一种孤岛直流微电网并联多储能荷电状态均衡控制方法

摘要

本发明涉及一种孤岛直流微电网并联多储能荷电状态均衡控制方法，在传统下垂控制方法的基础上，通过引入采样保持器，改进下垂控制方法，当系统内存在功率分配误差及荷电状态没有达到均衡状态时，在每个采样周期不断自适应地修改下垂系数，减少荷电状态偏差，最终实现储能单元间的荷电状态均衡。与现有技术相比，本发明具有避免过度放电、充分发挥使用效率、提高使用寿命等优点。

权利要求

1.一种孤岛直流微电网并联多储能荷电状态均衡控制方法，其特征在于，在传统下垂控制方法的基础上，通过引入采样保持器，改进下垂控制方法，当系统内存在功率分配误差及荷电状态没有达到均衡状态时，在每个采样周期不断自适应地修改下垂系数，减少荷电状态偏差，最终实现储能单元间的荷电状态均衡；

所述传统下垂控制方法的下垂控制表达式为：ui＝uref‑miPi

其中，ui、Pi为第i个储能单元的输出电压和输出功率；uref为参考电压；mi为第i个储能单元的下垂系数；

所述改进后的下垂控制方法具体为：

ui(n+1)＝uref‑[m0+mp(Pi(n)‑Pave(n))+ms(SoCi(n)‑SoCave(n))]Pi(n)Mi(n)＝m0+mp(Pi(n)‑Pave(n))+ms(SoCi(n)‑SoCave(n))其中，ui(n+1)表示第i个储能单元在第n+1次采样周期的输出电压，m0为初始下垂系数，mp为功率调节系数，ms为荷电状态调节系数，Mi(n)表示第i个储能单元在第n次采样周期的改进下垂系数，Pi(n)和Pave(n)分别表示第i个储能单元在第n次采样周期的输出功率和平均输出功率，SoCi(n)和SoCave(n)分别表示第i个储能单元在第n次采样周期的荷电状态和平均荷电状态。

2.根据权利要求1所述的一种孤岛直流微电网并联多储能荷电状态均衡控制方法，其特征在于，第一个采样周期后下垂控制表达式为：ui(1)＝uref‑[m0+mp(Pi(0)‑Pave(0))]Pi(0)其中，ui(1)为第i个储能单元在第一个采样周期的输出电压。

3.根据权利要求1所述的一种孤岛直流微电网并联多储能荷电状态均衡控制方法，其特征在于，所述荷电状态偏差具体表示为：其中，ΔSoCi‑j(n+1)为第i个储能单元与第j个储能单元在第n+1次采样周期的荷电状态偏差，SoCi‑j(n)为第i个储能单元与第j个储能单元在第n次采样周期的荷电状态偏差，Tsample为采样保持器的采样周期；uin代表蓄电池的输出电压；Ce为储能单元的容量。

4.根据权利要求1所述的一种孤岛直流微电网并联多储能荷电状态均衡控制方法，其特征在于，所述孤岛直流微电网的直流母线电压表示为：其中，upcc为公共直流母线处的电压，Rlinei为第i个储能单元所在分路的电阻。

5.根据权利要求1所述的一种孤岛直流微电网并联多储能荷电状态均衡控制方法，其特征在于，所述传统下垂控制方法下负荷功率分配关系为：其中，uj为第j个储能单元的输出电压，mj为第j个储能单元的下垂系数，Rlinej为第j个储能单元所在分路的电阻。

6.根据权利要求3所述的一种孤岛直流微电网并联多储能荷电状态均衡控制方法，其特征在于，所述荷电状态的计算表达式为：其中，SoCi(t)、SoCi(0)分别代表第i个储能单元的当前荷电状态和初始荷电状态；Pi代表第i个储能单元的输出功率。

说明书

一种孤岛直流微电网并联多储能荷电状态均衡控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种直流微电网控制方法，尤其是涉及一种孤岛直流微电网并联多储能荷电状态均衡控制方法。

背景技术

[0002] 为了应对全球能源危机及环境污染问题，实现人类社会的可持续发展，近些年来，以可再生能源RES为基础的分布式发电DGs技术得到了广泛的关注及发展。微电网作为整合
各种分布式电源、储能、负荷、变流器、监控和保护装置的有效解决方法之一开始被广泛研
究。相比于传统交流微电网，直流微电网由于能量变换过程少、效率高、损耗低，无需考虑电
压相位及频率问题，逐渐成为当前的研究热点；直流微电网孤岛运行时，由于光伏、风机等
可再生能源发电功率受自然因素影响呈现出随机性、间歇性的特点，因此微电网内通常需
要配置相应的储能系统ESS来维持微电网的功率平衡及稳定运行。

[0003] 当多个储能单元并联运行时，由于线路阻抗及储能单元自身特性的差异，分布式储能单元DESU间将会出现荷电状态SoC不均衡的情况，严重情况下将导致部分储能单元过
度充电或过度放电，缩短了储能系统的使用寿命。为了避免这种现象，最大发挥储能系统的
效率，储能系统的SoC均衡控制方法研究非常必要。

[0004] 下垂控制作为直流微电网内最常用的负荷自主分配控制方法，能够使得各储能单元按照其下垂系数成比例地分配负荷功率，但是，在实际微电网中，当考虑线路阻抗及不同
储能单元自身特性差异时，传统的下垂控制无法达到理想的SoC均衡效果，使得储能单元在
克服线路阻抗对负荷功率分配精度影响的同时，具备高初始SoC值的储能单元在放电时承
担较多的负荷功率，而在充电时承担较少的负荷功率。因此，为了实现储能系统SoC均衡控
制，国内外许多学者进行了相关的研究。有研究提出了一种自适应分级协调控制方法，通过
功率分配级和功率平衡级的协调控制实现了并联多储能单元间的SoC均衡，但该控制方法
并没有考虑不匹配线路阻抗因素的影响；或者通过动态改变下垂系数补偿不匹配线路阻抗
的影响，但是较大的下垂系数势必造成直流母线电压的大幅度跌落，导致微电网无法稳定
运行；通过加入线路阻抗测量装置，可以便于对各储能单元下垂系数进行修正，但该控制方
法需要额外的硬件装置，增加了系统的成本且控制较复杂，降低了微电网的经济性，且并不
适用于实际工程。

发明内容

[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的线路不匹配、稳定性差、控制系统复杂的缺陷而提供一种孤岛直流微电网并联多储能荷电状态均衡控制方法。

[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0007] 一种孤岛直流微电网并联多储能荷电状态均衡控制方法，在传统下垂控制方法的基础上，通过引入采样保持器，改进下垂控制方法，当系统内存在功率分配误差及荷电状态
没有达到均衡状态时，在每个采样周期不断自适应地修改下垂系数，减少荷电状态偏差，最
终实现储能单元间的荷电状态均衡。

[0008] 所述传统下垂控制方法的下垂控制表达式为：

[0009] ui＝uref‑miPi

[0010] 其中，ui、Pi为第i个储能单元的输出电压和输出功率；uref为参考电压；mi为第i个储能单元的下垂系数。

[0011] 所述改进后的下垂控制方法具体为：

[0012] ui(n+1)＝uref‑[m0+mp(Pi(n)‑Pave(n))+ms(SoCi(n)‑SoCave(n))]Pi(n)

[0013] Mi(n)＝m0+mp(Pi(n)‑Pave(n))+ms(SoCi(n)‑SoCave(n))

[0014] 其中，ui(n+1)表示第i个储能单元在第n+1次采样周期的输出电压，m0为初始下垂系数，mp为功率调节系数，ms为荷电状态调节系数，Mi(n)表示第i个储能单元在第n次采样周期
的改进下垂系数，Pi(n)和Pave(n)分别表示第i个储能单元在第n次采样周期的输出功率和平
均输出功率，SoCi(n)和SoCave(n)分别表示第i个储能单元在第n次采样周期的荷电状态和平
均荷电状态。

[0015] 第一个采样周期后下垂控制表达式为：

[0016] ui(1)＝uref‑[m0+mp(Pi(0)‑Pave(0))]Pi(0)

[0017] 其中，ui(1)为第i个储能单元在第一个采样周期的输出电压。

[0018] 所述荷电状态偏差具体表示为：

[0019]

[0020] 其中，ΔSoCi‑j(n+1)为第i个储能单元与第j个储能单元在第n+1次采样周期的荷电状态偏差，SoCi‑j(n)为第i个储能单元与第j个储能单元在第n次采样周期的荷电状态偏差，
Tsample为采样保持器的采样周期；uin代表蓄电池的输出电压；Ce为储能单元的容量。

[0021] 所述孤岛直流微电网的直流母线电压表示为：

[0022]

[0023] 其中，upcc为公共直流母线处的电压，Rlinei为第i个储能单元所在分路的电阻。

[0024] 所述传统下垂控制方法下负荷功率分配关系为：

[0025]

[0026] 其中，uj为第j个储能单元的输出电压和输出功率，mj为第j个储能单元的下垂系数，Rlinej为第j个储能单元所在分路的电阻。

[0027] 所述荷电状态的计算表达式为：

[0028]

[0029] 其中，SoCi(t)、SoCi(0)分别代表第i个储能单元的当前荷电状态和初始荷电状态；Pi代表第i个储能单元的输出功率。

[0030] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0031] 1.本发明通过引入采样保持器，实现储能单元间荷电状态均衡，避免部分储能单元过度充放电，充分发挥储能系统的使用效率。

[0032] 2.本发明消除了直流微电网孤岛运行时，不匹配线路阻抗及不同储能单元自身特性参数差异对分布式储能单元荷电状态均衡控制的影响，进一步提高储能系统的使用寿
命。

[0033] 3.本发明提出的改进下垂控制方法，提高了不匹配线路阻抗对储能单元负荷功率进行分配时的分配精度。

附图说明

[0034] 图1为本发明典型微电网的结构示意图；

[0035] 图2为本发明两组分布式储能单元并联运行的等效电路图；

[0036] 图3为本发明改进下垂控制方法的总体控制框图；

[0037] 图4为本发明第一次采样周期后储能放电时的功率分配图；

[0038] 图5为本发明第一次采样周期后储能充电时的功率分配图；

[0039] 图6(a)为本发明实施例一储能系统稳定放电时荷电状态的变化示意图；

[0040] 图6(b)为本发明实施例一储能系统稳定放电时输出功率的变化示意图；

[0041] 图6(c)为本发明实施例一储能系统稳定放电时直流母线电压的变化示意图；

[0042] 图7(a)为本发明实施例一储能系统稳定充电时荷电状态的变化示意图；

[0043] 图7(b)为本发明实施例一储能系统稳定充电时输出功率的变化示意图；

[0044] 图7(c)为本发明实施例一储能系统稳定充电时直流母线电压的变化示意图；

[0045] 图8(a)为本发明实施例二光伏功率波动时荷电状态的变化示意图；

[0046] 图8(b)为本发明实施例二光伏功率波动时输出功率的变化示意图；

[0047] 图8(c)为本发明实施例二光伏功率波动时直流母线电压的变化示意图；

[0048] 图9(a)为本发明实施例三负荷波动时荷电状态的变化示意图；

[0049] 图9(b)为本发明实施例三负荷波动时输出功率的变化示意图；

[0050] 图9(c)为本发明实施例三负荷波动时直流母线电压的变化示意图。

具体实施方式

[0051] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于
下述的实施例。

[0052] 如图3所示，一种孤岛直流微电网并联多储能荷电状态均衡控制方法，在传统下垂控制方法的基础上，通过引入采样保持器，改进下垂控制方法，当系统内存在功率分配误差
及荷电状态没有达到均衡状态时，在每个采样周期不断自适应地修改下垂系数，减少荷电
状态偏差，最终实现储能单元间的荷电状态均衡。

[0053] 典型微电网结构如图1所示，当并网逆变器断开时，直流微电网处于孤岛运行模式，这种情况下，微电网通常采用下垂控制方法实现负荷功率的自主分配，传统“电压‑功
率”下垂控制表达式为：

[0054] ui＝uref‑miPi

[0055] 其中，ui、Pi为第i个储能单元的输出电压和输出功率；uref为参考电压；mi为第i个储能单元的下垂系数。

[0056] 含两组并联储能单元的等效电路模型如图2所示，当直流微电网系统稳定工作时，若不考虑不匹配线路阻抗的影响，孤岛直流微电网的直流母线电压表示为：

[0057]

[0058] 其中，upcc为公共直流母线处的电压，Rlinei为第i个储能单元所在分路的电阻。

[0059] 传统下垂控制方法下负荷功率分配关系为：

[0060]

[0061] 其中，uj为第j个储能单元的输出电压和输出功率，mj为第j个储能单元的下垂系数，Rlinej为第j个储能单元所在分路的电阻。根据上式可以看出，传统下垂控制方法下，负荷
功率能够严格按照各自的下垂系数成反比分配，但在实际微电网中，线路阻抗无法忽略时，
要实现负荷功率严格按照各自的下垂系数成反比分配，其相应的输出电压必须满足上式所
示关系，而输电线路往往无法保证各储能单元线路阻抗参数完全相同，进而导致储能单元
间负荷功率分配存在偏差。

[0062] 储能单元的荷电状态主要表征储能单元的当前可用容量，具体计算表达式为：

[0063]

[0064] 其中，SoCi(t)、SoCi(0)分别代表第i个储能单元的当前荷电状态和初始荷电状态；Pi代表第i个储能单元的输出功率；uin代表蓄电池的输出电压；Ce为储能单元的容量。

[0065] 储能单元间的荷电状态达到均衡的条件是，必须同时满足第i个储能单元的荷电状态和第j个储能单元的荷电状态相同及对应的输出功率相等，在传统下垂控制方法下，储
能单元间的荷电状态无法实现均衡控制效果。

[0066] 改进后的下垂控制方法具体为：

[0067] ui(n+1)＝uref‑[m0+mp(Pi(n)‑Pave(n))+ms(SoCi(n)‑SoCave(n))]Pi(n)

[0068] Mi(n)＝m0+mp(Pi(n)‑Pave(n))+ms(SoCi(n)‑SoCave(n))

[0069] 其中，ui(n+1)表示第i个储能单元在第n+1次采样周期的输出电压，m0为初始下垂系数，mp为功率调节系数，ms为荷电状态调节系数，Mi(n)表示第i个储能单元在第n次采样周期
的改进下垂系数，Pi(n)和Pave(n)分别表示第i个储能单元在第n次采样周期的输出功率和平
均输出功率，SoCi(n)和SoCave(n)分别表示第i个储能单元在第n次采样周期的荷电状态和平
均荷电状态。

[0070] 如图3所示，上述改进下垂控制方法具体工作过程为：当中央控制器检测到微电网内存在负荷功率分配偏差且荷电状态没有实现均衡控制时，各储能单元的本地控制器根据
上述改进下垂控制方法，在每个采样周期，不断自适应地修改其下垂系数，直至负荷功率分
配偏差完全消除同时实现储能单元间的荷电状态均衡控制效果。

[0071] 对于两组并联储能单元的孤岛光储直流微电网，采用改进后的下垂控制方法的第一个采样周期，改进下垂控制表达为：

[0072] ui(1)＝uref‑[m0+mp(Pi(0)‑Pave(0))]Pi(0)

[0073] 其中，ui(1)为第i个储能单元在第一个采样周期的输出电压。

[0074] 两组储能单元间的荷电状态偏差具体表示为：

[0075]

[0076] 其中，ΔSoCi‑j(n+1)为第i个储能单元与第j个储能单元在第n+1次采样周期的荷电状态偏差，SoCi‑j(n)为第i个储能单元与第j个储能单元在第n次采样周期的荷电状态偏差，
Tsample为采样保持器的采样周期。

[0077] 若直流微电网内光伏发电功率无法满足负荷功率需求，此时为保持微电网内功率平衡，储能系统处于稳定放电状态，假设Rlinei＞Rlinej，进行第一次采样后，储能单元输出功
率满足0＜Pi(0)＜Pj(0)，根据荷电状态计算表达式得，SoCi(1)＞SoCj(1)，所以mp(Pi(0)‑Pave(0))
＜0＜mp(Pj(0)‑Pave(0))，且ms(SoCi(0)‑SoCave(0))＜0＜ms(SoCj(0)‑SoCave(0))，根据改进后的下
垂控制表达式，第一次采样周期后，Mi(0)＜m0＜Mj(0)，表明第i个储能单元将减小其下垂系数
以增大相应输出功率，而第j个储能单元将增大其下垂系数以减小相应输出功率。第一次采
样周期后储能单元间输出功率分配情况如图4所示，Pi(0)＜Pi(1),Pj(1)＜Pj(0)，即储能单元间
负荷功率分配误差在第一次采样周期后减小，随着采样周期不断地进行，储能单元间负荷
功率分配误差逐渐减小为0。

[0078] 若直流微电网内光伏发电功率在满足负荷功率需求后仍有剩余，此时为保持微电网内功率平衡，储能系统将处于稳定充电状态吸收微电网内多余功率，储能单元输出功率
满足Pj(0)＜Pj(1)＜Pi(1)＜Pi(0)＜0,且SoCi(1)＜SoCj(1)，由此可得mp(Pi(0)‑Pave(0))＜0＜mp
(Pj(0)‑Pave(0))且ms(SoCi(1)‑SoCave(1))＜0＜ms(SoCj(1)‑SoCave(1)),根据改进后的下垂控制表
达式，第一次采样周期后储能单元间输出功率分配情况如图5所示，Mi(0)＜m0＜Mj(0)，表明第
i个储能单元将减小其下垂系数以增大相应输出功率，而第j个储能单元将增大其下垂系数
以减小相应输出功率，最终消除负荷功率分配偏差且实现荷电状态均衡。

[0079] 实施例一

[0080] 基于RTDS平台搭建含三组并联分布式储能单元的孤岛直流微电网系统，包括第一储能单元、第二储能单元和第三储能单元，储能单元容量设置为12Ah，系统其他具体控制参
数如表1所示：

[0081] 表1基于RTDS平台的系统实验参数

[0082]

[0083] 设置各储能单元初始荷电状态均为80％。当光伏系统发出功率无法满足负荷需求功率时，为保持微电网内实时功率平衡，此时储能系统处于稳定放电状态，其实验波形如图
6(a)所示；0到4s时，各储能单元均运行于传统下垂控制方法，如图6(b)所示，由于不匹配线
路阻抗的影响，储能单元间负荷功率没有按照其容量比例精确分配，存在负荷功率分配偏
差，进而导致图6(a)中的荷电状态出现不均衡现象，且荷电状态偏差在不断地增大，4s时，
储能单元切换至本发明所提的改进下垂控制方法，如图6(a)和图6(b)所示，储能单元间的
输出功率与荷电状态在不断的收敛，直至最后实现荷电状态均衡。

[0084] 若光伏系统发出功率在满足负荷功率需求后还有剩余，储能系统处于稳定充电状态，设置各储能单元初始荷电状态均为50％。其实验波形如图7(a)所示；0到4s时，各储能单
元均运行于传统下垂控制方法，如图7(b)所示，由于不匹配线路阻抗的影响，储能单元间负
荷功率没有按照其容量比例精确分配，存在负荷功率分配偏差，进而导致图7(a)中荷电状
态出现不均衡现象，且荷电状态偏差在不断地增大，4s时，储能单元切换至本发明所提改进
下垂控制方法，如图7(a)和图7(b)所示，储能单元间的输出功率与荷电状态在不断的收敛
直至最后实现荷电状态均衡。

[0085] 如图6(c)和图7(c)所示，在本发明所提出改进下垂控制方法下，直流母线电压维持在允许的正常波动范围内，进一步说明了本发明所提控制方法的有效性，保证了微电网
良好的供电电压质量。

[0086] 实施例二

[0087] 储能单元组的配置同实施例一，如图8(a)所示，0到8s时，储能系统均处于稳定充电状态，4s前运行于传统下垂控制方法，4s时储能单元切换至本发明所提改进下垂控制方
法，其相应荷电状态开始收敛，8s时光伏系统受到外界因素影响导致发出功率减少，光伏发
电功率无法满足负荷功率需求，如图8(b)所示，在光伏功率发生波动时，储能系统由充电状
态迅速切换至放电状态，从图8(a)可以明显观察到，在本发明所提改进下垂控制方法下，即
使光伏功率发生波动，荷电状态仍然处于逐渐均衡状态，最终达到荷电状态平衡。如图8(c)
所示，在本发明所提出改进下垂控制方法下，光伏功率发生波动时直流母线电压仍然维持
在允许的正常波动范围内。

[0088] 实施例三

[0089] 储能单元组的配置同实施例一，如图9(a)所示，0到8s时，储能系统均处于稳定放电状态，4s前运行于传统下垂控制方法，4s时储能单元切换至本发明所提改进下垂控制方
法，其相应荷电状态开始收敛，8s时负荷功率需求突然减小，此时光伏发电功率在满足负荷
功率需求后仍有剩余，如图9(b)所示，储能系统由放电状态迅速切换至充电状态，如图9(a)
所示，在本发明所提改进下垂控制方法下，负荷功率波动不会影响储能单元间的荷电状态
均衡控制效果。如图9(c)所示，在本发明所提出改进下垂控制方法下，负荷功率波动也不会
影响到公共直流母线电压稳定性，验证了本发明所提控制方法的有效性。