基于模糊控制规则的微电网混合储能系统功率分配方法

摘要

本发明涉及一种基于模糊控制规则的微电网混合储能系统功率分配方法，实现微电网混合储能系统中变滤波时间常数的功率分配策略，该方法根据储能单元的荷电状态，对低通滤波器的时间常数进行调节，动态的调整储能单元的充放电功率，使储能单元的荷电状态维持在一定的范围内，避免储能单元过充电、过放电，有利于实现微电网中混合储能系统的功率平衡。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微电网控制方法，特别涉及一种基于模糊控制规则的微电 网混合储能系统功率分配方法。

背景技术

为了保证微电网运行的稳定性，保持实时功率供电平衡，需对混合储能系 统加以合理的控制。微电网功率分布如图1所示。系统中储能单元(蓄电池和 超级电容器)均通过buck/boost功率变换器与直流母线相连，实现功率的双向 流动。

目前，国内外对微电网储能系统的控制策略展开了研究。陈益哲提出了基 于短期负荷预测的微电网储能系统主动控制策略，在考虑蓄电池容量、充放电 次数限制的情况下，根据负荷预测的结果，主动的控制蓄电池的充放电，优化 蓄电池的充放电曲线。张国驹等采用超级电容器作为微电网的储能单元，建立 了互补PWM控制的小信号等效模型，应用双闭环控制和功率前馈环节实现了直 流母线电压的稳定。但是单一的储能单元往往不能很好的兼顾微电网对于能量 和功率的要求。Dougal R A等提出了蓄电池-超级电容器混合储能的概念，并从 理论上证明了混合储能系统在性能上的优越性。戴咏喜等针对脉冲型负载，设 计了一种有源式混和储能连接方式，优化了蓄电池的放电状态。王虹富等采用 蓄电池-超级电容器混和储能系统，蓄电池和超级电容器根据各自特性分别平抑 低频和高频的功率波动，平滑了并网的风光有功功率，提高了并网的电能质量。 现有对混合储能的研究，主要集中于平抑并网功率的控制策略，而对独立运行 微电网的电量实时平衡和电压稳定的研究较少。

发明内容

本发明是针对独立运行微电网的电量实时平衡、电压稳定的问题，提出了 一种基于模糊控制规则的微电网混合储能系统功率分配方法，是一种基于模糊 控制的变滤波时间常数的功率分配策略，该方法根据储能单元的荷电状态，对 低通滤波器的时间常数进行调节，动态的调整储能单元的充放电功率，使储能 单元的荷电状态维持在一定的范围内，避免储能单元过充电、过放电，有效的 维持了直流母线电压的稳定。

本发明的技术方案为：一种基于模糊控制规则的微电网混合储能系统功率 分配方法，根据负载的功率需求和分布式电源的功率输出，计算出微电网混和 储能系统需要平抑的功率值；根据储能单元的荷电状态，采用模糊控制规则调 节滤波时间常数的大小，修正蓄电池和超级电容器的补偿功率值，进行微电网 混和储能系统的功率优化分配。

所述模糊控制规则调节滤波时间常数的大小，具体包括：

1)把综合负荷功率P_hun看作是低频与高频两种分量的叠加，综合负荷功率P_hun通 过低通滤波器后只剩余低频部分P_{bat_ref}，这部分由蓄电池吸收或补偿，即 P_{bat_ref}作为蓄电池的参考功率；综合负荷功率P_hun与蓄电池的实际功率P_bat做 差，把所得结果P_{uc_ref}作为超级电容器的参考功率；

2)对蓄电池的荷电状态SOC_bat和超级电容器的荷电状态SOC_uc进行归一化处理， 荷电状态表示当前容量与额定容量的百分比，储能荷电状态的隶属度如下：

${\xi }_{\mathrm{bat}\_\mathrm{soc}}=\frac{{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}-{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}\_\mathrm{mid}}}{{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}\_\mathrm{mid}}}$

式中：SOC_{bat_mid}为蓄电池荷电状态的中值；

${\xi }_{\mathrm{uc}\_\mathrm{soc}}=\frac{{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{uc}}-{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{uc}\_\mathrm{mid}}}{{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{uc}\_\mathrm{mid}}}$

式中：SOC_{uc_mid}为超级电容器荷电状态的中值；

将ξ_{bat_soc}和ξ_{uc_soc}做为模糊控制的输入，设定输入量的模糊集为{NB(负大)， ZE(零)，PB(正大)}，其中ξ_{bat_soc}的论域为[-a,a]，ξ_{uc_soc}的论域为[-b,b]，其中 0<a<1，0<b<1，a和b具体大小视储能单元的特性而定，取时间常数修正量△λ 为模糊控制的输出量，模糊集为{NB(负大),NS(负小),ZE(零),PS(正小),PB(正 大)}，相应的模糊论域为{-1,-0.4,0,0.4,1}；

3)制定模糊规则：

当综合负荷功率P_hun<0时：

A:当蓄电池和超级电容器的荷电状态为中间值时，维持预设的时间常数不变；

B:当蓄电池的荷电状态接近下限，而超级电容器荷电状态接近上限时，调小时 间常数T，增大蓄电池的充电功率；

C:当蓄电池的荷电状态接近上限，而超级电容器荷电状态接近下限时，调大时 间常数T，增大超级电容器的充电功率；

当综合负荷功率P_hun>0时：

a:当蓄电池和超级电容器的荷电状态为中间值时，维持预设的时间常数不变；

b:当蓄电池的荷电状态接近下限，而超级电容器荷电状态接近上限时，调大时 间常数T，减小蓄电池的放电功率；

c:当蓄电池的荷电状态接近上限，而超级电容器荷电状态接近下限时，调小时 间常数T，减小超级电容器的放电功率；

4)去模糊化得到修正后时间常数：

采用加权平均法进行去模糊计算，得到参考功率的修正系数△λ，-1≤△λ≤1，

$\mathrm{\Delta \lambda }=\frac{\underset{i}{\Sigma }\underset{j}{\Sigma }{u}_{1i}\left({\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}\right)u_{2j}\left({\mathrm{SOC}}_{\mathrm{uc}}\right)\Delta {\lambda }_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\Sigma \Sigma }{u}_{\mathrm{ii}}\left({\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}\right)u_{2j}\left({\mathrm{SOC}}_{\mathrm{uc}}\right)},$

式中：u_1i(SOC_bat)为输入量SOC_bat的第i个隶属度值；u_2j(SOC_uc)为输入量SOC_uc的第j个隶属度值，修正后的低通滤波器时间常数为：

T^*＝T+△λT。

本发明的有益效果在于：本发明基于模糊控制规则的微电网混合储能系统 功率分配方法，通过模糊控制规则调整功率分配低通滤波时间常数的大小，修 正蓄电池和超级电容器的补偿功率值，有利于实现微电网混合储能系统的功率 平衡。

附图说明

图1为微电网功率分布图；

图2为本发明功率初步分配控制框图；

图3为本发明输入输出隶属函数图；

图4为本发明不采用模糊控制规则时储能单元的荷电状态图；

图5为本发明采用模糊控制规则时储能单元的荷电状态图。

具体实施方式

独立微网中混合储能的控制主要综合负荷功率在储能单元之间的功率分 配。提出了基于模糊控制规则的变时间常数功率分配策略，根据储能单元的荷 电状态，制定相应的模糊控制规则，适当的调节低通滤波时间常数的大小，修 正蓄电池和超级电容器的补偿功率值。

基于模糊控制规则的变滤波时间常数功率分配策略：

功率分配的目的是实现系统的功率平衡，根据负载的功率需求和分布式电 源的功率输出，计算出混和储能系统需要平抑的功率值。然后再根据蓄电池、 超级电容器的充放电特点和对应的荷电状态，分别算出蓄电池和超级电容器的 功率参考值。

由于系统采用直流母线结构，系统运行时必须保证系统母线电压恒定，母 线电压与各功率单元的关系为：

$C_{\mathrm{dc}}{u}_{\mathrm{dc}}\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}=P_{\mathrm{wt}}+P_{\mathrm{pv}}+P_{\mathrm{bat}}+P_{\mathrm{uc}}-P_{\mathrm{load}}---\left(1\right)$

式中：C_dc为直流母线电容；u_dc为直流母线电压；P_wt为风力发电功率；P_pv为光 伏发电功率；P_bat为蓄电池功率；P_uc为超级电容器功率；P_load为负荷功率。

当P_bat、P_uc为正时，表示蓄电池、超级电容器发出功率，当P_bat、P_uc为负时， 表示蓄电池、超级电容器吸收功率。

系统稳定运行时直流母线电压恒定，功率实时平衡，即分布式电源与负荷 的差额功率完全由混合储能单元吸收或弥补，如式2所示。

P_wt+P_pv+P_bat+P_uc-P_load＝0    (2)

本发明采用综合负荷的概念，即把分布式电源(风力发电单元、光伏发电 单元)的输出功率与负荷的需求功率综合在一起考虑。由于发电单元和负荷都 有一定的随机波动性，使得综合负荷也是一个随机波动的功率。

P_load-(P_wt+P_pv)＝P_hun    (3)

式中：P_hun为综合负荷功率。

微电网稳态运行时，系统功率实时平衡，储能系统发出的功率完全平抑综 合负荷功率，如式(4)所示。

P_bat+P_uc＝P_hun    (4)

1、基于低通滤波的功率分配：

综合负荷功率可以看成是不同频率的波动分量叠加的结果，假设将其分解 为低频波动分量和高频波动分量，则可通过不同的储能单元分别平抑低频波动 和高频波动。混合储能系统中，蓄电池能量密度高，适合于吸收或发出低频功 率分量；而超级电容器充放电速度快，适合于吸收或补充高频功率分量。

设蓄电池的参考功率为P_{bat_ref}、超级电容器的参考功率为P_{uc_ref}。图2功 率初步分配控制框图中，把综合负荷功率P_hun看作是低频与高频两种分量的叠 加，综合负荷功率P_hun通过低通滤波器后只剩余低频部分P_{bat_ref}，这部分由蓄 电池吸收或补偿，即P_{bat_ref}作为蓄电池的参考功率；综合负荷功率P_hun与蓄电 池的实际功率P_bat做差，把所得结果P_{uc_ref}作为超级电容器的参考功率。

蓄电池的参考功率为：

$P_{\mathrm{bat}\_\mathrm{ref}}=\frac{1}{1+\mathrm{TS}}{P}_{\mathrm{hun}}---\left(5\right)$

式中：T为低通滤波时间常数。

通常蓄电池的端电压U_b变化很小，在一定时间内把U_b看做恒定不变，则蓄 电池的参考电流为：

$i_{\mathrm{bat}\_\mathrm{ref}}=\frac{P_{\mathrm{bat}\_\mathrm{ref}}}{U_b}---\left(6\right)$

超级电容器的参考功率为：

P_{uc_ref}＝P_hun-P_bat    (7)

由上述可知，时间常数T越大，蓄电池所承担的功率就愈平缓，超级电容器 所补偿的频率范围就越大；时间常数T越小，蓄电池所承担的功率波动越大，超 级电容器所补偿的频率范围相应缩小。采用基本滤波算法时，时间常数T为定值， 未考虑储能单元的荷电状态，容易导致储能单元过充、过放电。因此，本发明 在基本滤波算法的基础上，加上荷电状态反馈环节。当储能单元的荷电状态在 一定范围内时，采用预先设定的时间常数，进行功率分配，若某一储能单元的 荷电状态接近上下限时，基于模糊控制调整时间常数，从而修正蓄电池和超级 电容器的参考功率P_{bat_ref}、P_{uc_ref}，使储能单元的荷电状态保持在规定范围内。

2、基于模糊控制规则的时间常数调整：

对于混和储能系统，难以给低通滤波器设置精确的时间常数来实现功率分 配，为使混和储能系统功率分配时考虑各个储能单元的荷电状态，本发明采用 模糊控制策略调节滤波时间常数的大小，进行混和储能系统的功率优化分配。 本发明选择储能单元的荷电状态SOC_bat和SOC_uc为输入量，时间常数的修正系数 △λ为输出量。

1)确立输入、输出的模糊子集和隶属函数：

首先对蓄电池的荷电状态SOC_bat和超级电容器的荷电状态SOC_uc进行归一化 处理。荷电状态表示当前容量与额定容量的百分比，储能荷电状态的隶属度如 下：

${\xi }_{\mathrm{bat}\_\mathrm{soc}}=\frac{{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}-{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}\_\mathrm{mid}}}{{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}\_\mathrm{mid}}}---\left(8\right)$

式中：SOC_{bat_mid}为蓄电池荷电状态的中值。

${\xi }_{\mathrm{uc}\_\mathrm{soc}}=\frac{{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{uc}}-{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{uc}\_\mathrm{mid}}}{{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{uc}\_\mathrm{mid}}}---\left(9\right)$

式中：SOC_{uc_mid}为超级电容器荷电状态的中值。

将ξ_{bat_soc}和ξ_{uc_soc}做为模糊控制的输入，设定输入量的模糊集为{NB(负大)， ZE(零)，PB(正大)}，其中ξ_{bat_soc}的论域为[-a,a]，ξ_{uc_soc}的论域为[-b,b]，其中 0<a<1，0<b<1，a和b具体大小视储能单元的特性而定，一般来讲超级电容器 的充放电深度大于蓄电池，故b>a。取时间常数修正量△λ为模糊控制的输出量， 模糊集为{NB(负大),NS(负小),ZE(零),PS(正小),PB(正大)}，相应的模糊论域 为{-1,-0.4,0,0.4,1}。图3为输入量和输出量的隶属函数。

2)制定模糊规则

当综合负荷功率P_hun<0时，模糊规则如表1所示。此时模糊规则的制定基 于以下几条经验：

(1)当蓄电池和超级电容器的荷电状态为中间值时，维持预设的时间常数不变；

(2)当蓄电池的荷电状态接近下限，而超级电容器荷电状态接近上限时，适当 调小时间常数T，增大蓄电池的充电功率；

(3)当蓄电池的荷电状态接近上限，而超级电容器荷电状态接近下限时，适当 调大时间常数T，增大超级电容器的充电功率。

当综合负荷功率P_hun>0时，模糊规则如表2所示。此时模糊规则的制定基 于以下几条经验：

(1)当蓄电池和超级电容器的荷电状态为中间值时，维持预设的时间常数不变；

(2)当蓄电池的荷电状态接近下限，而超级电容器荷电状态接近上限时，适当 调大时间常数T，减小蓄电池的放电功率；

(3)当蓄电池的荷电状态接近上限，而超级电容器荷电状态接近下限时，适当 调小时间常数T，减小超级电容器的放电功率。

表1

表2

3)去模糊化

本发明采用加权平均法进行去模糊计算，得到参考功率的修正系数△λ(精 确量)，-1≤△λ≤1。

$\mathrm{\Delta \lambda }=\frac{\underset{i}{\Sigma }\underset{j}{\Sigma }{u}_{1i}\left({\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}\right)u_{2j}\left({\mathrm{SOC}}_{\mathrm{uc}}\right)\Delta {\lambda }_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\Sigma \Sigma }{u}_{\mathrm{ii}}\left({\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}\right)u_{2j}\left({\mathrm{SOC}}_{\mathrm{uc}}\right)}---\left(10\right)$

式中：u_1i(SOC_bat)为输入量SOC_bat的第i个隶属度值；u_2j(SOC_uc)为输入量SOC_uc的第j个隶属度值。

修正后的低通滤波器时间常数为：

T^*＝T+△λT    (11)

图4和图5分别为采用模糊策略前后的储能单元的荷电状态曲线，在不使 用模糊控制规则的情况下，超级电容器有多处超过荷电状态的上下限；在模糊 控制规则的约束下，超级电容器荷电状态的变化范围有所收窄，被控制在合理 的范围内。由于本文中蓄电池的容量较大，荷电状态基本保持在[0.4,0.6]范围 内，容量充足，因此在超级电容器荷电状态将要越过上限时，通过模糊控制规 则调大时间常数T，蓄电池吸收更多的功率；在超级电容器荷电状态将要越过下 限时，通过模糊控制规则调小时间常数T，蓄电池发出更多的功率，降低超级电 容器应发出的功率，避免超级电容器容量枯竭。