交流微电网并网状态下复杂混合储能系统的协调控制方法

摘要

本发明涉及交流微电网储能系统的控制方法，具体为交流微电网并网状态下复杂混合储能系统的协调控制方法。解决目前缺乏针对复杂混合储能系统的控制方法的问题。本发明所述的协调控制方法可以有效地抑制微电网分布式电源输出功率的波动，保证对负载输出功率的稳定；针对锂电池和超级电容器的自身特性，合理分配两者的输入/输出功率，延长锂电池的循环寿命，降低微电网的运行成本；同时为便于锂电池管理，该控制方法合理分配锂电池之间的功率，保证锂电池SOC值统一与同步；实现微电网与大电网的交换功率的可控，可以根据用户需要，实时设置PCC交换功率值，减小微电网对大电网功率预测与发电计划的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及交流微电网储能系统的控制方法，具体为交流微电网并网状态下复杂混合储能系统的协调控制方法。

背景技术

近年来，随着国际能源供需关系日趋紧张，以风机和光伏等可再生能源为主的分布式发电技术和微电网技术得到了越来越多的重视。风机和光伏等可再生能源分布式并网时，通常以最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）方式运行来最大程度地利用可再生能源，可再生能源分布式并入微电网具有随机性和波动性的特点，大量接入分布式电源会对大电网造成冲击，影响大电网的功率预测，因此微电网需要储能设备解决分布式发电输出功率不稳定的问题，有效提高微电网系统的功率调节范围，提高资源的利用效率，保障负荷平稳连续供给。

现有微电网储能系统一般采用单一储能设备平抑功率波动，而不同类型的储能设备具有不同的特点，在实际应用中的作用也不完全相同。锂电池能量密度大但功率密度小，对单独的锂电池储能设备频繁或者过度地充放电会严重影响其使用寿命及动态响应性能；超级电容器具有功率密度大但能量密度小，循环寿命长，但无法长时间大功率的连续运行。微电网的储能设备采用锂电池与超级电容器相结合的混合储能系统，恰好发挥两者的优势，可以互相弥补不足。

现有微电网一般采用单一锂电池与单一超级电容器相结合的混合储能系统。单一锂电池和单一超级电容器组成的混合储能系统接入微电网时，其变换器具有两种连接方式：交流侧并联方式和直流侧并联方式。交流侧并联方式是将锂电池和超级电容器分别通过各自的双向DC/DC变换器、双向DC/AC变换器并联在微电网交流母线，这种连接方式对交流母线电压和频率的变化响应快，可以迅速调度储能设备的输出功率，根据不同储能设备采用相互独立的DC/AC变换器，使储能设备运行更加灵活，也使微电网的扩容更加便捷。直流侧并联方式是将锂电池和超级电容器各自的双向DC/DC变换器在出口并联后再经双向DC/AC变换器接入交流母线，该方式的两个双向DC/DC变换器使用不同的控制方式，分别控制锂电池与超级电容器的充放电过程，可以充分利用两者的优点，优化储能设备的运行。

随着微电网的扩容，单一锂电池和单一超级电容器组成的混合储能系统已无法满足扩容后的微电网的需求，因而出现包含多个锂电池的复杂混合储能系统，但目前缺乏针对复杂混合储能系统的控制方法。

发明内容

本发明解决目前缺乏针对复杂混合储能系统的控制方法的问题，提供一种交流微电网并网状态下复杂混合储能系统的协调控制方法。该方法将多个锂电池与超级电容器进行统一管理，从结构上优化复杂混合储能系统的连接方式，合理分配锂电池与超级电容器之间和多个锂电池之间的功率，在平抑分布式电源功率波动的同时，延长储能设备的循环寿命，实现微电网系统的高效运行。

本发明是采用如下技术方案实现的：交流微电网并网状态下复杂混合储能系统的协调控制方法，复杂混合储能系统包括多个锂电池和一个超级电容器，锂电池各自的双向DC/DC变换器在出口并联后再经其双向DC/AC变换器接入微电网交流母线，超级电容器经其双向DC/DC变换器和双向DC/AC变换器接入微电网交流母线；所述协调控制方法是由如下步骤实现的：

一、复杂混合储能系统的锂电池与超级电容器的双向DC/AC变换器的控制；

为了统一功率流动方向与正负值的关系，定义由微电网母线向外输出的功率为正值，向微电网母线注入的功率为负值，即微电网母线向大电网输出功率、复杂混合储能系统充电功率和负荷功率为正值，大电网向微电网母线供电功率、风机和光伏分布式电源的输出功率和复杂混合储能系统放电功率为负值；

① 启动并初始化上位机，启动微电网设备；

② 初始条件设置：

设置微电网与大电网的交换功率 ：微电网与大电网之间存在交换功率，即在微电网内部分布式电源和复杂混合储能系统输出功率不足以提供负荷运行时，需要向大电网购电。为减少微电网对大电网的功率预测与计划发电的影响，可以在不同时段设置固定的交换功率。国家电网公司会根据微电网容量与气象条件，规定微电网与大电网不同时段的交换功率。

或者采用以下方法确定交换功率：

统计该微电网一段时间以来风机和光伏分布式电源的输出功率、负荷功率一天内不同时段的历史数据，将这些数据依次相加，得到总功率。将总功率依次累加，即

可得到总功率累计值，这时t代表15－30天的一段时间，总功率累计值反映了总电能的流动情况，小于0表示分布式电源的输出功率大于负荷功率，微电网功率过剩；大于0表示分布式电源的输出功率小于负荷功率，微电网功率不足。总功率累计值分为多个时段，为消除用户负荷和气象条件的偶然变化等因素对统计数据影响，对每个时段线性化，然后将每个时段线性化所得到曲线求导可以得到不同时段的微电网与大电网的交换功率。

设置锂电池SOC值的上限值SOC_max与下限值SOC_min；

设置功率阈值和时间阈值；

③ 上位机采集分布式电源功率、复杂混合储能系统和负荷的功率之和，以及各锂电池的的SOC值；

④ 计算复杂混合储能系统需要补偿的功率；

⑤ 将复杂混合储能系统需要补偿的功率进行分配；

a. >0，且任一锂电池的>SOC_max，此时，控制锂电池与超级电容器的DC/AC，使锂电池与超级电容器的输入功率为零，由大电网来吸收功率差额；

b. <0，且任一锂电池的<SOC_min，此时，控制超级电容器的DC/AC使其输出功率为零，由大电网来补偿功率差额，同时控制<SOC_min的锂电池进行预充电，充电至为SOC_min+SOC_min5%停止；

c. >0，且<SOC_min或者SOC_min≤≤SOC_max；<0，且>SOC_max或者SOC_min≤≤SOC_max；此时，若丨丨大于功率阈值，且持续时间大于时间阈值，则控制锂电池和超级电容器的DC/AC，使锂电池的输入/输出功率为，超级电容器的输出/输入功率为0；否则使锂电池输入/输出功率不变，超级电容器输入/输出功率为与此时保持不变的锂电池输出/输入功率的差值；

⑥. 返回第③步；

二、复杂混合储能系统的各锂电池双向DC/DC变换器的控制

按如下公式控制各锂电池的DC/DC双向变换器来实现功率在各锂电池之间的分配，

其中，为第i个锂电池的功率，为第i个锂电池的功率分配系数，分配系数满足下列约束条件：

放电时，

充电时，

其中为采集的第i个锂电池的当前SOC值。

本发明所述的协调控制方法可以有效地抑制微电网分布式电源输出功率的波动，保证对负载输出功率的稳定；针对锂电池和超级电容器的自身特性，合理分配两者的输入/输出功率，延长锂电池的循环寿命，降低微电网的运行成本；同时为便于锂电池管理，该控制方法合理分配锂电池之间的功率，保证锂电池SOC值统一与同步；实现微电网与大电网的交换功率的可控，可以根据用户需要，实时设置PCC交换功率值，减小微电网对大电网功率预测与发电计划的影响。

为充分证明本发明所述协调控制方法的技术效果，构建了一个微电网（如图2所示），光伏发电系统的额定功率为20kW，风力发电机的额定功率为12kW，两者的逆变器均采用MPPT模式输出。混合储能包括两台锂电池和一台超级电容器，两台锂电池容量均为25Ah，超级电容器容量为20F，最大充放电功率为10kW。锂电池1和2的SOC变化范围为25%~90%，但是由于锂电池2有运行损耗，最大SOC值只能达到85%；超级电容器SOC变化范围为20%~80%。根据一般运行经验，设定混合储能修正分配功率阈值为1kW，时间阈值为35s。负荷的功率范围为0~15kW。该微电网与大电网的PCC始终闭合，光伏发电与风力发电机采用MPPT控制方式运行，锂电池和超级电容器采用PQ控制方式运行。微电网与大电网PCC（Point of Common Coupling，PCC）设置的交换功率如附图3所示，附图3所示的设置的交换功率是根据国家电网公司规定的微电网与大电网不同时段的交换功率绘制的，或者是根据本发明所述的设置的交换功率的确定方法得出的。某日0点，该微电网启动运行，锂电池1和2初始的SOC值分别为60.9%、54.2%，超级电容器的初始的SOC值为32.6%。该微电网光伏发电和风力发电实际输出功率曲线如附图5、6所示，微电网内一天的负荷功率变化情况如附图7所示。根据本发明的控制方法，两个锂电池和一个超级电容器实时运行功率曲线如附图8、9、10所示，而微电网与大电网PPC实际交换功率如附图4所示。图11为运行中的两个锂电池和一个超级电容器的SOC值变化曲线；

对比附图3、4，PCC实际交换功率与PCC设置交换功率几乎一致，由于风、光的实际变化不同于平均值，所以仅在17点45分后的13分钟内略有不同。由于当日的环境因素，17点45分时光伏实际功率低于预期的平均输出功率，造成了负荷功率大于光伏和风机的发电量。如附图11所示复杂混合储能系统在运行中已达到了最低的SOC值，于是向大电网额外购电来保证负荷的正常运行，为了提高在后续时段锂电池运行的调节范围，给锂电池1、2分别以2.6kW和2.4kW的功率预充电。在17点58分后，光伏和风机的输出功率大于负荷功率，并且复杂混合储能系统能够维持下一时刻微电网的运行，于是结束上述控制过程。

根据以上运行结果，由附图3、4可以看出，本发明实现微电网与大电网的交换功率的可控，可以根据用户需要，实时设置PCC交换功率值，减小微电网对大电网功率预测与发电计划的影响；由附图5、6、7可以看出本发明中的复杂混合储能系统结构保障了交流微电网的正常运行，其控制方法准确地平抑了分布式电源输出功率的波动，将具有随机性和波动性的光伏与风机的输出功率通过微电网变的可控、连续、平稳，保障了负荷的稳定供给；由附图8、9、10可以看出，本发明针对锂电池和超级电容器的自身特性，合理分配两者的输出/输入功率，减少锂电池设备的频繁充放电，延长锂电池的循环寿命，间接降低了微电网的运行成本；由附图11可以看出，本发明能够有效地管理含多锂电池的微电网，合理分配锂电池之间的功率，保证锂电池SOC值统一与同步。

美国高级电池联合会USABC（U.S. Advanced Battery Consortium）定义锂电池循环寿命为其容量衰减到初始容量的80%时可充放电的循环次数。利用文献[1]中的锂电池衰减容量计算公式，计算出锂电池1应用本方法前后的容量衰减曲线如附图12所示。可以看出，应用本方法能够显著提高锂电池的循环寿命。

[1] Shen J, Dusmez S, Khaligh A. Optimization of Sizing and Battery Cycle Life in Battery/Ultracapacitor Hybrid Energy Storage Systems for Electric Vehicle Applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics 2014, 10(4): 2112-2121.

附图说明

图1为本发明所述复杂混合储能系统的结构示意图；

图2为构建的一个微电网结构示意图；

图3为微电网与大电网PCC设置的交换功率曲线；

图4为微电网与大电网PCC实际的交换功率曲线；

图5为微电网光伏发电实际输出功率曲线；

图6为微电网风力发电实际输出功率曲线；

图7为微电网的负荷功率变化曲线；

图8为一个锂电池实时运行功率曲线；

图9为另一个锂电池实时运行功率曲线；

图10为超级电容器实时运行功率曲线；

图11为运行中的锂电池和超级电容器的SOC值变化曲线；

图12为锂电池应用本方法前后的容量衰减曲线。

具体实施方式

交流微电网并网状态下复杂混合储能系统的协调控制方法，复杂混合储能系统包括多个锂电池和一个超级电容器，锂电池各自的双向DC/DC变换器在出口并联后再经其双向DC/AC变换器接入微电网交流母线，超级电容器经其双向DC/DC变换器和双向DC/AC变换器接入微电网交流母线；所述协调控制方法是由如下步骤实现的：

一、复杂混合储能系统的锂电池与超级电容器的双向DC/AC变换器的控制；

为了统一功率流动方向与正负值的关系，定义由微电网母线向外输出的功率为正值，向微电网母线注入的功率为负值，即微电网母线向大电网输出功率、复杂混合储能系统充电功率和负荷功率为正值，大电网向微电网母线供电功率、风机和光伏分布式电源的输出功率和复杂混合储能系统放电功率为负值；

① 启动并初始化上位机，启动微电网设备；

② 初始条件设置：

设置微电网与大电网的交换功率：微电网与大电网之间存在交换功率，即在微电网内部分布式电源和复杂混合储能系统输出功率不足以提供负荷运行时，需要向大电网购电。为减少微电网对大电网的功率预测与计划发电的影响，可以在不同时段设置固定的交换功率。国家电网公司会根据微电网容量与气象条件，规定微电网与大电网不同时段的交换功率。

或者采用以下方法确定交换功率：

统计该微电网一段时间以来风机和光伏分布式电源的输出功率、负荷功率一天内不同时段的历史数据，将这些数据依次相加，得到总功率。将总功率依次累加，即

可得到总功率累计值，这时t代表15－30天的一段时间，总功率累计值反映了总电能的流动情况，小于0表示分布式电源的输出功率大于负荷功率，微电网功率过剩；大于0表示分布式电源的输出功率小于负荷功率，微电网功率不足。总功率累计值分为多个时段，为消除用户负荷和气象条件的偶然变化等因素对统计数据影响，对每个时段线性化，然后将每个时段线性化所得到曲线求导可以得到不同时段的微电网与大电网的交换功率。

设置锂电池SOC值的上限值SOC_max与下限值SOC_min；

设置功率阈值和时间阈值；

③ 上位机采集分布式电源功率、复杂混合储能系统和负荷的功率之和，以及各锂电池的的SOC值；

④ 计算复杂混合储能系统需要补偿的功率；

⑤ 将复杂混合储能系统需要补偿的功率进行分配；

a. >0，且任一锂电池的>SOC_max，此时，控制锂电池与超级电容器的DC/AC，使锂电池与超级电容器的输入功率为零，由大电网来吸收功率差额；

b. <0，且任一锂电池的<SOC_min，此时，控制超级电容器的DC/AC使其输出功率为零，由大电网来补偿功率差额，同时控制<SOC_min的锂电池进行预充电，充电至为SOC_min+SOC_min5%停止；

c. >0，且<SOC_min或者SOC_min≤≤SOC_max；<0，且>SOC_max或者SOC_min≤≤SOC_max；此时，若丨丨大于功率阈值，且持续时间大于时间阈值，则控制锂电池和超级电容器的DC/AC，使锂电池的输入/输出功率为，超级电容器的输出/输入功率为0；否则使锂电池输入/输出功率不变，超级电容器输入/输出功率为与此时保持不变的锂电池输出/输入功率的差值；

⑥. 返回第③步；

二、复杂混合储能系统的各锂电池双向DC/DC变换器的控制

按如下公式控制各锂电池的DC/DC双向变换器来实现功率在各锂电池之间的分配，

其中，为第i个锂电池的功率，为第i个锂电池的功率分配系数，分配系数满足下列约束条件：

放电时，

充电时，

其中为采集的第i个锂电池的当前SOC值。