一种基于多储能单元的直流微电网协调控制方法及系统

技术领域

本发明属于直流微电网协调控制领域，具体涉及一种基于多储能单元的直流微电网协调控制方法及系统。

背景技术

直流微电网具有控制简单、转换环节少、效率高等优势。同时，直流微电网不存在相位、频率同步及无功功率损耗问题，相较于交流微电网，其控制更简单。因而，直流微电网技术受到广泛的关注。直流微电网集成了分布式发电单元、储能单元及用户负荷，为了保证稳定的供电，各单元间的协调运行是至关重要的。

现有的直流微电网协调控制方案(王子鹏.直流微电网协调控制策略研究[D].太原理工大学,2021.)，其考虑的分布式发电单元种类单一，且储能单元个数较少。而实际直流微网中包含各种各样的分布式电源，比如光伏发电系统、风力发电系统等新能源。同时，对为验证所提控制方法能够实现多储能单元间根据SOC值合理的进行功率分配，应采用不少于三个储能单元接入微网。

现有的直流微电网协调控制方案(蔡杰.风储直流微网虚拟惯性控制及储能单元功率分配方法研究[D].华北电力大学,2016.)仅考虑了风力发电一种分布式发电方式，且未考虑最大化风能利用率。

储能单元通常采用下垂控制，在理想条件下，下垂控制可以实现精确的功率分配。但是，由于线路阻抗及储能单元内部阻抗的差异，储能单元间存在功率分配误差。设有两台相同容量、初始状态相同的储能单元，在下垂系数相同的前提下，由于储能单元内阻抗与外部线路阻抗的差异，导致储能单元外部特性存在差别，即两条运行曲线斜率不同。相同的母线电压下，斜率较大储能单元充放电功率较大，而斜率较小的储能系统充放电功率较小。传统下垂控制存在功率分配的误差导致多储能单元出力不均，出力较大的单元在充放电两阶段的输出功率均较大的问题，无法完全满足多储能并联运行的需求，难以维持多储能间荷电状态的均衡，降低了储能系统的可靠性与经济性。因此，直流微电网中的分布式储能单元需要根据自身输出能力合理调节输出功率。

发明内容

针对现有直流微电网协调控制策略研究仅考虑单一种类的分布式电源，且控制目标单一，往往顾此失彼的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于多储能单元的直流微电网协调控制方法及系统，将光伏、风电两种普遍的分布式电源接入直流微网中，通过母线电压分层控制，控制直流微网中各单元的工作模式，在传统下垂控制中引入与SOC相关的量，根据SOC变化调节下垂曲线斜率以实现功率的优化分配，最终实现最大化能源利用率、母线电压稳定、储能单元SOC 均衡、功率合理分配多目标的平衡。

为了达到上述目的，本发明公开了一种基于多储能单元的直流微电网协调控制方法，包括如下步骤：

1)构建直流微电网及其组成单元，包括光伏发电单元、风力发电单元、多个储能单元和负荷；

2)对光伏发电单元进行控制，利用母线电压分层控制方法，使光伏发电单元根据母线电压值运行于MPPT及恒压控制两种工作模式；

3)对风力发电单元进行控制，利用母线电压分层控制方法，使风力发电单元根据母线电压值运行于MPPT及恒压控制两种工作模式；

4)对多储能单元进行控制，利用SOC均衡控制方法，使多储能单元根据母线电压及其自身SOC值运行于五种工作模式，五种工作模式分别为恒功率充/放电、下垂充/放电及待机方式。

进一步的，所述步骤1)中直流微电网由一组光伏发电单元、一组风力发电单元、三个蓄电池储能单元及直流负荷构成。

进一步的，所述步骤2)中对光伏发电单元的控制方法为：母线电压分层控制，在不同母线电压下有MPPT运行方式和恒压控制运行方式：

当U

MPPT控制采用扰动观察法，恒压控制采用电压闭环控制，将变换器输出端口电压值U

进一步的，所述步骤4)中对多储能单元进行控制时采用以储能单元SOC值为依据的多个储能单元之间分级运行的控制方法：

首先，储能单元检测自身SOC，将其输入电压区间调节控制器，以计算四个电压临界值1.025v

其次，功率调节控制器根据各电压区间对应输出功率表达式和换流器输出端口电压U

最后，通过功率/电流双环控制实现准确的功率追踪；其中，储能单元输出功率P

进一步的，所述电压区间调节控制器以荷电状态为依据，得到各储能单元不同工作方式的电压范围，从而达到储能单元依据SOC大小依次进入充放电状态，降低各个存储单元SOC不平衡性的目的；以储能装置的SOC值为依据，根据式(1)计算得v

其中，SOC

进一步的，所述功率调节控制器以不同母线电压值作为切换根据，根据v

其中，r

r

一种基于多储能单元的直流微电网协调控制系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；

所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行所述的基于多储能单元的直流微电网协调控制方法，

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明所提供的基于多储能单元的直流微电网协调控制方法，通过母线电压分层控制使直流微电网中各单元根据母线电压及自身状态运行于相应的工作模式，最终实现最大化能源利用率、母线电压稳定、储能单元SOC均衡、功率合理分配多目标的平衡，较好地解决了现有直流微电网协调控制策略研究仅考虑单一种类的分布式电源，且控制目标单一的问题。

附图说明

图1是本发明实施的直流微电网系统结构图示意图；

图2是本发明实施的母线电压分层控制示意图；

图3是本发明实施的光伏发电单元控制示意图；

图4是本发明实施的光伏发电单元工作模式示意图；

图5是本发明实施的储能单元控制示意图；

图6是本发明实施的储能单元工作模式示意图；

图7是本发明实施例的直流微电网协调控制仿真结果图，其中a 是充电仿真结果示意图，b是放电仿真结果示意图，c是充放电切换仿真结果示意图，d是分布式发电单元波动仿真结果示意图；

图8是本发明实施例的分布式发电单元输出功率仿真结果图，其中a是光伏发电单元输出功率仿真结果示意图，b是风力发电单元输出功率仿真结果示意图；

图9是本发明实施例的SOC均衡实验仿真结果图，其中a是充电时两储能单元荷电状态及其差值仿真结果图，b是放电时两储能单元荷电状态及其差值仿真结果图；

图10是本发明基于多储能单元的直流微电网协调控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合本发明中的附图和具体实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图10，本发明实施例提供一种基于多储能单元的直流微电网协调控制方法，包括以下步骤：

1)构建直流微电网及其组成单元，包括光伏发电单元、风力发电单元、多个储能单元和负荷；本实施例中，所采用的直流微电网结构如图1所示，其中直流微电网由一组光伏发电单元、一组风力发电单元、三个蓄电池储能单元及直流负荷构成。

2)对光伏发电单元进行控制，利用母线电压分层控制方法，使光伏发电单元根据母线电压值运行于MPPT及恒压控制两种工作模式；本实施例所采用的母线电压分层控制方法如图2所示。其中，v* 为直流母线额定电压，Udc为直流母线电压值。

请继续参阅图3及图4，所述步骤2)具体包括：

当U

MPPT控制采用扰动观察法，恒压控制采用电压闭环控制，将变换器输出端口电压值U

3)对风力发电单元进行控制，利用母线电压分层控制方法，使风力发电单元根据母线电压值运行于MPPT及恒压控制两种工作模式；风力发电系统的控制方法及工作模式与光伏发电系统类似，不再赘述。

4)对多储能单元进行控制，利用SOC均衡控制方法，使多储能单元根据母线电压及其自身SOC值运行于五种工作模式，五种工作模式分别为恒功率充/放电、下垂充/放电及待机方式。

具体的，所述步骤4)中对储能系统控制采用一种以储能单元SOC 值为依据的多个储能单元之间分级运行的控制方法：

首先，储能单元检测自身SOC，将其输入电压区间调节控制器，以计算四个电压临界值1.025v*、vstay_H、vstay_L、0.975v*，其中 v*为直流母线额定电压，vstay_H、vstay_L分别为储能单元从待机模式进入下垂充、放电模式的电压阈值，确定储能单元5种运行模式的电压区间；

其次，功率调节控制器根据各电压区间对应输出功率表达式和换流器输出端口电压Udc计算功率外环给定值Pref；

最后，通过功率/电流双环控制实现准确的功率追踪；其中，储能单元输出功率Pout通过检测储能电池输出电压vBAT及电流iBAT实时计算，并经过低通滤波器滤波后反馈至功率外环，防止功率变化太快造成电压波动；idc和idcref为换流器输出电流及其参考值，储能单元输出功率通过功率电流双闭环控制，经PWM生成脉冲信号，控制换流器开关管关断，改善多个存储单元之间的SOC不平衡的状况。

其中，电压区间调整控制，即所述电压区间调节控制器，以荷电状态为依据，得到各存储装置不同工作方式的电压范围，从而达到储能单元依据SOC大小依次进入充放电状态，降低各个存储单元SOC 不平衡性的目的。以储能装置的SOC值为依据，计算得v

其中，SOC

其中，功率分配控制，即所述功率调节控制器，以不同母线电压值作为切换根据，根据v

其中，r

r

具体地，在本实施例中，储能单元控制框图如图5所示。储能单元工作模式图如图6所示。本发明选取三组储能单元，设置其初始 SOC值分别为80％、50％、60％。

本发明所考虑的基于多储能单元的直流微电网协调控制方法，通过母线电压分层控制使直流微电网中各单元根据母线电压及自身状态运行于相应的工作模式，最终实现最大化能源利用率、母线电压稳定、储能单元SOC均衡、功率合理分配多目标的平衡，较好地解决了现有直流微电网协调控制策略研究仅考虑单一种类的分布式电源，且控制目标单一的问题。

为检验所提出的直流微电网协调控制方案的正确性，本发明在 Matlab/Simulink中建立了仿真模型，进行了直流微电网协调控制仿真验证及SOC均衡仿真验证。

首先进行了直流微电网协调控制仿真，按照储能系统的不同运行状态设计了3种工况，分别为充电和放电仿真、充放电切换仿真、分布式发电单元波动仿真，通过调整直流负载、光照强度和风速的大小，使负荷功率、光伏发电功率、风力发电功率改变，进而改变储能单元的运行状态。通过仿真验证储能单元能否根据自身SOC值合理出力，以及直流母线电压能否稳定在额定电压附近。直流微电网协调控制仿真结果如图7所示。从3组工况的仿真图中可以看出，本发明所提的控制策略能够抵抗负载及外界条件的波动，稳定直流母线电压在额定值附近，同时，储能单元能够根据SOC初值调整充放电功率，初始 SOC值大的储能单元优先放电最后充电且放电功率最大，初始SOC 值小的单元优先充电最后放电且放电功率最小，能够实现多储能单元间功率合理分配。

针对第三种工况，当光照强度或风速过大时，母线电压高于额定值的2.5％，光伏发电单元进入恒压控制工作模式，风力发电单元进入恒压控制模式，减小分布式发电单元的出力，在稳定母线电压的前提下，最大化能源利用率，仿真结果如图8所示。

对于SOC均衡实验，采用扩展卡尔曼滤波算法进行储能单元SOC 的预估，对两组初始SOC值不同的储能单元进行充电和放电仿真，输出SOC差值，仿真结果如图9所示，结果表明所提控制方法能够降低多储能单元间的SOC不均衡度，最终实现SOC均衡。

本发明另一方面提供了一种基于多储能单元的直流微电网协调控制系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；

所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行所述的基于多储能单元的直流微电网协调控制方法。

本发明另一方面提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述的基于多储能单元的直流微电网协调控制方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和 /或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。