利用分布式蓄电池储能站平衡微网失配功率的控制方法

摘要

本发明公开了一种利用分布式蓄电池储能站平衡微网失配功率的控制方法，该方法采用微网侧的能量管理系统作为优化计算中的协调器，为各个分布式铅酸电池储能站侧的子控制器提供协调信息，子控制器根据这些协调信息优化自身的输出功率，并将输出功率反馈回协调器；并进行迭代计算得到各个分布式储能电站优化输出功率，平衡微电网未来一段时间的功率失配量。该发明具有分布式控制的优点，适应微网储能站的物理分布特性，又有较高的效率，可以顺利求解目前已有技术难以解决的大规模问题。

说明书

技术领域

本发明属于铅酸蓄电池技术领域，尤其涉及利用分布式铅酸电池储能站平衡 微网失配功率的分布式控制方法。

背景技术

微网处于孤网运行时，如果间歇性的分布式发电和刚性的用电功率不平衡， 将出现失配功率（定义为发电功率减去用电功率）。由于微网本身惯性较小，失 配功率将更加显著地影响电压和频率稳定，甚至造成电网崩溃。在传统控制方案 中，弃掉部分分布式发电或者切掉部分负荷能几乎是解决这一问题的唯一手段， 但是却损失了用户和发电商的利益。在含有分布式储能电站的智能微电网中，为 解决这一问题，可以利用分布式铅酸电池储能站能够快速地发出或者吸收功率的 特点，用储能站的输出功率和电网的失配功率相平衡，从而起到稳定微网运行的 作用。对于分布式铅酸储能电站，更适合采用分布式控制而不是原有的集中控制 方法，以减少计算和通信难题。对此，本发明提出了一种利用分布式铅酸电池储 能站平衡微网失配功率的分布式控制方法。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明提供了提出一种利用分 布式铅酸电池储能站平衡微网失配功率的分布式控制方法。采用本方法，各个储 能站侧的子控制器可以采用并行计算的模式，子控制器和上级的协调器可以采用 并行通信适应分布式铅酸电池储能站的物理分布特性，又有较高的效率，也避免 了原有电网控制方案带来的切负荷或者切发电的问题。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种利用分布 式蓄电池储能站平衡微网失配功率的控制方法，采用微网侧的能量管理系统作为 优化计算的协调器，为各个分布式铅酸蓄电池蓄能站侧的子控制器提供协调信 息；子控制器根据该协调信息优化自身的输出功率，并将输出功率信息反馈回协 调器；重复上述步骤进行迭代计算，最后得到各个铅酸蓄电池储能站的最优输出 功率，用以平衡微网的失配功率；

其中，所述迭代计算中，首先由各储能装置初始化未来一段时间内的输出功 率，将之上报给协调器，作为迭代的开始步骤；每一步迭代，协调器根据微网内 未来一段时间分布式发电和用电的预测功率计算未来一段时间的失配量，再结合 各个分布式储能电站上报的输出功率，计算控制所需要的协调信息，并将之下发 给各个储能站；各个储能站再根据电网下发的协调信息，修正未来一段时间的输 出功率，并将修正值上报给协调器；等迭代收敛，得到各个分布式储能电站优化 输出功率，以平衡微电网未来一段时间的功率失配量。

作为优选，所述通过迭代计算最终得到铅酸蓄电池储能站最优输出功率的具 体步骤如下：

步骤1：置迭代次数m=0，各子控制器初始化储能站的未来一段时间的输出 功率曲线并将上传协调器，令迭代次数m=1；

步骤2：进行第m次迭代，协调器根据未来一段时间分布式发电和负荷用电 的预测值得到失配量D；所述失配两D为发电功率减去用电功率，其由k=0到T- 1时刻的D(k)所组成；其中，D(k)表示失配量在第k时段的值；

接着，协调器计算对第i个分布式储能电站的协调信息，该协调信息如公式 （1）所示：

${\Delta }_i^{m-1}=\alpha (\underset{i}{\overset{N}{\Sigma }}{P}_i^{m-1}-D)+C^{\prime }\left(P_i^{m-1}\right)---\left(1\right)$

式中，是第m-1次迭代后第i个分布式储能站上报的输出功率，由k=0 到T-1的所组成，而表示输出功率功率曲线在第k时段的值；α是 常系数，C表示第i个分布式储能站的运行成本函数，C′表示成本函数的导数； 然后将该协调信息下发各铅酸蓄电池储能站侧的子控制器；

步骤3：子控制器i接收协调信息通过式（2）获得最优解

$\underset{P_i^{m^{*}}\left(0\right),...,P_i^{m^{*}}(T-1)}{\min }\underset{k=0}{\overset{T-1}{\Sigma }}{\Delta }_i^{m-1}\left(k\right)P_i^m\left(k\right)+0.5\underset{k=0}{\overset{T-1}{\Sigma }}{(P_i^m\left(k\right)-P_i^{m-1}\left(k\right))}^2$

$E_i^m(k+1)=E_i^m\left(k\right)+P_i^m\left(k\right)\mathrm{\Delta t},k=0,...,T-1\left(a\right)$

${\underset{~}{E}}_i\left(k\right)\le E_i^m\left(k\right)\le {\tilde{E}}_i\left(k\right),k=1,...,T-1\left(b\right)$

${\underset{~}{P}}_i\left(k\right)\le P_i^m\left(k\right)\le {\tilde{P}}_i\left(k\right),k=0,...,T-1\left(c\right)---\left(2\right)$

式中，K,为优化变量，其余变量均为已知参数： K,是协调信息在0到T-1时段的分量，表示第k时段 的储能站的储能值；和表示对应物理量的下限和上限；Δt表示优化时的时间步 长；T是优化所设计的时间段个数，如总接入时间是8小时，时间步长Δt是1小 时，那么接入充电时间段个数T=8；其中(a)表示储能站输出功率和储能值的关 系，(b)表示储能站储能值的范围约束，(c)表示储能站输出功率约束；最后将最优 解反馈发回协调器；

步骤4：协调器得到反馈信息后进行判断：如果两次迭代中每个储能站的和足够接近，迭代收敛，进入步骤5；否则令m=m+1，返回步骤2；

步骤5：迭代收敛后，各储能站的P_i就是能够平衡微网内不平衡功率的最优 输出功率。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：第一，该方案充分利用 了微网内部各个分布式铅酸电池储能站具有物理上的分散特性和自治特性（站级 别的控制器），利用每个储能站的子控制器来处理自身的物理约束，微网侧的协 调器协调各个储能站的输出功率，设计了一种分布式优化的架构。每一步迭代结 束后得到的输出功率都满足各个分布式储能电站的物理约束。第二，该方法具有 分布式控制的优点，各个储能电站的子控制器可以采用并行计算的模式，子控制 器和上级的协调器可以采用并行通信适应微网储能站的物理分布特性，又有较高 的效率，可以顺利求解目前已有技术难以解决的大规模问题。通过大量的数值计 算，该发明对于微网内成百个分布式储能电站的分布式控制问题有着良好的收敛 性，迭代次数在几十次，总的计算时间保持在几十毫秒。

附图说明

图1为本发明所述利用分布式蓄电池储能站平衡微网失配功率的控制方法的 工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于 说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员 对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本方法采用微网侧的能量管理系统（Energy Management System）作为优化 计算中的协调器，为各个分布式铅酸电池储能站侧的子控制器提供协调信息，子 控制器根据这些协调信息优化自身的输出功率，并将输出功率信息反馈回协调 器；如此进行迭代计算，最后得到各个储能电站的最优输出功率，用来平衡微网 的失配功率。

所述迭代计算中，首先由各储能装置初始化未来一段时间内的输出功率，将 之上报给协调器，作为迭代的开始步骤；每一步迭代，协调器根据微网内未来一 段时间分布式发电和用电的预测功率计算未来一段时间的失配量，再结合各个分 布式储能电站上报的输出功率，计算控制所需要的协调信息，并将之下发给各个 储能站；各个储能站再根据电网下发的协调信息，修正未来一段时间的输出功 率，并将修正值上报给协调器。等迭代收敛，就可以得到各个分布式储能电站优 化输出功率，以平衡微电网未来一段时间的功率失配量。

该方法具体可包括以下步骤：

1)置迭代次数m=0，各子控制器初始化储能站的未来一段时间的输出功率 曲线并将上传协调器，令迭代次数m=1；

2)进行第m次迭代，协调器根据未来一段时间分布式发电和负荷用电的预 测值得到失配量D（定义为发电功率减去用电功率），其由k=0到T-1时刻的 D(k)所组成（D(k)表示失配量在第k时段的值），协调器计算对第i个分布式储 能电站的协调信息其中是第m-1次迭代后第i 个分布式储能站上报的输出功率，由k=0到T-1的所组成表示输 出功率功率曲线在第k时段的值），而α是常系数，可取为1/N，其中N是储能站 的数目，C表示第i个分布式储能站的运行成本函数，C′表示成本函数的导数。 将该协调信息下发各电动汽车的子控制器；

3)子控制器i接收协调信息通过式（5）获得最优解（由 K,所组成）：

$\underset{P_i^{m^{*}}\left(0\right),...,P_i^{m^{*}}(T-1)}{\min }\underset{k=0}{\overset{T-1}{\Sigma }}{\Delta }_i^{m-1}\left(k\right)P_i^m\left(k\right)+0.5\underset{k=0}{\overset{T-1}{\Sigma }}{(P_i^m\left(k\right)-P_i^{m-1}\left(k\right))}^2$

$E_i^m(k+1)=E_i^m\left(k\right)+P_i^m\left(k\right)\mathrm{\Delta t},k=0,...,T-1\left(a\right)$

${\underset{~}{E}}_i\left(k\right)\le E_i^m\left(k\right)\le {\tilde{E}}_i\left(k\right),k=1,...,T-1\left(b\right)$

${\underset{~}{P}}_i\left(k\right)\le P_i^m\left(k\right)\le {\tilde{P}}_i\left(k\right),k=0,...,T-1\left(c\right)---\left(5\right)$

式中，K,为优化变量，其余变量均为已知参数： K,是协调信息在0到T-1时段的分量，表示第k时段 的储能站的储能值；和表示对应物理量的下限和上限；Δt表示优化时的时间步 长；T是优化所设计的时间段个数，如总接入时间是8小时，时间步长Δt是1小 时，那么接入充电时间段个数T=8。其中(a)表示储能站输出功率和储能值的关 系，(b)表示储能站储能值的范围约束，(c)表示储能站输出功率约束；

将最优解反馈发回协调器；

4)协调器得到反馈信息后，进行判断：如果两次迭代中每个储能站的和 足够接近，迭代收敛，进入步骤5）；否则令m=m+1，返回步骤2）；

5)迭代收敛后，各储能电站的P_i就是能够平衡微网内不平衡功率的最优输出 功率。

与现有技术相比，本方法具有分布式控制的优点，适应微网储能站的物理分 布特性，又有较高的效率，可以顺利求解目前已有技术难以解决的大规模问题。