光储分布式微网系统中多元储能的协同调度策略

摘要

一种光储分布式微网系统中多元储能的协同调度策略，所基于的多元储能用双级式变流器拓扑结构包括前级双向DC/DC变换单元和后级DC/AC变换单元。蓄电池用双向DC/DC变换单元与超级电容用双向DC/DC变换单元共直流母线，通过DC/AC变换单元经LC滤波器与负荷和大电网连接。对多元储能用双级式变流器协同调度的方法为：分布式光储微网系统在并网模式下，对多元储能用双级式变流器进行双重滤波控制，控制储能元件用于平滑光伏输出功率波动，并根据超级电容器荷电状态及蓄电池荷电状态对各自的滤波参数进行调节；分布式光储微网系统在离网情况下，控制储能元件为分布式光储微网系统提供电压和频率支撑，分布式光储微网系统联合为负载供电；所述的储能元件为蓄电池和超级电容器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种分布式光储微网系统的多元储能协同调度方法。 

背景技术

分布式并网光伏处于用户附近，可就近解决用户用电，减少用户对电网供电的依赖，降低电网线路损耗；并且在适当条件下，配合储能系统，结合协调控制策略，可以脱离电网形成孤网独立运行。 

分布式光伏发电并网运行时，可以利用储能系统有效降低并网光伏发电输出功率波动对电网造成的负面影响，保障光伏发电可靠的并入常规电网。在孤岛运行模式下，利用储能系统的快速响应能力，可以在负荷波动时满足微网运行的电能质量要求，也最大程度的满足负荷的功率需求。同时，将功率型储能器件和能量型储能器件通过功率电路进行组合，配合协调控制策略，形成混合储能，可以使功率型储能器件和能量型储能器件实现优势互补，提升储能系统的性能，在解决可再生能源波动等场合具有更高的应用价值。 

国内外文献中出现过混合储能系统在并网条件下参与平抑功率波动，离网条件下参与电压频率控制的描述，但没有提出一种适用于混合储能系统的，在并网以及离网中普遍适用的调度方法。 

发明内容

本发明的目的是克服现有单一蓄电池储能功率密度低的缺点，提出一种分布式光储微网系统中多元储能的协同调度策略。本发明根据不同储能技术的优势，提出了一种多源储能用的双级式变流器拓扑，通过该拓扑结构组成多元储能系统，并提出协同调度策略，使混合储能系统在分布式光储微网系统并、离网条件下更好的发挥作用。可以充分利用蓄电池能量密度高与超级电容功率密度高的互补特性，优化蓄电池的充放电过程，延长其使用寿命。 

本发明采用以下技术方案： 

本发明控制方法基于分布式光储微网系统的混合储能用双级式变流器。该混 合储能用双级式变流器的拓扑结构包括前级双向DC/DC变换单元和后级DC/AC变换单元。蓄电池用双向DC/DC变换单元与超级电容用双向DC/DC变换单元共同接在直流母线上，直流母线再接到DC/AC变换单元的直流侧，通过LC滤波器与负荷和大电网相连。 

所述的超级电容器和蓄电池构成储能元件。本发明多元储能用双级式变流器协同调度方法为：分布式光储微网系统并网模式下，对所述的双级式变流器进行双重滤波控制，控制储能元件用于平滑光伏输出功率波动，并根据超级电容器荷电状态及蓄电池荷电状态对各自的滤波参数进行调节。在分布式光储微网系统离网情况下，控制控制储能元件为分布式光储微网系统提供电压和频率支撑，分布式光储微网系统联合为负载供电。 

具体如下： 

(1)所述的混合储能用双级式变流器在分布式光储微网系统并网模式下的双重滤波控制策略如下： 

定义P_pv为光伏系统输出功率。其中第一重滤波用以改善分布式光储微网系统并网功率特性，可以采用一阶低通滤波器实现。该一阶低通滤波器表达式为： 

P₁＝P_pv·T₁

其中P₁为第一重滤波输出值，T₁为该第一重滤波器参数。 

将经一阶低通滤波器第一重滤波的输出值P₁作为光伏系统与混合储能系统构成的光伏-混合储能发电系统的并网功率，即令并网功率P_out＝P₁，因此并网功率P_out是光伏系统输出功率经过低通滤波后输出的值，其波动特性将得到改善。调节第一重滤波器参数T₁可对光伏系统输出功率波动特性进行调节，第一重滤波器参数T₁减小，第一重滤波器截止频率降低，并网功率趋于平滑；第一重滤波器参数T₁增大，第一重滤波器截止频率增高，并网功率波动变大。根据电网对于光伏电站并网功率波动的相关要求，可以确定第一重滤波器参数T₁的最大值T₁max和最小值T₁min。 

第二重滤波用于实现储能元件之间的功率合理分配，与第一重滤波相同，第二重滤波也对光伏系统输出功率进行一阶低通滤波，该第二重一阶低通滤波器表达式为： 

P₂＝P_pv·T₂

其中P₂为第二重滤波输出值，T₂为该第二重滤波器参数。 

第二重滤波是在第一重滤波的基础上对储能元件进行功率分配，令T₂≥T₁，使第二重滤波输出中包含更多的高频分量，由此可以得到超级电容器的补偿功率 为： 

$P_{\mathrm{sc}}^{*}=P_{\mathrm{pv}}-P_2$

由于将第一重滤波的输出结果作为光伏-混合储能发电系统的并网功率，因此第一重和第二重两重滤波之间的差值即为所需补偿功率中的低频部分，将第一重和第二重两重滤波之间的差值作为蓄电池补偿功率的给定值

$P_{\mathrm{bat}}^{*}=P_1-P_2$

综上所述，可以通过调节第二重滤波器参数T₂来调整超级电容器承担的功率大小，通过调节第一重滤波器参数T₁来调整蓄电池承担的功率大小。当T₂＝T₁时，两重滤波器的参数相同，超级电容器承担所有功率；当第二重滤波器参数T₂＝1时，第二重滤波器失效，超级电容器不承担功率，因此第二重滤波器参数T₂的调节范围是[T1,1]。 

分布式光储微网系统并网模式下，根据超级电容器荷电状态及蓄电池荷电状态对各自的滤波参数进行调节的策略如下： 

已知储能元件的总体补偿功率P_hes＝P_pv–P_out。将储能元件的荷电状态分为五个区域，为： 

0～SOC_min，SOC_min～SOC_low，SOC_low～SOC_high，SOC_high～SOC_max，SOC_max～1。 

1、根据超级电容器荷电状态SOCsc控制超级电容器的充放电，超级电容器的荷电状态SOCsc可通过测量超级电容的端电压得到。 

1)当P_hes＝0时，超级电容器既不充电也不放电，分布式光储微网系统按光伏系统输出功率向电网传送功率； 

2)当P_hes>0时，超级电容器处于放电状态，第二重滤波器参数T₂的调节根据超级电容器的荷电状态分为以下几种情况： 

①若0<SOCsc<SOCmin，为防止超级电容器过放现象发生，此时超级电 容器只充电不放电，因此第二重滤波器参数T₂＝1； 

②若SOCmin≤SOCsc<SOClow，此时超级电容器处在放电能力不足，充电能力有余的状态，第二重滤波器参数T₂的调节与荷电状态成下列关系： 

$T_2=1-\frac{({\mathrm{SOC}}_{\mathrm{sc}}-{\mathrm{SOC}}_{\min })(1-T_1)}{{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{low}}-{\mathrm{SOC}}_{\min }}$

③若SOC_low≤SOCsc<1， 

在SOC_low～SOC_high，SOC_high～SOC_max，SOC_max～1这三块区域里，超级电容器均具有较强的放电能力，此时超级电容器承担储能元件的所有功率，即T₂＝T₁。 

3)同理，当P_hes<0时，超级电容器处于充电状态，此时第二重滤波器参数T₂的调节根据超级电容器的荷电状态SOCsc也分为以下几种情况： 

①若0<SOCsc<SOC_high， 

在0～SOC_min，SOC_min～SOC_low，SOC_low～SOC_high这三块区域超级电容器均具有较强的充电能力，因此T₂＝T₁； 

②若SOC_high≤SOCsc<SOC_max，在此区域超级电容器充电能力不足，放电能力有余，第二重滤波器参数T2根据超级电容的荷电状态SOCsc按下列规律变化： 

$T_2=T_1+\frac{({\mathrm{SOC}}_{\mathrm{sc}}-{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{high}})(1-T_1)}{{\mathrm{SOC}}_{\max }-{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{high}}}$

③若SOCmax≤SOCsc<1，为防止超级电容器过充现象发生，此时应禁止向超级电容器充电，因此T₂＝1。 

所述的第一重滤波器用于调节光伏-混合储能发电系统的并网功率。 

2、当超级电容器的荷电状态位于区间[SOC_low,SOC_high]之外时，超级电容器面临充电或放电能力不足的问题，此时需利用蓄电池补充部分功率。而如果蓄电池持续放电或充电，其荷电状态也会趋于0或1，此时需根据蓄电池的荷电状态SOC_bat调节第一重滤波器参数T₁，防止蓄电池发生过充或过放现象。第一重滤波器参数T₁的调节过程如下述，第二重滤波器参数T₂的调节过程和第一重滤波器参数T₁的调节过程类似。 

1)当P_hes＝0时，T₁不变。 

2)当P_hes>0时，蓄电池处于放电状态，此时T₁的调节根据蓄电池荷电状态SOCbat分为以下几种情况，所述蓄电池的荷电状态根据蓄电池的充放电电流得到，采用专用设备可以实时显示蓄电池的荷电状态： 

①若0<SOCbat<SOCmin，为防止蓄电池过放现象发生，令T₁＝T₁max；T_1max为T₁的最大值。 

②若SOCmin≤SOCbat<SOClow，此时蓄电池放电能力不足，T₁根据蓄电池荷电状态按如下规律变化： 

$T_1=T_{1\max }-\frac{({\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}-{\mathrm{SOC}}_{\min }){(T}_{1\max }-T_{1\min })}{({\mathrm{SOC}}_{\mathrm{low}}-{\mathrm{SOC}}_{\min })}$

③若SOClow≤SOCbat<1， 

在SOC_low～SOC_high，SOC_high～SOC_max，SOC_max～1这三个区域，蓄电池均具有较强的放电能力，因此T₁＝T₁min。T_1min为T₁的最小值。 

3)同上，当P_hes<0时，蓄电池处于充电状态，此时对T₁的调节分为以下几种情况： 

①若0<SOCbat<SOChigh， 

在0～SOC_min，SOC_min～SOC_low，SOC_low～SOC_high这三块区域蓄电池均具有较强的充电能力，因此T₁＝T₁min；T_1min为T₁的最小值。 

②若SOChigh≤SOCbat<SOCmax，在此区域蓄电池充电能力不足，T₁与蓄电池荷电状态SOCbat成下列关系： 

$T_1=T_{1\min }+\frac{({\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}-{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{high}}){(T}_{1\max }-T_{1\min })}{({\mathrm{SOC}}_{\max }-{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{high}})}$

③若SOCmax≤SOCbat<1，为避免蓄电池过充现象发生，此时T₁＝T₁max。T_1max为T₁的最大值。 

(2)分布式光储微网系统孤岛运行时，对储能元件的协调控制策略如下： 

分布式光储微网系统孤岛运行时，如果光伏系统功率输出或负荷之间功率不平衡时，所述的混合储能用双级式变流器中，与后级DC/AC变换单元连接的直流母线电压会发生波动。由于蓄电池和超级电容器组成的储能元件中的超级电容器是功率型储能装置，输出功率变化速度快，所以此时超级电容用双向DC/DC 变换单元采用直流母线电压外环，充放电电流内环的双闭环控制策略，使超级电容器优先动作补偿功率缺额，同时对直流母线电压进行调节。随着调节的进行，直流母线电压逐渐稳定到参考值。但超级电容器本身能量密度较小，很容易达到最大或最小限值，因此本发明通过一个PI控制环逐步把超级电容器承担的负荷缺额转移给蓄电池，由蓄电池来承担负荷缺额的补偿。在直流母线电压稳定时，超级电容器不再输出功率，此时分布式光储微网系统净负荷的功率缺额由蓄电池全部补偿，则微网孤岛净负荷功率如下： 

P_net-load＝P_load-P_pv＝P_bat

如果蓄电池无法全部补偿孤岛运行时分布式光储微网系统的功率缺额，超级电容器就需要承担剩余的功率缺额，以保证分布式光储微网系统的电能质量要求和负荷的功率需求。 

超级电容器输出功率Psc与输出功率参考值P*sc做差，即为分布式光储微网系统孤岛运行时的瞬时功率缺额，再通过PI控制环调节得到分布式光储微网系统孤岛条件下稳定时的功率缺额P_sy，如果P_sy未超出蓄电池的功率限值，此时蓄电池输出功率的参考值与P_sy相等，如果P_sy超出了蓄电池的功率限值，蓄电池输出功率为上限值或下限值。其中储能元件中的超级电容器输出功率的参考值P*sc的大小取决于分布式光储微网系统稳定时的功率缺额P_sy与蓄电池输出功率的上限值P_{bat_max}、下限值P_{bat_min}，即： 

当P_{bat_min}≤P_sy≤P_{bat_max}时，分布式光储微网系统稳定时的功率缺额P_sy未超出蓄电池输出功率的上限值或下限值，即分布式光储微网系统稳定时的功率缺额由蓄电池全部供给，不存在剩余功率，超级电容不需要参与功率调节，此时超级电容的功率输出参考值为： 

P_{sc_ref}＝0 

当P_sy＜P_{bat_min}＜0或者P_sy＞P_{bat_max}＞0时，分布式光储微网系统稳定时的功率缺额P_sy超出蓄电池输出功率的上限值或下限值，蓄电池无法再进行充电或者放电，此时分布式光储微网系统存在剩余功率，需要超级电容参与功率调节，补偿剩余功率，即： 

P_{sc_ref}＝P_sy-(P_{bat_max},P_{bat_min})。 

3、综上所述，对所述的混合储能用双级式变流器的控制策略如下： 

在分布式光储微网系统并网运行时，对所述的混合储能用双级式变流器的蓄电池用双向DC/DC变换单元与超级电容用双向DC/DC变换单元采用功率控制，对后级DC/AC变换单元采用直流母线电压外环，并网电流内环的双闭环控制策略。具体控制流程如下：通过双重滤波控制策略得到的蓄电池补偿功率的给定值P^*_bat与超级电容器输出功率的参考值P^*_sc分别除以蓄电池与超级电容的端电压，即可得到蓄电池的有功电流给定值I^*_bat与超级电容器的有功电流给定值I^*_sc，将蓄电池的有功电流给定值I^*_bat与超级电容器的有功电流给定值I^*_sc分别与实测的蓄电池充放电电流I_bat和实测的超级电容充放电电流I_sc做差，经PI环节调节后，再经PWM调制分别得到蓄电池用双向DC/DC变换单元与超级电容用双向DC/DC变换单元的开关信号；此时网侧变流器的主用作用是控制直流母线的电压，无功功率的指令值置0。直流母线电压的指令值U^*_dc与实际值U_dc做差后，经过PI调节器得到d轴有功电流给定I^*_d，d轴有功电流给定I^*_d，再与实际d轴电流I_d做差，经过PI调节后再经解耦控制，便得到了d轴有功电压指令值U^*_d。此处的无功功率设定直接就是q轴电流的给定值，q轴电流的给定值通过与实际值I_q做差，经过PI后再经解耦控制就得到了q轴无功电压指令值U^*_q。dq轴电压指令值经过旋转变换后得到了abc三相电压参考波，通过SPWM算法便可以得到控制网侧变流器开关管的开关信号。 

在分布式光储微网系统孤岛运行条件下，对蓄电池用双向DC/DC变换单元仍为功率控制，而对超级电容用双向DC/DC变换单元采用直流母线电压外环、充放电电流内环的双闭环控制策略。具体控制流程如下：采集直流母线电压实际值Udc与直流母线电压指令值U*dc做差后，经过PI调节器得到超级电容充放电电流的给定值I*sc,将超级电容充放电电流的给定值I*sc与实测的超级电容充放电电流Isc做差，经PI环节后，再经PWM调制得到超级电容用双向DC/DC变换单元的开关信号。此时后级DC/AC变换单元采用V/f控制策略，控制方法为采集双级式变流器负载侧电压U_L，经过坐标变换得到dq坐标轴下的电压分量ULd、ULq，dq坐标轴下的电压分量ULd、ULq分别与ULd、ULq的给定值ULdref、ULqref做差，经PI补偿环节得到电流内环给定值I^*d、I^*q。采集双级式变流器后级DC/AC变换单元中采用的LC滤波器中的滤波电感电流i，经坐标变换得到 dq坐标轴下的电流分量id、iq，dq坐标轴下的电流分量id、iq分别与电流内环给定值I^*d、I^*q做差，经过PI补偿环节和前馈解耦环节，得到电压参考值经坐标反变换和PWM调制环节，即可得到控制网侧变流器开关管的开通关断信号，从而保证了输出电压幅值和频率的恒定。 

附图说明

图1本发明变流器的拓扑结构图； 

图2第二重滤波器参数T₂调节流程图； 

图3第一重滤波器参数T₁调节流程图； 

图4并网运行控制策略图； 

图5孤岛运行控制策略图。 

具体实施方式

以下结合图和具体实施方式对本发明作进一步说明。 

图1为本发明方法所采用的混合储能用双级式变流器的拓扑结构。该混合储能用双级式变流器包括前级双向DC/DC变换单元和后级DC/AC变换单元。蓄电池用双向DC/DC变换单元与超级电容用双向DC/DC变换单元共直流母线，蓄电池与超级电容先分别连接蓄电池用双向DC/DC变换单元与超级电容用双向DC/DC变换单元，然后再连接DC/AC变换单元，通过DC/AC变换单元连接交流母线，再经LC滤波器与负荷和大电网相连。 

图2为第二重滤波器参数T₂调节流程图，当P_hes>0时，超级电容器处于放电状态，第二重滤波器参数T₂的调节根据超级电容荷电状态SOCsc分为以下几种情况： 

①若0<SOCsc<SOCmin，为防止超级电容器过放现象发生，此时超级电容器只充电不放电，因此T₂＝1； 

②若SOCmin≤SOCsc<SOClow，此时超级电容器处在放电能力不足，充电能力有余的状态，T2的调节与荷电状态成下列关系： 

$T_2=1-\frac{({\mathrm{SOC}}_{\mathrm{sc}}-{\mathrm{SOC}}_{\min })(1-T_1)}{{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{low}}-{\mathrm{SOC}}_{\min }}$

③若SOC_low≤SOCsc<1， 

在SOC_low～SOC_high，SOC_high～SOC_max，SOC_max～1这三块区域，超级电容器均具有较强的放电能力，此时超级电容器承担储能元件的所有功率，即T2＝T1。 

当P_hes<0时，超级电容器处于充电状态，此时T₂的调节根据超级电容器荷电状态也分为以下几种情况： 

①若0<SOCsc<SOChigh， 

在0～SOC_min，SOC_min～SOC_low，SOC_low～SOC_high这三块区域超级电容器均具有较强的充电能力，因此T₂＝T₁； 

②若SOChigh≤SOCsc<SOCmax，在此区域超级电容器充电能力不足，放电能力有余，T₂根据超级电容器荷电状态按下列规律变化： 

$T_2=T_1+\frac{({\mathrm{SOC}}_{\mathrm{sc}}-{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{high}})(1-T_1)}{{\mathrm{SOC}}_{\max }-{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{high}}}$

③若SOCmax≤SOCsc<1，为防止超级电容器过充现象发生，此时应禁止向超级电容器充电，因此T₂＝1。 

图3为第一重滤波器参数T₁调节流程图。当P_hes>0时，蓄电池处于放电状态，此时T₁的调节根据蓄电池荷电状态分为以下几种情况： 

①若0<SOCbat<SOCmin，为防止蓄电池过放现象发生，令T₁＝T₁max；T_1max为T₁的最大值。 

②若SOCmin≤SOCbat<SOClow，此时蓄电池放电能力不足，T₁根据蓄电池荷电状态按如下规律变化： 

$T_1=T_{1\max }-\frac{({\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}-{\mathrm{SOC}}_{\min }){(T}_{1\max }-T_{1\min })}{({\mathrm{SOC}}_{\mathrm{low}}-{\mathrm{SOC}}_{\min })}$

③若SOClow≤SOCbat<1， 

在SOC_low～SOC_high，SOC_high～SOC_max，SOC_max～1这三个区域，蓄电池均具有较强的放电能力，因此T₁＝T₁min。T_1min为T₁的最小值。 

当P_hes<0时，蓄电池处于充电状态，此时对T₁的调节分为以下几种情况： 

①若0<SOCbat<SOChigh， 

在0～SOC_min，SOC_min～SOC_low，SOC_low～SOC_high这三块区域蓄电池均具有较强的充电能力，因此T₁＝T₁min；T_1min为T₁的最小值。 

②若SOChigh≤SOCbat<SOCmax，在此区域蓄电池充电能力不足，T₁与荷电状态成下列关系： 

$T_1=T_{1\min }+\frac{({\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}-{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{high}}){(T}_{1\max }-T_{1\min })}{({\mathrm{SOC}}_{\max }-{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{high}})}$

③若SOCmax≤SOCbat<1，为避免蓄电池过充现象发生，此时T₁＝T₁max。T_1max为T₁的最大值。 

图4为分布式光储微网系统并网运行时对混合储能用双级式变流器的控制策略图。如图4所示，将通过双重滤波控制策略得到的蓄电池和超级电容的有功功率给定值P^*_bat与P^*_sc分别除以蓄电池与超级电容的端电压，即可得到有功电流给定值I^*_bat与I^*_sc，将蓄电池的有功电流给定值I^*_bat与超级电容器的有功电流给定值I^*_sc分别与实测的蓄电池充放电电流I_bat和实测的超级电容充放电电流I_sc做差，经PI环节后，再经PWM调制分别得到蓄电池用双向DC/DC变换单元与超级电容用双向DC/DC变换单元的开关信号；此时网侧变流器的主用作用就是控制直流母线的电压，无功功率的指令值置0。直流母线电压的指令值U^*_dc与实际值U_dc做差后，经过PI调节器得到d轴有功电流给定I^*_d，d轴有功电流给定I^*_d再与实际d轴电流I_d做差，经过PI调节后再经解耦控制，就得到了d轴有功电压指令值U^*_d。此处的无功功率设定直接就是q轴电流的给定值，将q轴电流给定值与实际值I_q做差，经过PI后，再经解耦控制就得到了q轴无功电压指令值U^*_q。dq轴电压指令值经过旋转变换后得到了abc三相电压参考波，通过SPWM算法就可以得到控制网侧变流器的开关信号。 

图5为分布式光储微网系统孤岛运行对混合储能用双级式变流器控制策略图。具体控制流程如下：如图5所示，采集直流母线电压实际值Udc与指令值U*dc做差后，经过PI调节器得到超级电容充放电电流的给定值I*sc，将超级电容充放电电流的给定值I*sc与实测的超级电容充放电电流Isc做差，经PI环节后，再经PWM调制得到超级电容用双向DC/DC变换单元的开关信号。此时后级DC/AC变换单元采用V/f控制策略，控制流程为采集负载侧电压U_L，经过坐标变换得到dq坐标轴下的电压分量ULd、ULq，dq坐标轴下的电压分量ULd、ULq分别与给定 值ULdref、ULqref做差，经PI补偿环节得到电流内环给定值I^*d、I^*q。采集滤波电感电流i，经坐标变换得到dq坐标轴下的电流分量id、iq，dq坐标轴下的电流分量id、iq分别与I^*d、I^*q做差，经过PI补偿环节和前馈解耦环节，得到电压参考值电压参考值经坐标反变换和PWM调制环节，即可得到网侧变流器开关管的开通关断信号，以此信号控制开关管从而保证了输出电压幅值和频率的恒定。