改進的直流微電網中混合儲能系統自適應下垂控制方法與流程

2023-05-11 11:15:56

本發明涉及直流微電網的穩定運行，具體是一種改進的混合儲能系統自適應下垂控制方法。

背景技術：

隨著新能源發展的不斷升溫，直流微電網已成為分布式微電源重要的結網方式之一。微電網在孤島運行模態下，維持直流母線電壓穩定是整個微電網系統穩定運行的前提。電力儲能技術作為維持微電網系統穩定運行和提高電能質量的關鍵環節，伴隨微電網的發展應運而生。而由於儲能元件各自的輸出缺陷，單一儲能元件在微電網中的應用受到限制。近年來，多種儲能元件複合使用引起了人們的廣泛關注。

鋰電池具有較大的能量密度，但循環壽命短，且不適合大功率充放電，其一般應用於微電網中功率的削峰填谷。而近幾年發展起來的超級電容器是一種新型功率型儲能元件，其有較高的介電常數和耐壓能力。超級電容雖然能量密度比較低，但是有著普通電容器快速頻繁充放電的優勢，可以在短時間內吸收和釋放大的功率電流。基於兩者優勢互補的運行特性，專家們將兩者結合使用，並構成鋰電池-超級電容混合儲能系統。混合儲能系統不僅能夠優化鋰電池充放電電流，延長儲能系統壽命，而且可以提高混合儲能系統動態響應。而如何控制鋰電池和超級電容合理分配和承擔調節直流微電網中電力波動的任務，同時提高混合儲能系統自身使用壽命是目前混合儲能技術的研究難點。為了平滑鋰電池電流，有學者提出利用濾波器將直流母線上的功率波動分為低頻分量和高頻分量。高頻分量與低頻分量的波動分別由超級電容和鋰電池進行補償。也有學者提出一種鋰電池依據超級電容荷電量來調整出力的策略，實現了鋰電池電流的平滑控制。根據超級電容電壓不可突變的特點，鋰電池能夠較好地控制輸出。但是超級電容和鋰電池的協調控制運行還需要進一步完善。

技術實現要素：

本發明解決混合儲能系統在直流微電網中鋰電池與超級電容級聯控制方式下存在不匹配的問題，即由於直流母線電壓處於允許波動範圍的不動作電壓帶(udcl≤udc≤udch)導致超級電容不能正確響應鋰電池的能量補償，提供一種改進的直流微電網中混合儲能系統自適應下垂控制方法。該方法中，鋰電池和超級電容構成混合儲能系統，利用超級電容電壓不可突變的特點控制鋰電池電流平滑輸出；並通過整定直流母線電壓參考值，設計了以直流母線電壓為反饋信息的超級電容自適應下垂控制方法，實現了混合儲能系統運行能夠有效越過直流母線允許波動電壓帶，提高鋰電池和超級電容級聯控制方式的可靠性。

本發明的技術方案：一種改進的直流微電網中混合儲能系統自適應下垂控制方法，所述改進的直流微電網中混合儲能系統是由鋰電池通過dc/dc變換器i連接於直流母線上，超級電容通過dc/dc變換器ii連接於直流母線上，形成並聯結構的混合儲能系統。

所述dc/dc變換器i、dc/dc變換器ii均採用雙向boost-buck電路結構。

一種改進的直流微電網中混合儲能系統自適應下垂控制方法，包括下述內容：

(1)超級電容器的雙向dc/dc變換器i的控制

雙向dc/dc變換器i作為前級控制，超級電容優先動作；超級電容的輸出控制以直流母線電壓作為反饋信息，雙向dc/dc變換器i採用超級電容電流-直流母線電壓(isc-udc)下垂控制方式，控制超級電容向直流母線充放電；

直流母線電壓允許偏差限值為額定電壓udcr的±5％；設定udch為直流母線電壓允許波動的上臨界值，udch＝(1+5％)udcr；udcl為直流母線電壓允許波動的下臨界值，udcl＝(1-5％)udcr；

為了協調超級電容和鋰電池運行狀態，雙向dc/dc變換器i根據直流母線電壓參考值整定流程來調節自適應下垂運行曲線。當鋰電池不工作時，雙向dc/dc變換器i以最優控制曲線運行控制超級電容輸出。當鋰電池工作時，雙向dc/dc變換器i以充電恢復曲線或者放電恢復曲線運行控制超級電容輸出(見圖2)。

(2)鋰電池的雙向dc/dc變換器ii的控制

由於超級電容為功率型儲能元件，能量密度低，雙向dc/dc變換器ii為後級控制，主要維持超級電容的容量在正常工作範圍，以間接的方式負責穩定微電網的功率平衡。鋰電池的輸出控制以超級電容電壓作為反饋信息，雙向dc/dc變換器ii採用鋰電池電流-超級電容電壓下垂控制方式，控制鋰電池向直流母線充放電。

本發明具備的主要優點為：

(1)鋰電池作為後級控制輸出，利用超級電容的緩衝作用，鋰電池對直流母線電壓變化的反應具有一定滯後性，鋰電池動作次數將明顯降低，並且平滑了輸出電流。

(2)通過整定直流母線電壓參考值，自動調整超級電容自適應下垂控制曲線，避免了由於直流母線允許波動電壓帶的存在而導致超級電容出現補償誤差。

(3)提高鋰電池和超級電容級聯控制方式的可靠性。

本發明有效解決了混合儲能系統在直流微電網中鋰電池對超級電容有效補償能量的問題，提供一種直流微電網中混合儲能系統改進自適應下垂控制方法。

附圖說明

圖1是本發明中直流微電網的簡化結構及其混合儲能系統並聯結構示意圖。

圖2是本發明中雙向dc/dc變換器i的自適應下垂運行曲線。

最優工作曲線的表達式：充電：isc＝nsc(udch-udc)；放電：isc＝nsc(udcl-udc))；

充電恢復曲線的表達式isc＝nsc(udcl-udc)；

放電恢復曲線的表達式(isc＝nsc(udch-udc))。

圖3是本發明中雙向dc/dc變換器i的直流母線電壓參考值整定流程圖。

圖4是本發明中雙向dc/dc變換器ii的運行下垂曲線。運行曲線的表達式為：

圖1中：pdg，pload分別為分布式電源發出的功率和負荷消耗的功率；pb，psc分別為鋰電池與超級電容的輸出功率，phes為混合儲能系統輸出功率。cdc為直流母線電容，鋰電池與超級電容通過雙向dc/dc變換器同時連接於直流母線上，兩者將在直流母線處進行能量交匯。超級電容平抑高頻波動，改善電能質量；鋰電池將大部分能量直接注入直流母線，對直流微電網的功率削峰填谷，同時通過直流母線為超級電容補償能量。

圖2中：udc為直流母線電壓，isc為超級電容輸出電流。udch，udcl為直流母線電壓允許波動的上下臨界值，udcr為直流母線電壓額定值，nsc為下垂係數。

圖3中：udc為直流母線電壓，udch，udcl為直流母線電壓允許波動的上下臨界值；usc為超級電容電壓，usc2，usc3為超級電容電壓最佳工作範圍的上下臨界值，也為雙向dc/dc變換器ii的動作閾值；udc-ref為雙向dc/dc變換器i控制器的直流母線電壓參考值。

圖4中：usc1、usc2、usc3、usc4分別為鋰電池根據超級電容儲能容量而設置的工作臨界值；ibm為鋰電池充放電電流限值；nb為此下垂關係的下垂係數。

具體實施方式

一種直流微電網中混合儲能系統改進自適應下垂控制方法,基於鋰電池和超級電容並聯結構，通過dc/dc變換器協調控制儲能單元輸出。

所述鋰電池和超級電容分別通過dc/dc變換器i和dc/dc變換器ii連接於直流母線上，形成並聯結構的混合儲能系統。

所述dc/dc變換器i、dc/dc變換器ii均採用雙向boost-buck電路結構。

一種直流微電網中混合儲能系統改進自適應下垂控制方法(該方法是基於本發明所述的直流微電網中鋰電池和超級電容並聯結構混合儲能系統實現的)，包括下述內容：

(1)雙向dc/dc變換器i為前級控制，使超級電容優先動作；雙向dc/dc變換器ii後級控制，維持超級電容的容量在正常工作範圍，穩定微電網的功率平衡；

(2)雙向dc/dc變換器i採用超級電容電流-直流母線電壓下垂控制方式，控制超級電容向直流母線充放電；所述超級電容電流-直流母線電壓下垂控制方式為：設定udc為直流母線電壓，nsc為下垂係數,udc-ref為雙向dc/dc變換器i控制器的直流母線電壓參考值；計算雙向dc/dc變換器i控制的超級電容充放電電流isc＝nsc(udc-ref-udc)；

(3)雙向dc/dc變換器ii採用鋰電池電流-超級電容電壓下垂控制方式，控制鋰電池向直流母線充放電，鋰電池的輸出控制以超級電容電壓作為反饋信息；所述鋰電池電流-超級電容電壓下垂控制方式為：

設定usc1、usc2、usc3、usc4，並使得usc1<usc2<usc3usc3鋰電池充電時，直流母線電壓參考值整定值為：udc-ref＝udch，雙向dc/dc變換器i控制超級電容以放電恢復曲線(isc＝nsc(udch-udc))運行；當usc<usc2鋰電池放電時，直流母線電壓參考值整定值為：udc-ref＝udcl，雙向dc/dc變換器i控制超級電容以充電恢復曲線(isc＝nsc(udcl-udc))運行。