本发明提供一种共直流母线混合储能系统的协调控制方法，包括以下步骤：建立所述混合储能系统的拓扑结构；通过DC/DC变换器控制模式归一化模型协调控制不同类型储能系统；同种类型、不同容量储能系统的协调控制。本发明提供一种共直流母线混合储能系统的协调控制方法，通过对锂电池储能系统和超级电容储能系统的协调控制，实现不同类型储能系统的合理利用，从而提高系统的响应速度，延长能量型储能的使用寿命，提高整个系统的技术和经济性能。
1.一种共直流母线混合储能系统的协调控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤1：建立所述混合储能系统的拓扑结构；
所述步骤1中，锂电池储能系统和超级电容储能系统分别通过DC/DC变换器A和DC/DC变换器B与直流母线并联，构成混合储能系统的拓扑结构；
步骤2：通过DC/DC变换器控制模式归一化模型协调控制不同类型储能系统；
所述DC/DC变换器控制模式归一化模型中，母线电压的参考值和其测量值之差经过下垂控制，再经过电流限幅环节，得到储能系统输出电流的参考值，储能系统输出电流参考值和其输出电流测量值之差经过PI调节，进而通过功率限幅环节，得到储能系统输出功率的参考值，作为DC/DC变换器的开关触发信号；所述储能系统包括锂电池储能系统和超级电容储能系统；
步骤2‐1：协调控制器实时监测直流母线电压，超级电容的端电压，根据所测数据确定DC/DC变换器A和DC/DC变换器B的控制模式；
步骤2‐2：计算所述储能系统的功率缺额Ps，Ps＝Pl-Pr，并提取Ps中的低频分量Pb_ref，所述Pb_ref为恒功率控制模式锂电池储能系统的功率参考值，Pl为分布式电源的负荷功率，Pr为间歇性可再生能源发电系统的输出功率；
步骤2‐3：超级电容储能系统的端电压Uuc满足Umin
步骤2‐4：超级电容储能系统的端电压Uuc满足Uuc
步骤2‐5：超级电容储能系统的端电压Uuc满足Uuc>Umax时，控制锂电池系统的DC/DC变换器A工作于电压控制模式，DC/DC变换器B工作于恒电流放电控制模式；
其中，Umin和Umax分别为超级电容允许的最小端电压和超级电容允许的最大端电压；
步骤3‐1：电压控制模式的DC/DC变换器之间的协调控制；
DC/DC变换器均工作于电压控制模式时，DC/DC变换器都采用电压下垂控制方式，根据直流母线功率差额波动，自动调节自身充放电功率，实现直流母线电压稳定运行；
此时每台DC/DC变换器的下垂系数根据其自身容量而定：
其中，kn和km分别为第n台和第m台DC/DC变换器的下垂系数，Sm和Sn分别为第n个和第m个储能系统的容量；ΔVDC_max—直流母线电压允许的最大偏差值；IdcN—储能系统的电流额定值；
步骤3‐2：恒功率控制模式的DC/DC变换器之间的协调控制；
多个恒功率控制模式的DC/DC变换器同时运行时，协调控制器下达的功率指令为Pb_ref/N，从而实现多个恒功率控制模式的DC/DC变换器之间的功率均分控制，其中，N为工作于恒功率控制模式的DC/DC变换器的台数。
2.根据权利要求1所述的共直流母线混合储能系统的协调控制方法，其特征在于：所述步骤2中，DC/DC变换器包括DC/DC变换器A和DC/DC变换器B，DC/DC变换器的控制模式包括电压控制模式、恒电流控制模式和恒功率控制模式，分别通过外层电压环控制、中间电流环控制和内层功率环控制确定控制模式，恒电流控制模式包括恒电流充电控制模式和恒电流放电控制模式。
3.根据权利要求2所述的共直流母线混合储能系统的协调控制方法，其特征在于：所述电压控制模式中，则有ΔVDC＝VDCN-VDC (1)
式中：VDCN—电压控制模式中直流母线的额定电压运行值；
I'ref—经过电压下垂控制得到的储能系统输出电流的参考值；
电流限幅环节和功率限幅环节的限制值都根据DC/DC变换器的运行情况确定。
4.根据权利要求2所述的共直流母线混合储能系统的协调控制方法，其特征在于：所述恒电流控制模式中，母线电压参考值取Uref_ab，电流限幅环节电流限值取预先设定的超级电容的充放电电流值；功率限幅环节功率限值根据DC/DC变换器的运行情况确定。
5.根据权利要求2所述的共直流母线混合储能系统的协调控制方法，其特征在于：所述恒功率控制模式中，母线电压参考值取Uref_ab，电流限幅环节电流限值根据DC/DC变换器的运行情况确定；功率限幅环节功率限值取协调控制器计算的锂电池储能系统的参考功率值。
一种共直流母线混合储能系统的协调控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于微电网的运行与控制技术领域，具体涉及一种共直流母线混合储能系统的协调控制方法。
背景技术
[0002] 在带有储能系统的分布式可再生能源发电系统中，通常选用蓄电池作为储能元件，但是蓄电池作为能量型的储能元件，存在功率密度低、充放电循环次数影响其使用寿命等缺点。超级电容作为功率型储能元件，由于其功率密度高、循环寿命长、充放电效率高、无需维护等优点，正受到越来越多的关注，但是由于其能量密度较低，目前还很难实现大容量的电力储能。将蓄电池和超级电容器混合使用，应用于可再生能源发电系统，使蓄电池能量密度大和超级电容功率密度大、循环寿命长的特点相结合，会大大提升整个系统的技术性能和经济性能。
[0003] 目前，已有研究人员针对混合储能应用于电动汽车、便携式电源及可再生能源领域做过一些研究，主要提出了以下几种共直流母线混合储能的结构：
[0004] （1）蓄电池和超级电容器直接并联。蓄电池、超级电容器的直接并联是一种最简单的混合储能结构，采用该结构，能够在负载发生波动时，大幅度的减小蓄电池在负载波动期间的最大输出电流，提高混合储能系统的最大功率输出能力，但是在该结构中，由于蓄电池组的端电压与超级电容器组的端电压被强制相等，导致超级电容器容量利用率低，在设计中对超级电容器组的串并联组合方式要求也较为严格，并且不能灵活设置蓄电池的工作过程，不能实现不同类型储能设备的高效利用。
[0005] （2）蓄电池通过DC/DC功率变换器与超级电容并联。蓄电池通过DC/C变换器与超级电容并联，通过对功率变换器控制策略的合理设计，可实现对蓄电池组的充放电过程进行灵活管理，更好发挥超级电容器的优点，提高混合储能装置的性能，延长蓄电池的使用寿命。但是，将超级电容直接挂在直流母线上，超级电容器在充放电过程中，端电压会随着储能量的变化而变化，电压变化幅度较大，直流母线电压不稳定。
[0006] （3）超级电容器通过DC/C变换器与蓄电池并联。为了得到稳定的直流母线电压，有文献提出将超级电容器通过DC/DC变换器与蓄电池组并联的混合储能结构，虽然在功率波动期间，直流母线电压较为稳定，但是采用此结构，同样不能实现蓄电池组输入输出能量的灵活管理，不能充分发挥各种类型储能装置的作用。
[0007] 对于相同类型、不同容量储能装置之间的协调控制，目前主要利用通讯系统在各个储能模块之间进行均流控制，但是在采用电压控制的多个DC/DC控制模块之间采用通讯进行均流控制，存在通讯范围受地理位置的限制，且系统的可靠性和冗余性较低的缺点；目前，对无通信线的多电压控制模式的DC/DC变换器之间的协调控制研究较少。
发明内容
[0008] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种共直流母线混合储能系统的协调控制方法，通过对锂电池储能系统和超级电容储能系统的协调控制，实现不同类型储能系统的合理利用，从而提高系统的响应速度，延长能量型储能的使用寿命，提高整个系统的技术和经济性能。
[0009] 为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
[0010] 提供一种共直流母线混合储能系统的协调控制方法，所述方法包括以下步骤：
[0011] 步骤1：建立所述混合储能系统的拓扑结构；
[0012] 步骤2：通过DC/DC变换器控制模式归一化模型协调控制不同类型储能系统；
[0013] 步骤3：同种类型、不同容量储能系统的协调控制。
[0014] 所述步骤1中，锂电池储能系统和超级电容储能系统分别通过DC/C变换器A和DC/DC变换器B与直流母线并联，构成混合储能系统的拓扑结构。
[0015] 所述步骤2中，DC/DC变换器包括DC/DC变换器A和DC/DC变换器B，DC/DC变换器的控制模式包括电压控制模式、恒电流控制模式和恒功率控制模式，分别通过外层电压环控制、中间电流环控制和内层功率环控制确定上述控制模式，恒电流控制模式包括恒电流充电控制模式和恒电流放电控制模式。
[0016] 所述电压控制模式中，母线电压参考值取VDCN，则有
[0017] ΔVDC＝VDCN-VDC （1）
[0018]
[0019] I′ref＝k·ΔVDC （3）
[0020] 式中：VDCN-电压控制模式中直流母线的额定电压运行值；
[0021] ΔVDC_max直流母线电压允许的最大偏差值；
[0022] IdcN—储能系统的电流额定值；
[0023] I′ref—经过电压下垂控制得到的储能系统输出电流的参考值；
[0024] 电流限幅环节和功率限幅环节的限制值都根据DC/DC变换器的运行情况确定。
[0025] 所述恒电流控制模式中，母线电压参考值取Uref_ab，电流限幅环节电流限值取预先设定的超级电容的充放电电流值；功率限幅环节功率限值根据DC/DC变换器的运行情况确定。
[0026] 所述恒功率控制模式中，母线电压参考值取Uref_ab，电流限幅环节电流限值根据DC/DC变换器的运行情况确定；功率限幅环节功率限值取协调控制器计算的锂电池储能系统的参考功率值。
[0027] 所述DC/DC变换器控制模式归一化模型中，母线电压的参考值和其测量值之差经过下垂控制，再经过电流限幅环节，得到储能系统输出电流的参考值，储能系统输出电流参考值和其输出电流测量值之差经过PI调节，进而通过功率限幅环节，得到储能系统输出功率的参考值，作为DC/DC变换器的开关触发信号；所述储能系统包括锂电池储能系统和超级电容储能系统。
[0028] 所述步骤2包括以下步骤：
[0029] 步骤2-1：协调控制器实时监测直流母线电压，超级电容的端电压，根据所测数据确定DC/DC变换器A和DC/DC变换器B的控制模式；
[0030] 步骤2-2：计算所述储能系统的功率缺额Ps，Ps＝Pl-Pr，并提取Ps中的低频分量Pb_ref，所述Pb_ref为恒功率控制模式锂电池储能系统的功率参考值，Pl为分布式电源的负荷功率，Pr为间歇性可再生能源发电系统的输出功率；
[0031] 步骤2-3：超级电容储能系统的端电压Uuc满足Umin
[0032] 步骤2-4：超级电容储能系统的端电压Uuc满足Uuc
[0033] 步骤2-5：超级电容储能系统的端电压Uuc满足Uuc>Umax时，控制锂电池系统的DC/DC变换器A工作于电压控制模式，DC/DC变换器B工作于恒电流放电控制模式；
[0034] 其中，Umin和Umax分别为超级电容允许的最小端电压和超级电容允许的最大端电压。
[0035] 所述步骤3包括以下步骤：
[0036] 步骤3-1：电压控制模式的DC/DC变换器之间的协调控制；
[0037] DC/DC变换器均工作于电压控制模式时，DC/DC变换器都采用电压下垂控制方式，根据直流母线功率差额波动，自动调节自身充放电功率，实现直流母线电压稳定运行；
[0038] 此时每台DC/DC变换器的下垂系数根据其自身容量而定：
[0039] 由于 则有
[0040]
[0041] 其中，kn和km分别为第n台和第m台DC/DC变换器的下垂系数，Sm和Sn分别为第n个和第m个储能系统的容量；
[0042] 步骤3-2：恒功率控制模式的DC/DC变换器之间的协调控制；
[0043] 多个恒功率控制模式的DC/DC变换器同时运行时，协调控制器下达的功率指令为Pb_ref/N，从而实现多个恒功率控制模式的DC/DC变换器之间的功率均分控制，其中，N为工作于恒功率控制模式的DC/DC变换器的台数。
[0044] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0045] 1.本发明可应用于混合储能系统的运行控制，可以优化管理锂电池和超级电容的充放电过程，改善锂电池的工作过程，减少其充放电循环次数和最大放电深度，延长整个储能系统的使用寿命；
[0046] 2.可应用于包含可再生能源发电和储能系统的直流供电系统的运行与控制，可以稳定直流母线电压，维持系统的稳定运行；
[0047] 3.可应用于直流微电网的运行与控制，实现不同容量的储能系统之根据其容量均分系统的负荷功率。
附图说明
[0048] 图1是共直流母线混合储能系统拓扑结构图；
[0049] 图2是DC/DC变换器控制模式归一化模型示意图；
[0050] 图3是DC/DC变换器的三种运行模式示意图；
[0051] 图4是DC/C变换器电压控制原理图。
具体实施方式
[0052] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0053] 提供一种共直流母线混合储能系统的协调控制方法，所述方法包括以下步骤：
[0054] 步骤1：建立所述混合储能系统的拓扑结构；
[0055] 步骤2：通过DC/DC变换器控制模式归一化模型协调控制不同类型储能系统；
[0056] 步骤3：同种类型、不同容量储能系统的协调控制。
[0057] 如图1，所述步骤1中，锂电池储能系统和超级电容储能系统分别通过DC/DC变换器A和DC/DC变换器B与直流母线并联，构成混合储能系统的拓扑结构。
[0058] 如图2-图4，DC/DC变换器包括DC/DC变换器A和DC/DC变换器B，DC/DC变换器的控制模式包括电压控制模式（CV模式）、恒电流控制模式（CC模式）和恒功率控制模式（CP模式），分别通过外层电压环控制、中间电流环控制和内层功率环控制确定上述控制模式，恒电流控制模式包括恒电流充电控制模式和恒电流放电控制模式。
[0059] 所述电压控制模式中，母线电压参考值取VDCN，则有
[0060] ΔVDC＝VDCN-VDC （1）
[0061]
[0062] I′ref＝k·ΔVDC （3）
[0063] 式中：VDCN—电压控制模式中直流母线的额定电压运行值；
[0064] ΔVDC_max—直流母线电压允许的最大偏差值；
[0065] IdcN储能系统的电流额定值；
[0066] I′ref—经过电压下垂控制得到的储能系统输出电流的参考值；
[0067] 电流限幅环节和功率限幅环节的限制值都根据DC/DC变换器的运行情况确定。
[0068] 所述恒电流控制模式中，母线电压参考值取Uref_ab，其选值应偏离直流母线的额定运行值较大，用以屏蔽电压控制环；电流限幅环节电流限值取预先设定的超级电容的充放电电流值；功率限幅环节功率限值根据DC/DC变换器的运行情况确定。
[0069] 所述恒功率控制模式中，母线电压参考值取Uref_ab，其选值应偏离直流母线的额定运行值较大，用以屏蔽电压控制环；电流限幅环节电流限值根据DC/DC变换器的运行情况确定；功率限幅环节功率限值取协调控制器计算的锂电池储能系统的参考功率值。
[0070] 所述DC/DC变换器控制模式归一化模型中，母线电压的参考值VDCN和其测量值VDC之差ΔVDC经过下垂控制得到I′ref，I′ref再经过电流限幅环节，得到储能系统输出电流的参考值Iref，储能系统输出电流参考值Iref和其输出电流测量值Idc之差经过PI调节得到P′ref，P′ref通过功率限幅环节，得到储能系统输出功率的参考值Pref，作为DC/DC变换器的开关触发信号；所述储能系统包括锂电池储能系统和超级电容储能系统。
[0071] 所述步骤2包括以下步骤：
[0072] 步骤2-1：协调控制器实时监测直流母线电压，超级电容的端电压，根据所测数据确定DC/DC变换器A和DC/DC变换器B的控制模式；
[0073] 步骤2-2：计算所述储能系统的功率缺额Ps，Ps＝Pl-Pr，并提取Ps中的低频分量Pb_ref，所述Pb_ref为恒功率控制模式锂电池储能系统的功率参考值，Pl为分布式电源的负荷功率，Pr为间歇性可再生能源发电系统的输出功率；
[0074] 步骤2-3：超级电容储能系统的端电压Uuc满足Umin
[0075] 步骤2-4：超级电容储能系统的端电压Uuc满足Uuc
[0076] 步骤2-5：超级电容储能系统的端电压Uuc满足Uuc>Umax时，控制锂电池系统的DC/DC变换器A工作于电压控制模式，DC/DC变换器B工作于恒电流放电控制模式；
[0077] 其中，Umin和Umax分别为超级电容允许的最小端电压和超级电容允许的最大端电压。
[0078] 所述步骤3包括以下步骤：
[0079] 步骤3-1：电压控制模式的DC/C变换器之间的协调控制；
[0080] DC/DC变换器均工作于电压控制模式时，DC/DC变换器都采用电压下垂控制方式，根据直流母线功率差额波动，自动调节自身充放电功率，实现直流母线电压稳定运行；
[0081] 此时每台DC/DC变换器的下垂系数根据其自身容量而定：
[0082] 由于 则有
[0083]
[0084] 其中，kn和km分别为第n台和第m台DC/DC变换器的下垂系数，Sm和Sn分别为第n个和第m个储能系统的容量；
[0085] 步骤3-2：恒功率控制模式的DC/DC变换器之间的协调控制；
[0086] 多个恒功率控制模式的DC/DC变换器同时运行时，协调控制器下达的功率指令为Pb_ref/N，从而实现多个恒功率控制模式的DC/DC变换器之间的功率均分控制，其中，N为工作于恒功率控制模式的DC/DC变换器的台数。
[0087] 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范围当中。
