一种应用于混合储能系统的基于输出阻抗的虚拟电容的动态下垂控制策略

背景技术：

1、近年来，随着能源危机和环境污染的日益严重和国家对新能源的大力支持。微电网(micr ogrid,mg)是将ders、储能系统(energy storage,ess)和负载集群集成在一起的关键技术，由于大多数der、ess和负载本身都是直流的，因此直流微电网(dc microgrid,mg)对ress的整合起着重要作用。然而，可再生能源(res)的固有的间歇性和剧烈波动等特性严重影响了电能质量和系统稳定性。为了填补这一空白，缓冲功率振荡，通常在直流mg中引入储能系统(ess)，提高系统的稳定性和可靠性。不同的储能系统具有不同的能量密度、功率密度、响应时间、生命周期、成本等。为了弥补单一类型储能系统的性能限制，具有互补特性的混合储能系统(hess)已被证明是一种有效且经济的解决方案，同时具有快速的动态性能、高功率和大能量供应。

2、在基于电池和超级电容的混合储能系统中，如何有效地将正确的功率分配给电池或sc是一个很大的挑战。具体来说电池能量密度高，动态响应慢，主要用于提供长期的电力需求；超级电容器功率密度高、但能量密度低，主要用于补偿暂态功率波动。而虚拟电容下垂控制策略是混合储能系统最常用的功率分配方法，将电池和超级电容的电流补偿表达式表示成一个低通滤波器和一个高通滤波器的组合，成而合理的将负载电流的低频和高频部分分别分配给电池和超级电容，用来实现电池和超级电容的混合储能系统的负荷分担。但是上述算法没有考虑到系统的动态性能，缺乏在不影响功率调节的情况下控制不同工况下快速响应跟踪信号的能力。

3、本文针对直流微电网在传统虚拟电容下垂控制只能实现稳态下的电池和超级电容的功率共享，没有考虑动态时快速响应跟踪信号的能力的问题，将动态下垂控制和虚拟电容下垂控制结合，提出了一种动态虚拟电容下垂控制方案。在电池的功率共享控制器中采用改进的动态下垂函数，具有可控制的动态下垂特性。所提出的下垂函数增加了一项可自适应调节的导数项。通过这种配置，在系统处于动态时，功率的分配将在虚拟电容的动态下垂特性中通过等效pi控制进行动态控制。同时在系统稳态时，附加的导数项变成0，不会影响dj对不同能源间的负荷分担要求。因此，在不影响dj所设定的稳态调节性能的情况下，通过改变md即可获得所需的动态性能。通过对系统阻抗的分析可以得到，增加了一项可自适应调节的导数项，其实是在系统的输出阻抗上增加了一个零点，从而使得原系统的输出阻抗波德图中的幅频曲线抬升，提高了原系统的带宽频率，使得系统的响应速度变快。

技术实现思路

1、针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于针对混合储能系统所存在的虚拟电容控制没有考虑动态时的功率共享的问题，引入了一项可自适应调节的导数项，在不影响系统稳态功率分配的条件下，加快了系统的响应速度。并在此基础之上，通过分析虚拟电容下垂控制和虚拟电容的动态微分下垂控制的输出阻抗的波德图，得到引入的导数项带来的系统动态性能的提升，并最终针对所提出的控制策略设计虚拟电容的动态微分下垂控制调节系统，控制混合储能系统的功率分配。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、1.一种应用于混合储能系统的基于输出阻抗的虚拟电容的动态下垂控制策略，其特征在于：

4、1)通过选取一个电池和超级电容(super-capacity,sc)组成的混合储能系统，通过现有的基于虚拟电容的下垂控制方法，把传统下垂控制的下垂系数dj看作是虚拟电阻，并且把虚拟电阻替换为虚拟电容，得到虚拟电容的下垂控制器的v/i关系为：

5、

6、式中vj和ij为第j个源的变换器输出电压和电流，vref为标称母线电压，cj为对应的虚拟电容。

7、其中电池与sc的输出v/i关系表示为：

8、

9、式中,voj与ioj分别为源变换器的输出电压和输出电流。r1为电池对应的下垂系数，可以看作是虚电阻。vref为直流母线的参考标称电压，io1与io2分别为电池和超级电容的输出电流。

10、2)电池与sc通过dc-dc变换器连接到电网，得出变换器通过虚拟电容下垂控制实现功率分配时，变换器的输出阻抗的表达式。电池通过变换器的输出阻抗为：

11、

12、其中ωv1为电压控制环的控制带宽，r1为虚拟电阻，c1为变换器输出电容，η为一极小值，通常取值在1/10至1/5之间。电池通过变换器的输出阻抗为：

13、

14、整个系统的输出阻抗为：

15、

16、3)基于传统虚拟电容下垂控制的电压/电流(v/i)关系上，加入一个微分下垂项，得到虚拟电容的动态下垂关系，具体公式如下所示:

17、

18、其中md为自适应暂态下垂增益。

19、4)基于上述的功垂关系，得出变换器的输出阻抗的表达式。改进后系统的输出阻抗可以表示为:

20、

21、

22、

23、5)根据步骤3)所提出的动态微分下垂控制策略，对电池与sc的混合储能储能的功率重新进行分配，针对该系统功率发生变动时，所提出的改进的下垂控制可以迅速发生响应。

24、在电池和超级电容的混合储能系统，存在以下关系：

25、io1+io2＝io

26、其中io为直流母线的母线电流。

27、联合电池与sc的输出v/i表达式和电流关系得到：

28、

29、其中g1(s)的形式为一个低通滤波器，而g2(s)的形式为一个高通滤波器。因此，负载电流的低频和高频部分分别分配给电池和sc。

30、2.如权利要求1所述的基于输出阻抗的虚拟电容的动态下垂控制策略，其特征在于，步骤1)的具体内容为：

31、基于电池和超级电容的混合储能系统，存在以下关系：

32、io1+io2＝io

33、其中io为直流母线的母线电流。

34、联合电池与sc的输出v/i表达式和电流关系得到：

35、

36、其中g1(s)的形式为一个低通滤波器，而g2(s)的形式为一个高通滤波器。因此，负载电流的低频和高频部分分别分配给电池和sc。其拐角频率下式给出：

37、

38、和传统下垂控制的控制框图类似，电池和sc子系统都通过boost变换器连接到直流微电网，在理想情况下，每个变换器系统被视为一个理想电压源，以调节直流母线电压。单个变换器控制采用最常用的双环控制。而虚拟电容下垂控制可以视为：在传统双环控制的基础上，再额外多加一个虚拟电容的环路在最外层，并通过虚拟电容下垂特性产生变换器的参考输出电压。

39、考虑boost变换器双环控制的等效控制框图，并将电流控制的开环传递函数可以看作增益为1，电压控制回路可简化为下式：

40、

41、其中gvx(s)为电压控制环。

42、同时将开环电压传递函数在控制带宽处ωvx处的增益应为0db。可以得到系统闭环传递函数为：

43、

44、虚拟电容下垂控制的等效控制框图就是在双环控制的基础上在加一个虚拟电容的功率环，根据虚拟电容的下垂特性改变电压环的参考输出电压。在虚拟电容下垂控制中，电池和超级电容的功率环分别是虚拟电阻和虚拟电容虚拟电阻，表示为：

45、

46、考虑内电压控制回路，第j源变换器的输出阻抗可以表示为：

47、

48、根据上述推导，得到化简后得到电池、sc、混合系统的输出阻抗：

49、

50、

51、

52、3.根据权力2中电池、sc、混合系统的输出阻抗可以看出，zo1(s)和zo2(s)由ts1(s)和ts2(s)形成，ts1(s)和ts2(s)的极点为电压控制环的交叉频率，所以不影响电压控制带宽内的阻抗。

53、因此，ts1(s)和ts2(s)的影响取决于零点的位置。ts1(s)在ωz1处有一个零点，ts2(s)在ωz2,3处有两个零点，表示为：

54、

55、

56、定义转角频率ωc以内的频率范围为低频范围，ωc与ωvx之间的频率范围为高频范围。ts1(s)在ωz1处的零点应大于ωc，使zo1(s)在低频范围内表现为虚电阻，保留了虚电阻的特性。为保证zo2(s)表现为虚电容，应在高频量程后设置两个ωz2,3的零点。基于虚拟电容的动态下垂控制策略具体思想为：由系统的输出阻抗可知，下垂增益r1对功率调节和系统的零点分布都有影响。虚拟电容下垂控制器没有考虑不同工况下快速响应跟踪信号的能力。虚拟电容的动态下垂控制策略额外增加了一个2自由度可调参数，其中下垂增益r1被选择来调节功率，而自适应动态下垂增益md可以自适应地调节不同工作条件下的动态性能。在虚拟电容的动态下垂控制中，go(s)可以表示为：

57、

58、得到改进后电池、sc、混合系统的输出阻抗表示为：

59、

60、

61、

62、4.根据权力3中最终提出的调制策略，从改进后系统的输出阻抗可以看出来，虚拟电容的动态下垂控制的系统的阻抗传递函数是两个极点相同的二阶系统，zo1(s)有两个极点we1,we2和两个零点wz2，wz3。

63、

64、

65、通过对系统输出阻抗的bode图进行分析，可以得到：在低频率时，虚拟电容下垂控制和虚拟电容的动态下垂控制的增益都是一条直线，阻抗表现为纯阻性，这意味着在负载稳定时，两种控制方法具有相同的低频响应，也说明虚拟电容的动态下垂控制不会影响稳态时下垂增益r1对能量的分配。在高频范围内，系统的输出阻抗zo(s)以sc的输出阻抗zo2(s)为主，这就说明，通过增加一个自适应参数，没有改变将负载电流的低频和高频部分分别分配给电池和超级电容实现分配的目的。同时，增加零点后，使幅频特性曲线抬升，并且提高系统的带宽。当系统带宽增加时，系统响应的速度也会加快。

66、5.本专利提出了一种应用于混合储能系统的基于输出阻抗的虚拟电容的动态下垂控制策略，其特征在于，包括电池和超级电容组成的混合储能系统和虚拟电容下垂控制的控制电路，所述的混合储能系统由一个电池和一块超级电容通过boost变换器连接到微电网系统，虚拟电容的动态下垂控制的控制电路通过三个控制环路分别控制电池和超级电容的boost变换器的控制的电压的占空比d1与d2，其范围为0<d1<1、0<d2<1；每个开关管的栅极与驱动电路的输出端相连接，且同一变换器的两只开关管交替导通，电感l的一端与igbt的一段以及输出电容相连接，输入电容cin与输出电容cout分别与输入电压vj与输出电压voj的正负极相连接。虚拟电容的下垂控制的三个控制环路从内到外分别为功率环，电压环和电流环。