[0024]
[0025] 由于RvDG1≈-RlDG且RvESS2≈-RlESS,即RvDG1+RlDG≈0,RvESS2+RlESS≈0,故等式(3)可简化为:
[0026]
[0027] 根据一阶滤波器GDG1(s)截止频率的定义有:
[0028]
[0029] 根据等式(5)可得,虚拟电感LvDG1为:
[0030]
[0031] b、当蓄电池或超级电容储能系统不处于正常工作区,即SoC≤SoClow或SoC≥SoChigh时,负载电流在分布式电源和储能系统间的分配关系为:
[0032]
[0033] 式中,a1=(RlESS+RvESS1+RvESS2)LvESS1;a0=(RlESS+RvESS2)RvESS1;b2=LvDG1LvESS1;b1=(RvDG1+RlDG+RvESS1+RvESS2+RlESS)LvESS1+RvESS1LvDG1;c2=LvDG1LvESS1;b0=(RvDG1+RlDG+RvESS2+RlESS)RvESS1;c1=(RlDG+RvDG1)LvESS1+RvESS1LvDG1;c0=(RlDG+RvDG1)RvESS1。
[0034] 若|LvESS1|>>|RvESS2+RlESS|且|LvDG1|>>|RvDG1+RlDG|,则等式(7)可简化为:
[0035]
[0036] 式中,一阶滤波器GDG2(s)、GESS2(s)的稳态增益KoDG、KoESS分别为
[0037]
[0038]
[0039] 根据一阶滤波器GDG2(s)截止频率的定义有:
[0040]
[0041] 根据等式(11)可得,虚拟电阻RvESS1为:
[0042]
[0043] 当SoC≤SoClow时,设定滤波器GDG2(s)的稳态增益KoDG>1,且滤波器GESS2(s)的稳态增益KoESS<0,以实现储能系统的过放保护;当SoC≥SoChigh时,设定滤波器GDG2(s)的稳态增益0
[0044] 在储能系统DC/DC变换器虚拟阻抗变换前后,设定滤波器GDG2(s)的截止频率和分布式电源支路的参数:ωc、LvDG1、RvDG1保持不变,以保证系统能量管理的分散化控制。
[0045] 本发明的有益效果:
[0046] 本发明含储能的分布式发电系统的分散式能量管理策略,不仅可实现脉动负载功率在分布式电源和储能系统间的动态优化分配,高频的脉动功率由储能系统提供,低频的缓变功率由分布式电源提供;而且还可实现储能系统SoC的保护与恢复,从而提高分布式电源和储能系统的使用寿命,并且在储能系统SoC恢复过程中同样能够实现脉动负载功率在分布式电源和储能系统间的动态优化分配。此外,在稳态时还可实现母线电压的自动恢复。
附图说明
[0047] 图1为含储能的分布式发电系统的控制原理框图。
[0048] 图2为实施例中所述的分布式发电系统的简化电路图。图中L1为分布式电源DC/DC变换器的电感;D1为分布式电源DC/DC变换器的二极管;S1为分布式电源DC/DC变换器的开关管;C1为分布式电源DC/DC变换器的电容;L2为超级电容储能系统DC/DC变换器的电感;S2和S3为超级电容储能系统DC/DC变换器的开关管;C2为超级电容储能系统DC/DC变换器的电容;R为等效负载;RlDG和RlESS分别为分布式电源和储能系统支路的线路阻抗。
[0049] 图3为分布式电源DC/DC变换器的虚拟电感下垂控制器的控制原理图。
[0050] 图4为超级电容储能系统DC/DC变换器的虚拟阻抗可调的下垂控制器的控制原理图。
[0051] 图5为实施例中所述的分布式发电系统的整体控制框图。图中Vnom为直流母线电压的标称值;LvDG1为分布式电源DC/DC变换器的虚拟电感;RvDG1为分布式电源DC/DC变换器的虚拟电阻;RvESS1和RvESS2为超级电容储能系统DC/DC变换器的虚拟电阻;LvESS1为超级电容储能系统DC/DC变换器的虚拟电感;SoC为超级电容储能系统的荷电状态。
[0052] 图6为实施例中所述的分布式发电系统的等效电路图。当超级电容储能系统的SoC处于正常工作区时,虚拟开关T1断开;当超级电容储能系统的SoC不处于正常工作区时,虚拟开关T1闭合,以达到超级电容过充过放保护的目的。
[0053] 图7为当RvDG1=0Ω,RvESS2=0Ω时含储能的分布式发电系统对于负载功率阶跃变化的仿真结果图。
[0054] 图8为当RvDG1=-0.2Ω,RvESS2=-0.05Ω时含储能的分布式发电系统对于负载功率阶跃变化的仿真结果图。
[0055] 图9为当超级电容的初始SoC约为70.3%时含储能的分布式发电系统对于负载功率阶跃变化的仿真结果图。
[0056] 图10为当超级电容的初始SoC约为29.4%时含储能的分布式发电系统对于负载功率阶跃变化的仿真结果图。
具体实施方式
[0057] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
[0058] 在本实施例中,含储能的分布式发电系统的简化电路如图2所示,其中储能系统选用超级电容模组。分布式电源的额定输出功率为12kW,额定输出电压为100V,输出电压的波动范围为74V~130V;超级电容的额定电压为125V,电容值为63F;直流母线电压的标称值为270V;分布式电源DC/DC变换器和超级电容DC/DC变换器的开关频率为20kHz,电感L1和L2均为10mH,电容C1和C2均为470uF;分布式电源支路的线路阻抗RlDG为200mΩ,超级电容支路的线路阻抗RlESS为50mΩ。
[0059] 在含储能的分布式发电系统工作过程中,要求负载功率的高频脉动分量由超级电容提供,负载功率的低频分量由分布式电源提供,以实现能量的动态优化管理。
[0060] 本实施例含储能的分布式发电系统的分散式能量管理策略,包括以下步骤:
[0061] 步骤1:建立含储能的分布式发电系统,其包括输出功率可控的分布式电源、分布式电源的DC/DC变换器、储能系统、储能系统的DC/DC变换器,本实施例中储能系统选用超级电容;当然在不同实施例中储能系统还可采用蓄电池。
[0062] 步骤2:设计控制器对含储能的分布式发电系统进行控制:
[0063] a1、分布式电源因功率密度低、动态响应慢,但能量密度高,可由其在系统运行过程中连续向负载提供所需的低频功率。因此,本实施例中分布式电源DC/DC变换器的外环控制采用虚拟电感下垂控制,其输出的伏安特性为:
[0064] VoDG=Vnom-(LvDG1s+RvDG1)ioDG (13)式中,Vnom为直流母线电压的标称值;VoDG和ioDG分别为分布式电源DC/DC变换器的输出电压和输出电流;LvDG1为分布式电源DC/DC变换器的虚拟电感;RvDG1为分布式电源DC/DC变换器的虚拟电阻,并且RvDG1≈-RlDG。
[0065] a2、分布式电源DC/DC变换器的内环控制采用级联的PI控制。因此,本实施例中虚拟电感下垂控制器的控制框图如图3所示。
[0066] b1、超级电容储能系统因能量密度低,但功率密度高,动态响应快,可由其提供负载所需功率的高频脉动分量。此外,由于超级电容的容量有限,因此会难以避免的发生超级电容的剩余容量不足以满足当前动态功率需求的情况,如果超级电容依然按照当前的动态功率需求工作,将会导致超级电容过充或过放。过度充放电都会对超级电容造成不可逆转的伤害(如特性恶化、使用寿命缩短、过热,甚至爆炸)。因此,本实施例中超级电容DC/DC变换器的外环控制采用虚拟阻抗可调的下垂控制,通过调节其虚拟阻抗,达到超级电容过充过放保护的目的,其输出的伏安特性为:
[0067]
[0068] 式中,VoESS和ioESS分别为超级电容储能系统DC/DC变换器的输出电压和输出电流;RvESS1和RvESS2为超级电容储能系统DC/DC变换器的虚拟电阻,并且RvESS2≈-RlESS;LvESS1为超级电容储能系统DC/DC变换器的虚拟电感;SoC为超级电容储能系统的荷电状态。
[0069] b2、超级电容储能系统DC/DC变换器的内环控制采用级联的PI控制。因此,本实施例中虚拟阻抗可调的下垂控制器的控制框图如图4所示。
[0070] 步骤3:对含储能的分布式发电系统设置控制参数,以实现能量的分散式管理:
[0071] 本实施例含储能的分布式发电系统的整体控制框图5所示,其等效电路如图6所示。
[0072] a、当超级电容储能系统的SoC处于正常工作区,即0.3
[0073]
[0074] 本实施例中超级电容储能系统DC/DC变换器的虚拟电阻设定为RvESS1=1Ω。根据对线路阻抗RlDG和RlESS大小的测量或估计,为减小RlDG和RlESS对分布式电源和超级电容储能系统的输出功率以及母线电压的影响,本实施例设定RvDG1=-0.2Ω,RvESS2=-0.05Ω。因此,等式(15)可简化为:
[0075]
[0076] 根据等式(16)可知,当超级电容储能系统的SoC处于正常工作区时,负载电流分配到分布式电源支路时自动加入一阶低通滤波器GDG1(s),分配到超级电容支路时自动加入一阶高通滤波器GESS1(s),从而实现含储能的分布式发电系统能量的优化管理。
[0077] 根据一阶滤波器GDG1(s)截止频率的定义有:
[0078]
[0079] 本实施例中一阶滤波器GDG1(s)的截止频率设定为ωc=2π×0.4Hz,根据等式(17)可得,虚拟电感LvDG1为:
[0080]
[0081] b、当蓄电池或超级电容储能系统的SoC不处于正常工作区,即SoC≤0.3或SoC≥0.7时,负载电流在分布式电源和储能系统间的分配关系为:
[0082]
[0083] 式中,a1=(RlESS+RvESS1+RvESS2)LvESS1;a0=(RlESS+RvESS2)RvESS1;b2=LvDG1LvESS1;b1=(RvDG1+RlDG+RvESS1+RvESS2+RlESS)LvESS1+RvESS1LvDG1;c2=LvDG1LvESS1;b0=(RvDG1+RlDG+RvESS2+RlESS)RvESS1;c1=(RlDG+RvDG1)LvESS1+RvESS1LvDG1;c0=(RlDG+RvDG1)RvESS1。
[0084] 因LvDG1=0.3979H,显然有|LvDG1|>>|RvDG1+RlDG|。若|LvESS1|>>|RvESS2+RlESS|,则等式(19)可简化为:
[0085]
[0086] 式中,一阶滤波器GDG2(s)、GESS2(s)的稳态增益KoDG、KoESS分别为
[0087]
[0088]
[0089] 根据等式(20)可知,当超级电容储能系统的SoC不处于正常工作区时,负载电流分配到分布式电源支路时也自动加入一阶低通滤波器GDG2(s),分配到超级电容支路时也自动加入一阶高通滤波器GESS2(s),并且分布式电源和超级电容储能系统的输出电流可以通过合理设定KoDG、KoESS进行控制,从而实现含储能的分布式发电系统能量的优化管理。
[0090] 当SoC≤0.3时,为实现超级电容的过放保护,设定滤波器GDG2(s)、GESS2(s)的稳态增益KoDG、KoESS分别为:
[0091] KoDG=1.1 (23)
[0092] KoESS=-0.1 (24)
[0093] 根据等式(21)、(22)、(23)和(24)可得,虚拟电感LvESS1=-4.3769H,显然满足|LvESS1|>>|RvESS2+RlESS|条件。
[0094] 根据一阶滤波器GDG2(s)截止频率的定义有:
[0095]
[0096] 根据等式(29)可得,虚拟电阻RvESS1为:
[0097]
[0098] 当SoC≥0.7时,为实现超级电容的过充保护,设定滤波器GDG2(s)、GESS2(s)的稳态增益KoDG、KoESS分别为:
[0099] KoDG=0.9 (31)
[0100] KoESS=0.1 (32)
[0101] 根据等式(25)、(26)、(29)和(30)可得,虚拟电感LvESS1=3.5810H,显然满足|LvESS1|>>|RvESS2+RlESS|条件。
[0102] 根据等式(29)可得,虚拟电阻RvESS1为:
[0103]
[0104] 此外,为保证系统能量优化管理的分散化控制,在储能系统DC/DC变换器虚拟阻抗变换前后,设定滤波器GDG2(s)的截止频率和分布式电源支路的参数,即ωc、LvDG1、RvDG1保持不变。
[0105] 下面对本实施例的分散式能量管理策略的有效性进行仿真验证。
[0106] 从仿真结果图7和图8可明显看出,当RvDG1=0Ω,RvESS2=0Ω时,在负载功率阶跃变化时,由于线路阻抗的影响,母线电压存在偏差,并且超级电容储能系统在稳态时也提供了部分的低频功率;当RvDG1=-0.2Ω,RvESS2=-0.05Ω时,本发明实现了负载功率在分布式电源与超级电容储能系统间能量的优化管理,验证了本发明的有效性。
[0107] 从仿真结果图9和图10可明显看出,当超级电容不处于正常工作区时,超级电容变换器通过虚拟阻抗的的调节实现了超级电容过充过放保护,从而验证了本策略的有效性。
[0108] 最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。