micudc_pu
+k
ac_
micf
pu
ꢀꢀ
(12)；
[0046]
其中，f
pu
、u
dc_pu
为归一化处理后的频率和直流母线电压，f
max
、f
min
为频率允许的最大值和最小值，u
max
、u
min
为直流母线电压允许的最大值和最小值，k
dc_mic
、k
ac_mic
为直流侧和交流侧的下垂系数，p
mic_ref
为互联变换器的参考有功功率；当负荷随机投切或分布式电源出力变化时，所述交直流混合微电网经过互联变换器对功率重新分配，使频率和电压达到新的平衡状态。
[0047]
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
[0048]
现有技术针对储能充放电状态的控制方法，主要通过电池电压或荷电状态来判断其充放电状态，此判断方法比较局限，本发明将电池电压、直流母线电压、荷电状态进行优先级排序法进行判断。
[0049]
现有技术在利用储能平衡微电网功率时，未全面考虑交直流两侧储能的频率、电压的补偿效果，而本发明利用交流测储能的频率多区域补偿性下垂控制及直流侧储能电压补偿性下垂控制，充分利用储能灵活调节的特性，增强微电网的动态性能。
[0050]
现有技术针对互联变换器的控制方法，大多单独使用下垂控制或者扰动观测器，且适用场景较理想，并没有考虑具体分布式电源的发电状态，现实适用性较低。而本发明针对互联变换器采用外环功率共享控制，前馈内环二阶adrc电流控制，在光伏、风机出力变化下平衡了交直流两侧的功率分配，加快了系统的响应速度。
附图说明
[0051]
图1为本发明实施例的交直流混合微电网拓扑结构图；
[0052]
图2为本发明实施例的储能运行状态控制流程图；
[0053]
图3为本发明实施例的储能充放电下垂系数曲线；
[0054]
图4为本发明实施例的adrc控制器模型示意图；
[0055]
图5为本发明实施例的adrc控制策略框图。
具体实施方式
[0056]
下面根据附图图1～图5，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
[0057]
请参阅图1～图5，本发明实施例的一种考虑储能荷电状态的交直流微电网稳定性控制方法，包括步骤：
[0058]
s1：通过对一交直流混合微电网的储能5的电池电压、母线电压和荷电状态的优先级顺序判断储能5运行状态；
[0059]
s2：对储能5的荷电状态进行分级并设置连续不同变化趋势的改进下垂系数，改进下垂系数随着荷电状态动态调整；可以有效避免过充过放的情况发生，延长储能5使用寿命。
[0060]
其具体控制系数与荷电状态(soc)之间满足公式：
[0061][0062][0063]
其中，k
b_c
与k
b_d
分别为ess的充电下垂系数和放电下垂系数；soc
max
、soc
high
、
soc
low
、soc
min
分别代表储能5的荷电状态的90％，70％，40％，20％；这里，a为控制系数，a＝0.36；soc表示荷电状态。
[0064]
s3：对于交流侧储能5采用多区域频率补偿性下垂控制，设置频率死区与频率偏移量分区调整参考有功功率；
[0065]
对于交流侧储能5采用多区域频率补偿性下垂控制，将储能5的参考功率与交流侧频率特性进行分析，由于负载变化导致微网频率产生大的波动，交流侧的最大最小频率变为f
su_max
及f
su_min
，从而使ess建立在新的工作点，所以需要在上述策略中添加一个频率偏移量fn，频率偏移量fn的表达式为：
[0066][0067]
其中，fn表示频率偏移量，f
su_max
为交流侧的最大频率，f
su_min
为交流侧的最小频率；f
min
与f
max
表示微网系统所允许的最小与最大频率；
[0068]
将频率偏移量与频率补偿下垂控制结合，得到最终的包含soc控制的ess有功功率参考值公式：
[0069][0070]
其中，p
ref
表示交流侧参考有功功率，f表示微网系统频率，kb表示改进的储能下垂控制系数，δf表示交流侧储能功能工作的频率死区，f0表示交流侧储能正常工作的标准频率。
[0071]
s4：对于直流侧储能5采用电压补偿性下垂控制，设置电压偏差量动态调整母线电压；
[0072]
u-i下垂控制通过引入电流反馈和虚拟电阻，来达到修正直流母线电压参考值的目的，但是会使电压精度下降，为了解决这个问题，引入电压补偿环节提升直流母线电压质量，将直流母线电压的实际值与参考值的差经过pi调节后添加到下垂控制器的参考电压上，得到补偿性u-i下垂控制的表达式：
[0073]udc
＝u
dc_ref-i
dcrdroop_dc
+du
[0074][0075]
其中，u
dc_ref
是直流侧参考母线电压；u
dc
是母线电压；du是直流母线偏差；i
dc
是ess
的输出电流；r
droop_dc
是直流侧ess的u-i下垂控制的下垂系数；k
p
与ki是pi控制器的比例系数和积分系数。
[0076]
s5：针对互联变换器采用归一化的功率外环控制与电流内环控制策略；
[0077]
其中，电流内环的前馈环节添加二阶adrc控制器；一定程度上改善了混合微电网的动态性能并使其具有更强的抗干扰能力。adrc控制器通过比较期望信号和实际信号误差的大小和方向来实现控制，从而通过“误差消除误差”，adrc控制器包括一跟踪微分器、一非线性误差反馈器和一扩张状态观测器；
[0078]
其中，跟踪微分器的离散形式为：
[0079][0080]
其中，v0(i)是目标值，h0为滤波因子，r为速度因子，fh表示跟踪微分器的函数表达式简称，v1(i)表示跟踪输入的状态变量，v2(i)表示跟踪输入的导数的状态变量，通过改变h0、r的值调节目标对象的收敛速度。
[0081]
其中，fhan函数表达式为：
[0082]
u＝fhan(v1,v2,r,h):
[0083][0084]
非线性误差反馈器显著地提高了反馈的效率与精度，其数学模型为：
[0085]
u＝β
n1
·
fal(e1,α,δ)+β
n2
·
fal(e2,α,δ)
ꢀꢀ
(8)；
[0086][0087]
其中，β
n1
、β
n2
为两个误差的反馈增益；e表示跟踪误差，δ表示滤波常数，u表示非线性误差反馈器的输出控制量，α为非线性因子。
[0088]
扩张状态观测器(eso)是adrc的关键环节，该观测器在不清楚系统模型及综合干扰的情况下，也可实时地观测系统运行状态，适用于大部分的控制工程问题。其数学模型为：
[0089][0090]
其中，e表示跟踪误差，z1、z2、z3表示扩张状态观测器的输出量，y表示控制对象，即本发明的d轴电流的反馈值，fe、fe1表示不同非线性因子的fal函数，，β1、β2、β3表示观测器的比例系数，b0表示表示控制量u的放大系数，h为滤波因子。
[0091]
通过跟踪微分器、非线性误差反馈器和扩张状态观测器共同作用，控制对象由扰动补偿环节后得到：
[0092][0093]
其中，y
*
表示adrc控制器的误差输出量，u0表示非线性误差反馈器的输出控制量，z3(t)表示扰动观测量，b0表示控制量u0的放大系数。
[0094]
功率外环控制采用交流子网频率、直流子网电压作为下垂变量，经过归一化处理后，得到的参考功率经pi控制后与dq轴电流送进adrc中，采用svpwm控制技术控制三相全桥逆变电路的开关信号，同时反馈于频率和电压进行调节，继而控制有功功率流动，其具体表达式为：
[0095][0096]
p
mic_ref
＝-k
dc_micudc_pu
+k
ac_micfpu
ꢀꢀ
(12)；
[0097]
其中，f
pu
、u
dc_pu
为归一化处理后的频率和直流母线电压，f
max
、f
min
为频率允许的最大值和最小值，u
max
、u
min
为直流母线电压允许的最大值和最小值，k
dc_mic
、k
ac_mic
为直流侧和交流侧的下垂系数，p
mic_ref
为互联变换器的参考有功功率；当负荷随机投切或分布式电源出力变化时，交直流混合微电网经过互联变换器对功率重新分配，使频率和电压达到新的平衡状态。
[0098]
s6：在matlab和simulink环境下建立风机3、光伏4、储能5和负荷的交直流混合微电网仿真模型，验证策略的有效性。
[0099]
(1)验证储能5下垂系数的自适应性。
[0100]
为了验证储能5下垂系数的动态调整自适应性，通过分布式电源出力使储能5soc由20％充电到90％。
[0101]
可知，分别将储能5soc的20％，40％，70％，90％对应的时间点在soc曲线图中标注并将对应时间点的soc变化率的值在soc变化率曲线图中标注，其中ksoc为soc变化率。从soc变化趋势及标注的数据可以看出，soc变化率随着储能5soc的增加而降低，且降低速度缓慢加快。仿真结果表明，所提储能5自适应下垂系数控制策略，能较好地贴合储能5的运行状态，自适应调节储能5充放电运行能力，减少对储能5系统的损害。
[0102]
(2)验证bfvc-adrc控制策略的有效性。
[0103]
a、仿真场景1：储能5正常运行与过放状态的转换。
[0104]
为验证所提bfvc-adrc策略在风机3、光伏4与负荷出力变化的情况下，储能5系统能顺利在正常运行与过放状态之间转化，并且维持交流频率、直流电压、储能5工作状态以及mic传输功率稳定。将传统控制(tdc)、只有电池频率电压补偿控制(bfvc)、电池频率电压补偿与自抗扰控制器(bfvc-adrc)联合控制进行对比。
[0105]
设置直流侧储能5的初始soc为20.02，交流侧储能5的初始soc为20.12。初始时刻，交直流两侧负荷维持在100kw，光伏4在0.5s时从80kw增加到110kw，随后直流侧负荷在1s时增加到130kw；风机3在2s时从80kw增加到110kw，随后交流侧负荷在2.5s时增加到130kw。
[0106]
结果，传统控制的部分工作状态波动较大，很不稳定，故不详细列出；采用bfvc控制方法在维持频率方面有较好的表现，但是在功率分配方面较为混乱，储能5不能顺利转换工作状态。开始工作时，所提策略在功率响应速度方面明显比其它两种方法更加快速，此时交直流两侧储能5均正常为负荷提供20kw。随后直流侧储能5在0.35s时停止运行(soc≤20％)，交流侧储能5为直流负荷7提供约35kw的功率，即mic向直流子网传输功率20kw。0.5s时，光伏4出力增加为直流侧储能5充电，mic保持静默状态。1s时，直流侧负荷增加，直流侧储能5重新放电并于1.4s达到过放状态(soc≤20％)，此时，交流侧储能5与mic为直流侧传输功率以维持稳定运行。同理，在风机3与交流侧负荷出力变化下，交流侧储能5分别在1.7s与2.8s达到过放状态，直流侧储能5输出40kw(其中20kw提供给直流侧负荷)，mic向交流子网传输功率20kw。在外部条件改变的时候母线电压与系统频率稍有波动，但都控制在稳定运行的范围内。上述结果表明本文所提bfvc-adrc策略在储能5正常运行与过放状态的转换过程中，对比于其他两种方法在平衡功率分配的同时减少了响应时间，并且减少了电压与频率的波动幅度，使微网更快达到稳定状态。
[0107]
b、仿真场景2：储能5正常运行与过充状态的转换。
[0108]
为验证所提bfvc-adrc策略在储能5正常运行与过充状态转换的场景，设置直流侧储能5的初始soc为89.99，交流侧储能5的初始soc为89.93。初始时刻，光伏4与风机3维持在150kw，交直流两侧负荷维持在100kw；直流侧负荷在0.5s时增加到130kw，随后光伏4在1.5s时从150kw减少到110kw；交流侧负荷在2s时增加到130kw，随后风机3在3s时从150kw减少到110kw。
[0109]
结果，开始工作时，所提策略在此仿真场景下功率响应速度依旧明显比其它两种方法更加快速，此时交流侧储能5均正常，各侧dg为其提供20kw。随后在dg与负荷出力变化下，直流侧储能5分别在0.2s、1.3s时达到过放状态(soc≥90％)，mic向交流侧传输功率20kw，交流侧储能5以40kw的功率继续充电；交流侧储能5分别在1.6s与2.8s达到过放状态，mic向直流侧传输功率20kw，此时直流侧储能5恢复正常充电状态，并以40kw的功率充电。其余时间段mic保持静默状态。值得注意的是，采用bfvc控制方法由于mic传输功率不平衡导致负荷消耗量减少，进而使交流侧储能5更早进入过充状态。bfvc与bfvc-adrc方法较传统方法对维持母线电压与系统频率稳定有明显的有效性。
[0110]
请参阅图1，图1为交直流混合微电网拓扑结构，包括：交流母线1、直流母线2、风机3、光伏4、储能5、交流负荷6和直流负荷7；其中风机3采用背靠背式功率变换器连接到交流母线1上，前级变换器中mppt采用最佳功率曲线法，后级变换器采用电压/无功功率外环、电
流内环的控制方式控制直流侧电压稳定。光伏4通过dc/dc连接到直流母线上，其中mppt算法采用扰动观察法，通过控制端口输出电压来控制输出功率。
[0111]
请参阅图1和图2，此控制方法的第一优先级为储能电池电压u
bat
，当230v≤u
bat
≤277v，储能5处于充放电自由运行状态；当u
bat
＜230v时，储能5处于缺电状态；当u
bat
＞277v时，储能5处于满电状态。第二优先级为母线电压，第三级为储能荷电状态(soc)，三级结合判断储能5运行状态，避免过放过充状态发生，保障储能5系统安全运行。
[0112]
请参阅图3，当soc缺额比较大时，充电系数的下降速度比soc的上升速度慢，这能降低系统的电压与频率的波动。当soc介于0.7和0.9之间时，充电系数的下降速度比soc的上升速度快，此阶段主要是维持soc稳定，避免充电速度过快造成ess损坏。
[0113]
请参阅图4，adrc控制器模型，相较于pid控制器在功率波动大的情况下，有较好的缓冲处理。
[0114]
请参阅图5，adrc控制策略框图，针对互联变换器(mic)采用归一化的功率外环控制与电流内环控制策略，其中电流内环前馈环节添加二阶adrc控制器，一定程度上改善了混合微电网的动态性能并使其具有更强的抗干扰能力。
[0115]
本实施例中，交直流混合微电网的系统参数如表1所示：
[0116]
表1系统参数表
[0117][0118]
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。