一種混合儲能系統充放電切換過程動態優化控制方法與流程
2023-04-26 03:47:36
本發明涉及一種混合儲能系統充放電切換過程動態優化控制方法。
背景技術：
在目前的分布式電網中，風能、太陽能等可再生能源的比重越來越大。由於這些能源的電源輸出功率受環境因素影響具有間歇性和隨機性，將導致其併網後對電力系統的安全性和穩定性造成諸多不利影響。通常給可再生能源配置一定比例的靜態無功補償器可以快速補償其無功功率，維持接入電網處電壓穩定，而對於有功功率補償，需要在可再生能源電源側配置一定容量的儲能系統。通過優化控制儲能系統和這些能源電源的運行(即儲能系統的功率配置)，平抑可再生能源電源注入電力系統的功率波動，使其輸出功率滿足電力系統安全穩定運行的要求。同時，為使儲能系統具備大容量和大功率性能，通常採用能量型儲能介質(如蓄電池)和功率型儲能介質(如超級電容)混合組成儲能系統。其中，能量型儲能介質(如蓄電池)的能量密度大、功率密度小；相反，功率型儲能介質(如超級電容)的能量密度小、功率密度大，且高倍率充-放電不會損害其性能。因此，在優化控制儲能系統和這些能源電源的運行過程中，需要給出有效的優化控制策略以實現儲能系統合理、有效的充放電功率配置。
經過對現有的關於混合儲能系統充放電切換控制技術文獻的檢索發現，根據不同儲能介質的互補特性，提出了超級電容與蓄電池混合儲能系統，並從理論上證明了混合儲能系統具有更高的功率輸出能力和減少蓄電池的充放電次數。採用自動狀態機控制方法實現風能、太陽能等發電系統的混合儲能控制，採用多滯環PID調節控制策略，研究了適用於微網的蓄電池和超級電容混合儲能系統，結果表明混合儲能系統在應對微網中頻繁快速的功率和能量變化方面具有很好的技術經濟性。進一步，在儲能介質離散時間數學模型的基礎上，研究功率型儲能介質組成的儲能系統，利用模糊控制策略實現儲能優化控制。這些成果通常側重於儲能過程機理分析，同時在儲能功率分配控制器設計中不能明確考慮各種儲能單元的功率輸入輸出限制、最小和最大荷電量範圍，以及各個儲能單元的充放電過程的不同電氣特性。
技術實現要素：
為了克服現有的混合儲能系統充放電切換過程控制方式的使用複雜、實用性較差的不足，本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提供一種思路簡單、使用方便、實用性良好的混合儲能系統充放電切換過程動態優化控制方法，基於切換系統的共同控制Lyapunov函數工具，構造一個解析的切換狀態反饋控制器，其中控制器的參數反映了混合儲能系統充放電的速率，再考慮混合儲能系統的各種限制條件和最佳充放電性能函數，根據各個儲能單元不同的充放電過程，對切換控制器進行動態優化再設計，使混合儲能系統的充放電過程始終滿足限制條件和最佳充放電性能，實現混合儲能系統的充放電切換過程的動態優化控制。
本發明為了解決上述技術問題採用的技術方案為：
一種混合儲能系統充放電切換過程動態優化控制方法，包括以下步驟：
步驟一、考慮混合儲能系統中的第i個儲能單元，以儲能單元的剩餘荷電量的變化表示充放電過程，應用能量守恆定理，建立該儲能單元的充放電過程的動態數學模型，見式(1)和(2)
其中，n表示混合儲能系統中的儲能單元總數，式(1)表示第i個儲能單元的充電過程動態模型，式(2)表示第i個儲能單元的放電過程動態模型，t表示充放電的時間，單位min，Qi表示第i個儲能單元的剩餘荷電量，單位MW，Pi表示第i個儲能單元的充放電功率，單位MW/min，σc,i表示第i個儲能單元的充電過程的自放電率，單位％/min，ηc,i表示第i個儲能單元的充電效率，單位％，σd,i表示第i個儲能單元的放電過程的自放電率，單位％/min，ηd,i表示第i個儲能單元的放電效率，單位％；
步驟二、考慮實際混合儲能系統的充放電情況，對混合儲能系統充放電過程動態模型進行變換設計，定義變量xi＝Qi和ui＝Pi，其中i＝1,…,n，定義混合儲能系統的向量和根據公式(1)和(2)，分別定義混合儲能系統的充放電過程的動態數學模型，見式(3)和(4)
其中，式(3)表示混合儲能系統的充電過程動態模型，式(4)表示混合儲能系統的放電過程動態模型，t表示充放電的時間，單位min，x表示儲能系統中儲能器件的荷電量，單位MW，u表示充放電功率，單位MW/min)；
步驟三、考慮超級儲能單元充放電變換模型式(3)和(4)，定義矩陣
求解不等式方程組，見式(5)
其中P是未知變量；利用一元二次不等式方程組求解式(5)的未知變量P，得到式(5)的解，見式(6)
下標n×n表示P是n行n列的矩陣，在採樣時刻t，測量混合儲能系統當前荷電量x(t)，構造充電過程輸入函數uc(t)，見式(7)
和放電過程輸入函數ud(t)，見式(8)
其中，和未知參數θ1、θ2、θ3和θ4；
步驟四、考慮混合儲能系統荷電量約束和功率輸入輸出約束，設定參數θ1、θ2、θ3和θ4的取值範圍D，混合儲能系統充電性能目標函數lc(x,u)，見式(9)
和混合儲能系統放電性能目標函數ld(x,u)，見式(10)
其中，xi,c是第i個儲能單元的充電目標，xi,d是第i個儲能單元的放電目標，qc,i和qd,i是調試參數，i＝1,…,n，對混合儲能系統充電過程，應用坐標輪換法求解優化問題，見式(11)
得到參數最優值θ1*和θ2*；對混合儲能系統放電過程，應用坐標輪換法求解優化問題，見式(12)
得到參數最優值θ3*和θ4*，其中，X表示混合儲能系統荷電量約束限制，U表示混合儲能系統充放電過程的功率輸入輸出約束限制，T表示優化時域，Jc(x)表示優化時域內的累加充電過程性能函數，Jd(x)表示優化時域內的累加放電過程性能函數，將參數最優值(θ1*,θ2*)和(θ3*,θ4*)分別代入式(7)和式(8)，得混合儲能系統充電過程優化控制器和放電過程優化控制器，在下一個採樣時間到達後，再次重複求解式(11)或式(12)，得混合儲能系統充電過程動態優化控制器和放電過程動態優化控制器。
進一步，所述動態優化控制方法還包括以下步驟：步驟五、在混合儲能系統充放電過程切換控制計算機上運行實施，分為3個階段：
5.1參數設置，包括模型參數和充放電過程目標參數，在模型導入界面中，分別輸入各個儲能單元充電和放電過程的自放電率σc,i和σd,i，單位％/min，充電效率為ηc,i，放電效率ηd,i；在控制參數設置界面中，分別輸入各個儲能單元的初始荷電量，未知參數的取值範圍D，儲能單元的充電目標xi,c，儲能單元的放電目標xi,d，荷電量約束限制X，功率輸入輸出約束限制U，優化時域T，輸入參數確認後，由控制計算機將設置數據送入計算機存儲單元RAM中保存；
5.2離線調試，混合儲能充放電控制系統進入控制器調試階段，分別考慮充電過程和放電過程，調整組態界面中設定可調參數qc,i和qd,i的取值，觀測混合儲能系統各個儲能單元的荷電和充放電功率的控制效果，由此確定一組能良好控制混合儲能系統充放電過程的控制器參數值，參數qc,i和qd,i的取值規則：qc,i和qd,i為正實數，即qc,i＞0和qd,i＞0，參數qc,i和qd,i的調整規則：增大qc,i的值將縮短充電過程的過渡時間，但增大充電過程的儲能單元荷電量變化和功率值，增加對充電過程擾動的敏感性，增大qd,i的值將縮短放電過程的過渡時間，但增大放電過程的儲能單元荷電量變化和功率值，增加對放電過程擾動的敏感性；相反，減小qc,i的值將延長充電過程的過渡時間，但減小充電過程的儲能單元荷電量變化和功率值，降低對充電過程擾動的敏感性，減小qd,i的值將延長放電過程的過渡時間，但減小放電過程的儲能單元荷電量變化和功率值，降低對放電過程擾動的敏感性。因此，實際調試控制器參數qc,i和qd,i時，應在充放電過程的過渡時間、儲能單元荷電量變化和功率值容許的範圍內綜合權衡；
5.3在線運行，啟動混合儲能系統充放電過程切換控制計算機的CPU讀取混合儲能系統充放電過程模型參數和最佳控制器參數，並執行「混合儲能系統放電切換過程優化控制程序」，通過在線測量混合儲能系統中各儲能單元的實際荷電量，控制混合儲能系統的充電和放電過程的充入功率和放出功率，實現混合儲能系統充放電過程的有效控制。
本發明的有益效果為：先通過儲能系統機理建立混合儲能系統充放電模型，再通過給定數據，求得共同Lyapunov函數正定對稱矩陣，進一步求得切換控制器，再結合系統約束和性能指標實現了切換控制器的動態優化再設計，進一步將其代入合儲能充放電模型，用於其充放電控制，此設計方法簡潔、易用，可用於指導實際的、充放電控制過程。
附圖說明
圖1是實施例混合儲能系統充放電切換控制電荷狀態曲線圖。
圖2是實施例混合儲能系統充放電切換功率輸入函數曲線圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明。
參照圖1和圖2，一種混合儲能系統充放電切換過程動態優化控制方法，包括以下步驟：
步驟一、考慮由2個儲能單元組成的混合儲能系統。以儲能單元的剩餘荷電量的變化表示充放電過程，應用能量守恆原理，建立儲能系統中儲能單元的充放電過程的動態數學模型，見式(1)和(2)
其中，2表示混合儲能系統由2個儲能單元組成，式(1)表示第i個儲能單元的充電過程動態模型，式(2)表示第i個儲能單元的放電過程動態模型，t表示充放電的時間(min)，Qi表示第i個儲能單元的剩餘荷電量(MW)，Pi表示第i個儲能單元的充放電功率(MW/min)，σc,i表示第i個儲能單元的充電過程的自放電率(％/min)，ηc,i表示第i個儲能單元的充電效率(％)，σd,i表示第i個儲能單元的放電過程的自放電率(％/min)，ηd,i表示第i個儲能單元的放電效率(％)。
步驟二、考慮儲能系統的充放電實際情況，定義變量xi＝Qi和ui＝Pi，其中i＝1,2，定義混合儲能系統的向量和根據公式(1)和(2)，分別定義混合儲能系統的充放電過程的動態數學模型，見式(3)和(4)
其中，式(3)表示混合儲能系統的充電過程動態模型，式(4)表示混合儲能系統的放電過程動態模型，t表示充放電的時間(min)，x表示儲能系統中儲能器件的荷電量(MW)，u表示充放電功率(MW/min)。
步驟三、考慮混合儲能系統充放電變換模型式(3)和(4)，定義矩陣求解不等式方程組，見式(5)
其中P是未知變量。利用一元二次不等式方程組求解式(5)的未知變量P，得到式(5)的解，見式(6)
在採樣時刻t，測量混合儲能系統當前荷電量x(t)，構造充電過程輸入功率函數uc(t)，見式(7)
和放電過程輸入函數ud(t)，見式(8)
其中和未知參數θ1、θ2、θ3和θ4。
步驟四、考慮混合儲能系統荷電量約束和功率輸入輸出約束，設定參數θ1、θ2、θ3和θ4的取值範圍D，混合儲能系統充電性能目標函數lc(x,u)，見式(9)
和混合儲能系統放電性能目標函數ld(x,u)，見式(10)
其中，x1,c和x2,c是2個儲能單元的充電目標，x1,d和x2,d是2個儲能單元的放電目標，qc,1、qc,2、qd,1和qd,2是調試參數。對混合儲能系統充電過程，應用坐標輪換法求解優化問題，見式(11)
得到參數最優值θ1*和θ2*；對混合儲能系統放電過程，應用坐標輪換法求解優化問題，見式(12)
得到參數最優值θ3*和θ4*，其中，X表示混合儲能系統荷電量約束限制，U表示混合儲能系統充放電過程的功率輸入輸出約束限制，T表示優化時域，Jc(x)表示優化時域內的累加充電過程性能函數，Jd(x)表示優化時域內的累加放電過程性能函數，將參數最優值(θ1*,θ2*)和(θ3*,θ4*)分別代入式(7)和式(8)，得混合儲能系統充電過程優化控制器和放電過程優化控制器，在下一個採樣時間到達後，再次重複求解式(11)或式(12)，得混合儲能系統充電過程動態優化控制器和放電過程動態優化控制器。
步驟五、混合儲能系統充放電的執行，在混合儲能系統充放電控制計算機上運行實施，可以大致分為3個階段：
5.1參數設置，包括模型參數和充放電過程目標參數，在模型導入界面中，分別輸入各個儲能單元充電和放電過程的自放電率σc,i和σd,i(％/min)，充電效率為ηc,i，放電效率ηd,i；在控制參數設置界面中，分別輸入各個儲能單元的初始荷電量，未知參數的取值範圍D，儲能單元的充電目標xi,c，儲能單元的放電目標xi,d，荷電量約束限制X，功率輸入輸出約束限制U，優化時域T，輸入參數確認後，由控制計算機將設置數據送入計算機存儲單元RAM中保存；
5.2離線調試，點擊組態界面中的「調試」按鈕，混合儲能充放電控制系統進入控制器調試階段；分別考慮充電過程和放電過程，調整組態界面中設定可調參數qc,i和qd,i的取值，觀測混合儲能系統各個儲能單元的荷電和充放電功率的控制效果，由此確定一組能良好控制混合儲能系統充放電過程的控制器參數值，參數qc,i和qd,i的取值規則：qc,i和qd,i為正實數，即qc,i＞0和qd,i＞0，參數qc,i和qd,i的調整規則：增大qc,i的值將縮短充電過程的過渡時間，但增大充電過程的儲能單元荷電量變化和功率值，增加對充電過程擾動的敏感性，增大qd,i的值將縮短放電過程的過渡時間，但增大放電過程的儲能單元荷電量變化和功率值，增加對放電過程擾動的敏感性；相反，減小qc,i的值將延長充電過程的過渡時間，但減小充電過程的儲能單元荷電量變化和功率值，降低對充電過程擾動的敏感性，減小qd,i的值將延長放電過程的過渡時間，但減小放電過程的儲能單元荷電量變化和功率值，降低對放電過程擾動的敏感性。因此，實際調試控制器參數qc,i和qd,i時，應在充放電過程的過渡時間、儲能單元荷電量變化和功率值容許的範圍內綜合權衡；
5.3在線運行，點擊組態界面「運行」按鈕，啟動混合儲能系統充放電控制計算機的CPU讀取混合儲能系統充放電過程模型參數、充放電過程目標參數和最佳控制器參數，並執行「混合儲能系統放電切換過程優化控制程序」，通過在線測量混合儲能系統中不同儲能單元的實際荷電量，控制充電和放電過程的充入功率和放出功率，實現混合儲能系統充放電過程的有效控制。
下面結合附圖和實例對本發明做進一步說明：
為了驗證所建模型的性能，需要對模型進行擬合和校驗。選取儲能單元1的最大荷電量Q1max＝0.75(MW)，充電過程自放電率σc1＝0.01(％/min)，放電過程自放電率σd1＝0.01(％/min)，充電效率為ηc1＝0.95和放電效率ηd1＝0.95；儲能單元2的最大荷電量Q2max＝1.5(MW)，充電過程自放電率σc2＝0.01(％/min)，放電過程自放電率σd2＝0.01(％/min)，充電效率為η2＝0.90和放電效率ηd2＝0.90。在混合儲能系統處於充電過程中，儲能單元1的充電過程控制目標是xc,1＝0.95Q1max和儲能單元2的充電過程控制目標是xc,2＝0.9Q2max；在混合儲能系統處於放電過程中，儲能單元1的放電過程控制目標是xd,1＝0.25Q1max和儲能單元2的放電過程控制目標是xd,2＝0.2Q2max；混合儲能系統荷電量約束限制X＝[0.2Q1max,Q1max]×[0.15Q2max,Q2max]，功率輸入輸出約束限制U＝[-2,2]×[-4,4]，優化時域T＝3.5分鐘，採樣周期0.7分鐘，未知參數的取值範圍D＝[0.1 1]×[0.5,5]。設置混合儲能系統的初始剩餘荷電量，儲能單元1為0.6Q1max和儲能單元2為0.55Q2max，混合儲能系統充電過程結束後將切換到放電過程。
通過離線調試，設置參數qc,1＝50、qc,2＝50、qd,1＝1和qd,2＝1，將其帶入式(9)和式(10)，求得混合儲能系統充電過程和放電過程的功率輸入輸出函數，得到如圖2所示。之後將該函數帶入公式(3)和公式(4)，得到如圖1所示，混合儲能系統中儲能單元1和儲能單元2的充放電過程的剩餘荷電量的變化結果。
上述實施例用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明做出的任何修改，都落入本發明的保護範圍。