一种多直流耦合系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种多直流耦合系统及其控制方法。

背景技术

现有技术中，光储直流耦合系统为一种应用广泛的光储系统，其内部的光伏阵列可以直接连接逆变器的直流母线，而电池系统一般通过一个双向DCDC变换器来连接该直流母线；该直流母线上的电能可以来源于光伏阵列，也可以来源于逆变器接收电网功率后的反向变换；该直流母线上的电能可以通过逆变器并网，也可以通过该双向DCDC变换器存储于电池系统中。

当多个直流耦合系统并联时，通常采用以上方式对各个系统进行单独控制，蓄电池部分也是相对独立控制，即没有实现多直流耦合系统之间功率的协同调度和电池的均衡控制，长此以往，容易造成各个直流耦合系统内的电池状态偏差大、寿命不一致等问题，极端情况会加速电池寿命的衰减。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种多直流耦合系统及其控制方法，能够实现各电池系统的状态均衡，解决了多直流耦合系统内的电池状态偏差大、寿命不一致的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种多直流耦合系统的控制方法，各所述直流耦合系统交流测并联连接，所述控制方法包括：

接收外部调度指令下发的功率调度指令；其中，所述功率调度指令包括：调度功率；

根据在线的所述直流耦合系统的数量，将所述调度功率均分并分别作为初始给定功率发送给各所述直流耦合系统，以控制各所述直流耦合系统先按照所述初始给定功率运行；

按照预设均衡策略确定各所述直流耦合系统的功率调节量并发送给各所述直流耦合系统，以控制各所述直流耦合系统按照各自对应的所述初始给定功率与所述功率调节量的叠加结果运行。

优选的，按照预设均衡策略确定各所述直流耦合系统的功率调节量并发送给各所述直流耦合系统，包括：

根据各所述直流耦合系统的均衡参考量确定其功率调节方向以及功率调节基本量；

根据各所述直流耦合系统的电池运行状态、所述均衡参考量和所述功率调节基本量，确定各所述直流耦合系统对应的所述功率调节量；

将各所述功率调节量分别下发给对应的各所述直流耦合系统。

优选的，所述根据各所述直流耦合系统的均衡参考量确定其功率调节方向，包括：

分别判断各所述直流耦合系统的所述均衡参考量是否大于各个所述均衡参考量的对应平均值；

若判断结果为是，则确定对应的所述直流耦合系统的功率调节方向为增大；

若判断结果为否，则确定对应的所述直流耦合系统的功率调节方向为减小。

优选的，所述根据各所述直流耦合系统的均衡参考量确定其功率调节基本量，包括：

分别对各所述直流耦合系统的所述均衡参考量与各个所述均衡参考量的对应平均值之间的差值，采用预设控制模式确定所述功率调节基本量。

优选的，所述预设控制模式为：比例控制、积分控制、比例积分控制或者比例积分微分控制中的任意一种控制模式。

优选的，根据各所述直流耦合系统的电池运行状态、所述均衡参考量和所述功率调节基本量，确定各所述直流耦合系统对应的所述功率调节量，包括：

对于所述均衡参考量小于各所述均衡参考量的对应平均值的所述直流耦合系统，若其所述电池运行状态为充电，则确定所述功率调节量为相应功率调节方向下的所述功率调节基本量；若其所述电池运行状态为放电，则确定所述功率调节量为相应功率调节方向下k倍的所述功率调节基本量；

对于所述均衡参考量大于各所述均衡参考量的对应平均值的所述直流耦合系统，若其所述电池运行状态为放电，则确定所述功率调节量为相应功率调节方向下的所述功率调节基本量；若其所述电池运行状态为充电，则确定所述功率调节量为相应功率调节方向下k倍的所述功率调节基本量。

优选的，k为2。

优选的，所述均衡参考量为：电池荷电状态、电池健康度或者直流电压中的至少一个。

优选的，各所述直流耦合系统的功率调节量的总和为零，以保证所述多直流耦合系统的总输出端口功率为所述调度功率。

优选的，在将所述调度功率均分并分别作为初始给定功率发送各所述直流耦合系统之前，还包括：

判断所述多直流耦合系统是否运行于限发状态；

若判断结果为是，则执行将所述调度功率均分并分别作为初始给定功率发送各所述直流耦合系统的步骤；

若判断结果为否，则控制各所述直流耦合系统按照最大功率运行。

优选的，判断所述多直流耦合系统是否运行于限发状态，包括：

判断所述调度功率是否小于在线的各所述直流耦合系统的最大功率之后；

若判断结果为是，则判定所述多直流耦合系统运行于限发状态；

若判断结果为否，则判定所述多直流耦合系统运行于不限发状态。

本发明第二方面提供了一种多直流耦合系统，其特征在于，包括：能源管理系统EMS以及多个直流耦合系统；其中：

各所述直流耦合系统的交流测并联连接至电网；

所述EMS与各所述直流耦合系统内的主控制器通信连接，用于执行如上述任一项所述的多直流耦合系统的控制方法。

优选的，各所述直流耦合系统均包括：电池系统、DCDC变流器、光伏阵列、逆变器以及所述主控制器；其中：

所述电池系统与所述DCDC变流器的一侧相连；

所述DCDC变流器的另一侧、所述光伏阵列的输出端以及所述逆变器的直流侧均连接于所述直流耦合系统的直流母线；

所述逆变器的交流测作为所述直流耦合系统的交流测；

所述主控制器与所述DCDC变流器以及所述逆变器通信连接，用于控制所述直流耦合系统的运行状态。

优选的，各所述直流耦合系统在接收到功率调节量之后：

若其初始给定功率与所述功率调节量的叠加结果大于其功率上限，则其逆变器以所述功率上限运行；

在其电池系统允许充电时，若所述叠加结果处于所述功率上限和功率下限之间，则其逆变器以所述叠加结果运行；若所述叠加结果小于等于所述功率下限，则其逆变器以所述功率下限运行；

在其电池系统不允许充电时，若所述叠加结果处于其功率上限和零之间，则其逆变器以所述叠加结果运行；若所述叠加结果小于等于零，则其逆变器以零功率运行。

优选的，所述主控制器为独立设置的控制器，或者，集成于所述DCDC变流器或所述逆变器的控制器中。

优选的，所述逆变器为DCAC电力电子设备。

基于上述本发明实施例提供的多直流耦合系统的控制方法，在接收到外部调度指令之后，首先根据在线的直流耦合系统的数量，将调度功率进行均分并分别作为初始给定功率发送给各直流耦合系统，以控制各直流耦合系统按照该初始给定功率运行；然后再按照预设均衡策略确定各直流耦合系统的功率调节量并发送给各直流耦合系统，以控制各直流耦合系统按照各自对应的初始给定功率与功率调节量的叠加结果运行；也即，通过按照预设均衡策略获得的功率调节量分别对每个直流耦合系统的出力进行调整，实现了各电池系统的均衡，进而解决了多直流耦合系统内的电池状态偏差大、寿命不一致的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种多直流耦合系统的控制方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的另一种多直流耦合系统的控制方法的部分流程图；

图3为本发明实施例提供的另一种多直流耦合系统的控制方法的部分流程图；

图4-图7分别为本发明实施例提供的一种多直流耦合系统的控制方法中获得各直流耦合系统的功率调节基本量的四种控制框图；

图8为本发明另一实施例提供的一种多直流耦合系统的控制方法的流程图；

图9为本发明另一实施例提供的一种多直流耦合系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明实施例提供了一种多直流耦合系统的控制方法，能够实现各电池系统的状态均衡，解决了多直流耦合系统内的电池状态偏差大、寿命不一致的问题。

该控制方法应用于多直流耦合系统的EMS(Energy Management System，能量管理系统)，其流程图如图1所示，包括：

S101、接收外部调度指令下发的功率调度指令。

实际应用时，EMS会根据自身接收到的外部调度指令中的功率调度指令对整个多直流耦合系统进行调度控制，其中，该功率调度指令主要包括该多直流耦合系统的调度功率。

S102、根据在线的直流耦合系统的数量，将调度功率均分并分别作为初始给定功率发送各直流耦合系统，以控制各直流耦合系统先按照初始给定功率运行。

在接到外部调度指令下发的调度功率后，EMS对各直流耦合系统进行检测，以确定在线的直流耦合系统的数量，需要说明的是，EMS确定在线直流耦合系统的数量的方法可以与现有技术相同，此处不再赘述，均在本发明实施例的保护范围之内。

然后EMS根据在线的直流耦合系统的数量，将接收到的调度功率进行均分，并将均分后得到的功率值作为初始给定功率P0分别发送给各个直流耦合系统，以通过各直流耦合系统的主控制器控制各直流耦合系统先按照该初始给定功率P0运行，然后执行步骤S103。

S103、按照预设均衡策略确定各直流耦合系统的功率调节量并发送给各直流耦合系统，以控制各直流耦合系统按照各自对应的初始给定功率与功率调节量的叠加结果运行。

值得说明的是，各直流耦合系统内电池系统的出力不尽相同，因此，各直流耦合系统均按照以上初始给定功率P0运行后，会导致各电池系统的状态存在偏差；此时，需要根据各电池系统的实际能力进行调整，以实现各电池系统的均衡。其中，按照预设均衡策略确定得到的各直流耦合系统的功率调节量P1中，既包括了功率调节方向，又包括了功率调节的具体大小。关于功率调节方向，在实际应用中可以设置为：当P1为正值时功率调节方向为增加，而P1为负值时功率调节方向为减小。

具体的，可以通过以下方法获得各直流耦合系统的功率调节量，如图2所示，包括：

S201、根据各直流耦合系统的均衡参考量确定其功率调节方向以及功率调节基本量。

需要说明的是，该均衡参考量可以为：SOC(state ofcharge，电池荷电状态)、SOH(state ofhealth，电池健康度，即电池当前的容量与出厂容量的百分比)或者直流电压中的至少一个，本发明实施例以该均衡参考量为实时测量得到的各直流耦合系统内电池系统的SOC进行说明，各电池系统的SOC可以由各直流耦合系统的主控制器发送给EMS；均衡参考量为SOH或者直流电压时可以此类推，不再赘述。

此时，如图3所示，步骤S201中根据各直流耦合系统的均衡参考量确定其功率调节方向可以分为以下步骤：

S301、分别判断各直流耦合系统的均衡参考量是否大于各个均衡参考量的对应平均值。

以各电池系统的SOC作为均衡参考量，则可以根据各个SOC计算出多直流耦合系统的平均荷电状态SOC_avg作为均衡参考量的对应平均值；若判断结果为是，即当SOC>SOC_avg时，执行步骤S302；若判断结果为否，即SOC

S302、确定对应的直流耦合系统的功率调节方向为增大。

S303、确定对应的直流耦合系统的功率调节方向为减小。

而步骤S201中根据各直流耦合系统的均衡参考量确定其功率调节基本量的过程为：分别对各直流耦合系统的均衡参考量与各个均衡参考量的对应平均值之间的差值，采用预设控制模式确定功率调节基本量。

值得说明的是，该预设控制模式可以为：比例控制、积分控制、比例积分控制或者比例积分微分控制中的任意一种控制模式。各控制模式的控制策略图分别如图4-7所示，以比例控制为例，如图4所示，其具体的控制过程为：以SOC与SOC_avg的差值△SOC作为输入进行比例控制后，通过限幅控制调节，输出对应的功率调节基本量△P；其他控制模式的过程与此类似，不再一一赘述，均在本发明实施例的保护范围之内。

S202、根据各直流耦合系统的电池运行状态、均衡参考量和功率调节基本量，确定各直流耦合系统对应的功率调节量。

其中，电池运行状态包括两种：充电运行状态和放电运行状态，且通过以上步骤S301至步骤S303可知，各电池系统的均衡参考量存在两种情况。

则通过各种情况的组合，根据各直流耦合系统的电池运行状态、均衡参考量和功率调节基本量，确定各直流耦合系统对应的功率调节量的过程可大致分为以下四种过程：

对于均衡参考量小于各均衡参考量的对应平均值的直流耦合系统：

(1)若其电池运行状态为充电，可认为此时光照强度较好，则确定功率调节量P1为相应功率调节方向下的功率调节基本量△P，即P1＝-△P。

(2)若其电池运行状态为放电，此时光照强度较弱，则确定功率调节量P1为相应功率调节方向下k倍的功率调节基本量△P，即P1＝-k*△P。

对于均衡参考量大于各均衡参考量的对应平均值的直流耦合系统：

(3)若其电池运行状态为放电，此时光照强度较弱，则确定功率调节量P1为相应功率调节方向下的功率调节基本量△P，即P1＝△P；

(4)若其电池运行状态为充电，此时光照强度较强，则确定功率调节量P1为相应功率调节方向下k倍的功率调节基本量△P，即P1＝k*△P。

需要说明的是，设置k倍的目的在于，根据光照强度和当前充放电状态，区分调节速度，加快均衡速度；同样的SOC偏差下，各功率调节基本量△P是相同的；而不同的SOC偏差下，根据各自的控制方式得到的各自相应的功率调节基本量△P即可。k的具体取值可由技术人员根据实际应用情况而定，例如k＝2，但不仅限于此，均在本发明实施例的保护范围之内。

S203、将各功率调节量分别下发给对应的各直流耦合系统。

进而控制各直流耦合系统按照各自对应的初始给定功率与功率调节量的叠加结果(P0+P1)运行。

本实施例提供的多直流耦合系统的控制方法，在接收到外部调度指令之后，首先根据在线的直流耦合系统的数量，将调度功率进行均分并分别作为初始给定功率发送给各直流耦合系统，以控制各直流耦合系统按照该初始给定功率运行；然后再按照预设均衡策略确定各直流耦合系统的功率调节量P1并发送给各直流耦合系统，以控制各直流耦合系统按照各自对应的初始给定功率P0与功率调节量P1的叠加结果运行；也即，通过按照预设均衡策略获得的功率调节量P1分别对每个直流耦合系统的出力进行调整，实现了各电池系统的均衡，进而解决了多直流耦合系统内的电池状态偏差大、寿命不一致的问题。并且，根据各个电池系统的运行状态以及光伏阵列状态，实现变均衡给定策略，进而获得不同的功率调节量P1，加快系统均衡速度。

实际应用中，对于该多直流耦合系统的控制原则，应该优先保证调度的交流并网点功率，即该多直流耦合系统的总输出端口功率为调度功率；其次需要充分利用光伏板能量，即优先利用光伏板的能量满足调度功率，同时多余的电能给电池充电；最后再通过上述实施例提供的控制方法来实现电池系统间的均衡，该均衡包括电池的SOC均衡、SOH均衡、直流电压均衡等。

因此，本发明另一实施例还提供了一种多直流耦合系统的控制方法，在上述实施例的基础上，为了在满足前面两个优先控制需求的前提下，实现各电池系统的均衡，应该在步骤S103中按照预设均衡策略确定各直流耦合系统的功率调节量时，确保各直流耦合系统的功率调节量的总和为零，即

S401、判断多直流耦合系统是否运行于限发状态。

当该多直流耦合系统运行在限发状态，即说明EMS接收到的调度功率小于在线逆变器所能输出的功率，也即各直流耦合系统需要限制自身的输出，此时可以执行步骤S102，以保证该多直流耦合系统各电池系统间的均衡。

若该多直流耦合系统运行在不限发状态，即EMS接收到的调度功率大于等于在线逆变器所能输出的功率时，也即各直流耦合系统可以以自身的最大功率进行输出，即执行步骤S402。

具体的，可以通过判断调度功率是否小于在线的各直流耦合系统的最大功率，进而确定多直流耦合系统是否运行于限发状态；若判断结果为是，判定多直流耦合系统运行于限发状态；若判断结果为否，则判定多直流耦合系统运行于不限发状态。需要说明的是，现有技术中判断多直流耦合系统是否运行于限发状态的方式有许多种，不仅限于此，不再赘述。

S402、控制各直流耦合系统按照最大功率运行。

因此，本实施例提供的多直流耦合系统的控制方法，可以在不改变现有控制交流侧功率要求和充分利用光伏板能量的前提下，实现各电池系统的均衡。

其余的原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本发明另一实施例还提供了一种多直流耦合系统，其结构示意图如图9所示，包括：EMS以及多个直流耦合系统100；其中：

各直流耦合系统100的交流测并联连接至电网；实际应用中，各直流耦合系统100的交流测可以先并联连接至交流并网点，即该多直流耦合系统的总输出端口，然后该并网点再通过合适的变压器连接至电网。

EMS与各直流耦合系统100内的主控制器101通信连接，用于执行如上述实施例提供的多直流耦合系统100的控制方法，使该交流并网点功率，也即多直流耦合系统的总输出端口功率，调整为自身接收到的调度功率。

实际应用时，如图9所示，各直流耦合系统100均包括：电池系统、DCDC变流器102、光伏阵列、逆变器以及主控制器101。

该直流耦合系统100内的功率走线如图9中的实线所示：电池系统与DCDC变流器102的一侧相连；DCDC变流器102的另一侧、光伏阵列的输出端以及逆变器的直流侧均连接于直流耦合系统100的直流母线(图中未展示)；逆变器的交流测作为直流耦合系统100的交流测。电池系统通过该DCDC变换器102进行充放电。

该直流耦合系统100内的通信走线如图9中的虚线所示：主控制器101与DCDC变流器102以及逆变器通信连接，用于控制直流耦合系统100的运行状态，实现功率的读取、控制和调度。

实际应用中，该主控制器101可以为独立设置的控制器，或者，也可以集成于DCDC变流器102或逆变器的控制器中。

另外，该逆变器可以为任意DCAC电力电子设备，例如，储能变流器或者带反向充电功能的光伏逆变器等，其具体可以是单向功率变换器件，优选为双向功率变换器件。

当外部调度指令第一次给EMS下发新指令时，EMS首先根据在线的子系统(即直流耦合系统100)的数量进行功率均分，给每个子系统一个初始运行功率给定(即初始给定功率P0)，各个子系统按照EMS下发的第一拍功率值运行；然后EMS根据预设均衡策略，根据每个子系统的电池SOC状态和系统平均SOC状态，进行均衡控制，并把计算出的不同P1分别传给各个子系统，子系统在上一拍的功率给定的基础上，叠加此均衡功率值P1，P1可以为正值，也可以为负值。

每当子系统可以满足调度的功率指令时，按照功率调度指令运行；当子系统无法满足调度的功率指令时，按照系统最大出力执行。当系统运行在不限发状态，即EMS接收到的功率调度指令大于等于在线逆变器所能输出的功率时，系统按照最大功率运行，此时不进行SOC均衡控制；当系统运行在限发状态，即EMS接收到的功率调度指令小于在线逆变器所能输出的功率时，系统按照功率调度指令运行。各个子系统内部根据母线电压竞争的原则，只需将DCDC变换器102的控制直流电压值大于逆变器控制的直流电压值，即可实现自动的控制光伏阵列可用功率Ppv、DCDC变换器102运行功率Pdc和逆变器功率Pac的流向，系统只需要控制逆变器功率Pac的大小即可实现内部光伏阵列最大功率运行状态。

该多直流耦合系统100的EMS在执行上述实施例提供的多直流耦合系统100的控制方法时，其各直流耦合系统100在接收到功率调节量之后，若其初始给定功率P0与功率调节量P1的叠加结果(P0+P1)大于其功率上限Pmax，则其逆变器以功率上限Pmax运行；在其电池系统允许充电时，若叠加结果(P0+P1)处于功率上限Pmax和功率下限-Pmax之间，则其逆变器以叠加结果(P0+P1)运行；若叠加结果(P0+P1)小于等于功率下限-Pmax，则其逆变器以功率下限-Pmax运行；在其电池系统不允许充电时，若叠加结果(P0+P1)处于其功率上限Pmax和零之间，则其逆变器以叠加结果(P0+P1)运行；若叠加结果(P0+P1)小于等于零，则其逆变器以零功率运行。也即，本实施提供的多直流耦合系统100内各直流耦合系统100可以均设置有自身的功率幅值限制，实际应用中视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

其余的原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。