适用于离网型直流微电网电压控制的混合储能控制方法

摘要

本发明公开了一种适用于离网型直流微电网电压控制的混合储能控制方法。所述混合储能系统由超级电容、蓄电池及各自的双向DC‑DC变换器组成。所述控制方法中：超级电容储能系统采用电压‑功率下垂控制，维持直流微电网母线电压稳定；蓄电池储能系统根据直流母线电压变化，对超级电容的剩余容量进行实时估计和调整，间接对系统中的非瞬时性功率波动进行补偿。本发明的有益效果：发挥了混合储能系统中各储能装置的性能优势，提高了超级电容的可持续调节能力，平滑了蓄电池的电流。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于离网型直流微电网电压控制的混合储能控制方法，属于储能控制与应用技术领域。

背景技术

微电网的提出为高比例可再生能源的分布式接入提供了平台。随着风力发电、光伏发电等分布式电源的渗透率不断提高，微电网的运行稳定性受到了严峻的挑战。为了解决微电网中电源和负荷的随机性、波动性和不确定性，提高微电网运行的稳定性，通常需要在系统中增加储能装置。由于储能性能的限制，目前单一储能介质仍无法同时满足系统在能量和功率两方面的需求，因此混合储能系统成为当前研究和应用的重点。

现有的针对混合储能的研究成果中，混合储能系统主要采用功率指令控制模式，将系统中的不平衡功率作为混合储能的调节指令，通过采用不同的滤波算法，得到其中的高频分量和低频分量，分别作为混合储能中的功率型储能单元和能量型储能单元的控制指令。然而，当微电网离网运行时，通常需要由储能系统直接参与系统电压和频率的调节，维持系统运行的稳定。所以，功率指令控制模式将不再适用。

因此，针对含分布式电源接入的离网型微电网，研究混合储能系统的控制方法，对于提高系统的运行稳定性，优化系统的能量管理具有重要现实意义。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适用于离网型直流微电网电压控制的混合储能控制方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种适用于离网型直流微电网电压控制的混合储能控制方法，包括如下步骤：

步骤一：超级电容储能系统的控制；

步骤二：蓄电池储能系统的控制。

所述步骤一包括：

1a：根据微电网直流母线电压参考值U_ref、超级电容输出功率实时值P_SC和电压下垂控制系数A，计算得到超级电容储能系统电压控制指令值U₀；

1b：将电压控制指令值U₀与微电网直流母线实际电压的采样值U_dc相减，对二者的差值进行PI调节，得到内环电流控制的参考值；当微电网直流母线电压U_dc低于指令值U₀时，得到的内环电流控制的参考值为正值，超级电容工作于放电状态，对微电网直流母线上缺少的功率进行补偿；当检测到直流母线电压U_dc高于指令值U₀时，得到的内环电流控制的参考值为负值，超级电容工作于充电状态，对直流母线上多余的功率进行吸收；

1c：将内环电流控制的参考值与超级电容电流采样值的平均值相减，对二者的差值进行PI调节，得到超级电容储能系统中双向DC-DC变换器的控制指令，对相应的功率器件进行控制。

作为优选方案，所述级电容储能系统电压控制指令值U₀计算过程的表达式为：

U₀＝U_ref-AP_sc。

所述步骤二包括：

2a：根据超级电容储能控制系统中的电压下垂控制系数A、微电网直流母线实际电压的采样值U_dc和微电网直流母线电压额定值U_ref，计算得到超级电容剩余容量变化的估计值

2b：以0为参考值，为实际值，对二者的差值进行PI调节，得到蓄电池电流的参考值；当时，得到的电流参考值为正值，此时超级电容累积释放的能量大于其累积吸收的能量，蓄电池进行放电，将超级电容的剩余容量上调至初始值；当时，得到的电流参考值为负值，此时超级电容累积释放的能量小于其累积吸收的能量，通过控制蓄电池的充电，将超级电容的剩余容量下调至初始值；

2c：为了避免蓄电池充/放电电流突变，影响电池的循环寿命，利用斜率限制环节对蓄电池电流的参考值的变化率进行限制，防止实际运行中蓄电池的电流变化太快；

2d：将经斜率限制环节处理后的蓄电池电流的参考值与蓄电池电流采样值的平均值相减，对二者的差值进行PI调节，得到蓄电池系统中双向DC-DC变换器的控制指令，对相应的功率器件进行控制。

作为优选方案，所述超级电容剩余容量变化的估计值计算过程的表达式为：

有益效果：本发明提供的适用于离网型直流微电网电压控制的混合储能控制方法，采用超级电容对直流微电网母线电压进行控制，保证了混合储能系统对直流母线电压波动的快速响应和补偿能力；利用蓄电池对超级电容的容量进行调整，提高了超级电容的可持续调节能力，同时实现了蓄电池的充/放电电流平滑，有利于延长蓄电池循环寿命。此外，本发明的混合储能系统控制方法基于本地电压信息，原理简单、易于实现，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的离网型直流微电网及混合储能系统的结构框图。

图2是本发明的适用于离网型直流微电网电压控制的混合储能控制方法框图。

图3是本发明的适用于离网型直流微电网电压控制的混合储能控制方法在负载侧功率发生波动时的仿真波形图。

图4是本发明的适用于离网型直流微电网电压控制的混合储能控制方法在电源侧功率发生波动时的仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明以一个简化的离网型直流微电网为研究对象，该微电网主要由光伏阵列、单向DC-DC变换器、蓄电池、超级电容、双向DC-DC变换器、负载等部分组成。其中，光伏阵列经单向DC-DC变换器接入直流母线，正常情况下，单向DC-DC变换器采用最大功率输出控制模式；蓄电池和超级电容分别通过各自的双向DC-DC变换器接入直流母线。

光伏阵列在日间太阳能充足时，利用“光生伏特”效应产生的电能经单向DC-DC变换器、给系统直流母线上的负载供电，同时多余的电能用于给直流母线上的混合储能系统充电；夜间太阳能不足时，光伏阵列退出运行，此时由混合储能系统继续给直流母线上的负载供电。

混合储能系统由超级电容储能系统和蓄电池储能系统组成，超级电容和蓄电池分别通过各自的双向DC-DC变换器与直流母线相连，并通过各自的双向DC-DC变换器实现充/放电过程控制。由于超级电容具有功率密度高、循环寿命长的特点，因此为了提高对直流母线电压波动的响应和调节能力，在混合储能系统中，由超级电容储能系统负责对直流微电网的母线电压进行控制；由于蓄电池具有能量密度高、循环寿命短的特点，因此在混合储能系统中蓄电池储能系统负责对超级电容的容量进行动态调整，避免超级电容出现过冲或过放，保证超级电容对直流母线电压的持续调节能力。在对超级电容的容量进行调整的过程中，蓄电池间接承担了对系统中非瞬时性波动功率的调节，其充/放电电流也得到了平滑。

如图2所示，一种适用于离网型直流微电网电压控制的混合储能控制方法，包括如下步骤：

步骤一：超级电容储能系统的控制；

1a：根据微电网直流母线电压参考值U_ref、超级电容输出功率实时值P_SC和电压下垂控制系数A，计算得到超级电容储能系统电压控制指令值U₀，计算过程的表达式为：

U₀＝U_ref-AP_sc

1b：将电压控制指令值U₀与微电网直流母线实际电压的采样值U_dc相减，对二者的差值进行PI调节，得到内环电流控制的参考值；当微电网直流母线电压U_dc低于指令值U₀时，得到的内环电流控制的参考值为正值，超级电容工作于放电状态，对微电网直流母线上缺少的功率进行补偿；当检测到直流母线电压U_dc高于指令值U₀时，得到的内环电流控制的参考值为负值，超级电容工作于充电状态，对直流母线上多余的功率进行吸收。实际运行过程中，超级电容储能系统需要控制超级电容在充电和放电状态之间不断切换，对直流母线电压波动进行动态补偿。

1c：将内环电流控制的参考值与超级电容电流采样值的平均值相减，对二者的差值进行PI调节，得到超级电容储能系统中双向DC-DC变换器的控制指令，对相应的功率器件进行控制。

由于超级电容储能系统采用了微电网直流母线电压下垂控制，因此在稳态条件下，超级电容的充/放电功率与微电网直流母线电压U_dc具有对应关系。所以在蓄电池储能控制系统中，可以根据U_dc的值对超级电容的充/放电功率进行估计。

步骤二：蓄电池储能系统的控制；

2a：根据超级电容储能控制系统中的电压下垂控制系数A、微电网直流母线实际电压的采样值U_dc和微电网直流母线电压额定值U_ref，计算得到超级电容剩余容量变化的估计值计算过程的表达式为：

2b：以0为参考值，为实际值，对二者的差值进行PI调节，得到蓄电池电流的参考值。当时，得到的电流参考值为正值，此时超级电容累积释放的能量大于其累积吸收的能量，蓄电池进行放电，将超级电容的剩余容量上调至初始值；当时，得到的电流参考值为负值，此时超级电容累积释放的能量小于其累积吸收的能量，通过控制蓄电池的充电，将超级电容的剩余容量下调至初始值。

2c：为了避免蓄电池充/放电电流突变，影响电池的循环寿命，利用斜率限制环节对蓄电池电流的参考值的变化率进行限制，防止实际运行中蓄电池的电流变化太快。

2d：将经斜率限制环节处理后的蓄电池电流的参考值与蓄电池电流采样值的平均值相减，对二者的差值进行PI调节，得到蓄电池系统中双向DC-DC变换器的控制指令，对相应的功率器件进行控制。

本发明实施例的方法采用MATLAB/Simulink进行了仿真验证，仿真参数如下：直流微电网中母线电压的额定值为200V，光伏发电系统的最大功率输出为6kW，系统中DC-DC变换器的开关频率为10kHz。

图3为光伏发电系统输出功率不变，负载侧功率发生突变时的仿真结果图。仿真条件为：负载的初始值为7kW；t＝2s时，负载变为3.8kW；t＝4s时，负载变为7kW。图3(a)为直流母线电压U_dc的波形，图3(b)超级电容电流波形，图3(c)为超级电容电压波形，图3(d)为蓄电池电流波形。

如图3(a)中所示，在负载侧功率发生波动的过程中，通过超级电容储能系统的调节，直流母线电压波动得到了很好的抑制。如图3(b)、(c)和(d)中所示，负载波动的瞬时性分量主要由超级电容进行快速补偿，非瞬时性的功率分量主要由蓄电池进行补偿，超级电容和蓄电池很好地发挥了各自的性能优势，超级电容的剩余容量得到了很好的调整，蓄电池的充/放电电流也得到了很好的平滑。

图4为负载功率不变，光伏发电系统输出功率发生突变时的仿真结果图。仿真条件为：负载的值为5kW，光伏发电系统的初始值为6kW；t＝2s时，光伏发电系统的输出功率变为3kW；t＝4s时，光伏发电系统的输出功率变为6kW。图4(a)为直流母线电压U_dc的波形，图4(b)超级电容电流波形，图4(c)为超级电容电压波形，图4(d)为蓄电池电流波形。

如图4(a)中所示，在电源侧功率发生波动的过程中，通过超级电容储能系统的调节，直流母线电压波动得到了很好的抑制。如图4(b)、(c)和(d)中所示，在电源侧功率发生波动的过程中，混合储能系统中超级电容和蓄电池的运行控制得到了很好的协调。

本发明的适用于离网型直流微电网电压控制的混合储能控制方法，具有下列优点：

1)利用超级电容对直流微电网母线电压进行控制，保证了混合储能系统对直流母线电压波动的动态响应和快速调节能力；

2)利用蓄电池对超级电容的容量进行调整，提高了超级电容的可持续调节能力，同时实现了蓄电池的充/放电电流平滑，有利于延长蓄电池循环寿命；

3)基于本地电压信息，原理简单、易于实现。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。