一种直流微电网分布式储能系统非线性下垂控制方法

本发明属于电气控制，具体涉及一种基于虚拟阻抗迭代的直流微电网分布式储能系统非线性下垂控制方法。

背景技术：

1、近年来，随着能源需求的不断提高以及环境问题的日益凸显，以可再生能源为主的分布式发电方式得到了广泛的重视。为应对分布式能源的随机性和间歇性，以及可靠接入的问题，微电网作为解决方案被提出。而随着分布式发电设备以及用电设备越来越趋向于直流用电，且相比于交流微电网，直流微电网不存在频率稳定和无功功率等问题，因此直流微电网成为解决能源问题的一个重要途径。

2、为维持系统输出功率和系统的稳定，直流微电网储能系统中，各储能单元(energystorage units,esus)通过电力电子接口变换器并联接入直流母线，以有利于实现系统的容量扩充和即插即用效果。

3、同时，为解决各储能单元之间荷电状态(state of charge,soc)不一致所带来的问题，业内学者提出了基于soc的自适应下垂控制，如已公开的文献《直流微电网储能系统中带有母线电压跌落补偿功能的负荷功率动态分配方法》(中国电机工程学报，vol33no.16，jun 5，2013)和《distributed control with virtual capacitance for thevoltage restorations,state of charge balancing,and load allocations ofheterogeneous energy storages in a dc datacenter microgrid》(doi:10.1109/tec.2018.2889065corpus id:116849301)，通过soc的实时变化，最终实现各储能单元soc的均衡以及负荷功率的均衡分配。

4、但上述文献未从根本上解决各接口变换器之间线路阻抗差异所带来的soc均衡误差，特别是储能系统所分担的负荷电流较大时，线路阻抗差异带来的均衡误差更加明显。

5、为此，业内学者提出了分级处理的非线性下垂控制：将整个系统分为负荷平衡级和soc均衡级的两级控制，如已公开的文献《直流微电网分布式储能系统电流负荷动态分配方法》，通过负荷平衡级控制将变换器的输出阻抗一致，从而消除不匹配线路阻抗对电流负荷分配的影响，再通过中央处理器发出切换信号，系统切换到soc均衡级控制。但这种方法在负荷平衡级运行时，需要中央处理器与各个单元之间进行通信交互信息，从而获取系统平均电流。大量的电流电压信号数据给系统带来了通信压力，而且一旦出现通信延迟或故障，则影响线路阻抗的矫正，甚至会引起系统的不稳定。

6、为此，亟需设计一种可进行线路阻抗补偿，且有效减小储能系统soc均衡误差的下垂控制方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服传统技术中存在的上述问题，提供一种直流微电网分布式储能系统非线性下垂控制方法。

2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

3、本发明提供一种基于虚拟阻抗迭代的直流微电网分布式储能系统非线性下垂控制方法，首先在自主v-i下垂控制阶段利用本地储能系统变换器的输出电流值进行虚拟阻抗迭代补偿，完成线路阻抗补偿后，由一阶离散一致性算法进行全局切换信号测算，触发自主v-i下垂控制阶段到soc均衡控制阶段的同步切换；在控制系统进入soc均衡控制阶段后，基于本地储能单元实时荷电状态的soc均衡下垂控制，从而有效减小储能系统各单元soc均衡误差。

4、进一步地，如上所述的直流微电网分布式储能系统非线性下垂控制方法，具体包括以下步骤：

5、步骤一：分布式储能单元通过接口变换器与直流母线连接，采用自主v-i下垂控制方式实现直流微电网的负荷功率动态分配，初始下垂系数能够预先设定；

6、步骤二：线路阻抗的差异导致自主v-i下垂控制下各储能单元无法均衡输出功率，储能单元接口变换器的输出电流存在偏差；根据输出电流与下垂系数、线路阻抗之间的对应关系，利用输出电流进行虚拟阻抗迭代计算，迭代得到的结果对线路阻抗差值进行补偿，从而动态调整自主v-i下垂控制的下垂系数，改变储能单元的输出电流；

7、步骤三：随着虚拟阻抗的动态调整，线路阻抗的不一致问题逐步得到矫正，当虚拟阻抗迭代计算结果的变化值连续三次触发阈值条件，则判定线路阻抗迭代补偿完成，补偿后的线路阻抗用于储能单元的自主v-i下垂控制。另外，控制系统向相邻储能单元发送迭代完成信号si，并进入切换等待区；

8、步骤四：采用分布式控制结构，各储能单元的控制器获取相邻单元的迭代完成信号si，由一阶离散一致性算法实现对全局切换信息的测算；当测算结果满足全局切换条件时，全局切换信号s0由0置为1，触发自主v-i下垂控制阶段到soc均衡控制阶段的同步切换；

9、步骤五：各储能单元切换至soc均衡控制阶段后，不再需要相邻单元之间的通信；基于本储能单元实时荷电状态，即可实现soc均衡下垂控制，soc补偿项作用于下垂控制的参考电压，soc均衡补偿项为根据soc估算值所构造的单调递增函数。

10、进一步地，v-i下垂控制与soc均衡下垂控制分阶段实现，经过电压、电流双闭环产生pwm信号，驱动并控制储能系统接口的电力电子变换器装置。

11、进一步地，步骤二和步骤五中，自主v-i下垂控制阶段和soc均衡控制阶段均无需储能单元之间的通信，仅凭自身的相关信号即可完成自主控制；步骤四中的全局切换信息测算，需要相邻储能单元之间进行通信，传递本储能单元的迭代完成信号si，最终由一阶离散一致性算法，获取全局切换信号s0；相邻储能单元之间只需传递一个数字信号，极大地降低了通信压力。

12、进一步地，步骤二中，自主v-i下垂控制的表达式为：

13、

14、其中，为第i个储能单元接口变换器的输出电压；vdc为变换器的输出参考电压；rdi为迭代过程中的虚拟阻抗；ioi为第i个储能单元接口变换器的输出电流。

15、进一步地，步骤二中，虚拟阻抗rdi迭代计算分为三个阶段：

16、虚拟阻抗增加

17、阶段：

18、母线电压恢复

19、阶段：

20、等待阶段：

21、其中，为第k次迭代完成后输出的虚拟阻抗；ki为迭代速率调节因子；ioi为储能单元接口变换器的输出电流值，t为迭代运算周期时间；m为迭代运算次数；m1为虚拟阻抗增加阶段设定的迭代运算上限次数；m2为母线电压恢复阶段设定的迭代运算上限次数；m3为迭代运算总次数；rdi1为虚拟阻抗增加阶段的虚拟阻抗值；rdi2为母线电压恢复阶段的虚拟阻抗值；ii,m为次时的输出电流采样值；为第k+1次迭代完成后输出的虚拟阻抗；

22、实现线路阻抗矫正后有如下关系：

23、rd1+rl1≈rd2+rl2≈......≈rdi+rli(i＝1,2,3......)

24、vbus＝vdc-(rd1+rl1)io1

25、＝vdc-(rd2+rl2)io2

26、......

27、＝vdc-(rdi+rli)ioi

28、其中，rdi为线路阻抗矫正完成后的下垂系数；rli为各接口变换器对应线路阻抗的阻值；vbus为母线电压。

29、进一步地，步骤五中，soc均衡控制的表达式为：

30、

31、其中，为第i个储能单元接口变换器的输出电压；vdc为变换器的输出参考电压；ioi为第i个储能单元接口变换器的输出电流；rdi为线路阻抗矫正完成后的最终下垂系数；f(soci)为soc均衡补偿项，能够简单表述为一类单调递增函数：

32、

33、其中，n是调节soc均衡速度的调节因子；ρ为电压调节因子；soci为第i个储能单元的荷电状态。

34、进一步地，步骤四中，一阶离散一致性算法的表达式为：

35、

36、其中，aij是从节点j到i进行信息交换的通信权重，yi代表被观测变量，即各单元的本地迭代完成信息，yj代表节点j的被观测变量；λ为收敛系数；m为节点数量。

37、本发明的有益效果是：

38、1、本发明提出了基于虚拟阻抗迭代的非线性下垂控制方法，通过虚拟阻抗迭代对线路阻抗不一致的问题进行了处理，以此降低储能系统soc均衡的误差，并且该方案在系统充电和放电两种工作状态均适用，且可保证母线电压的波动始终在允许范围内。

39、2、本发明提出的非线性下垂控制方法在v-i下垂控制阶段和soc均衡控制阶段均无需储能单元之间的通信，仅凭自身的相关信号即可完成自主控制；相邻储能单元之间只需传递一个迭代完成信号，大大降低了分布式储能单元之间的通信压力。且即使通信出现异常，本地储能单元依旧进行虚拟阻抗迭代，不会影响本身的稳定性。

40、3、本发明设计了切换判定条件用于线路阻抗迭代补偿完成的判定，确保线路阻抗得到有效补偿，在控制单元由虚拟阻抗迭代控制切换到soc均衡控制后，有效降低各储能单元之间soc均衡误差。

41、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。