本發(fā)明屬于電氣工程技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于一致性的直流電彈簧分布式控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光伏電池(photovoltaics，pvs)、燃料電池和風(fēng)電等直流可再生能源的發(fā)展以及直流負(fù)載容量的增加推動(dòng)了直流微網(wǎng)的快速發(fā)展，相比于交流微網(wǎng)，直流微網(wǎng)不存在同步、無功功率傳輸、諧波電流及逆變器損耗等問題，僅需要簡單的電力電子接口，就能夠?qū)崿F(xiàn)更有效的電力傳輸。直流微網(wǎng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于船舶系統(tǒng)，家庭用電系統(tǒng)和遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)。但由于可再生能源存在間歇性，同時(shí)負(fù)載存在不可預(yù)測(cè)的波動(dòng)，導(dǎo)致直流微網(wǎng)中可能出現(xiàn)瞬時(shí)的功率不平從而影響直流母線電壓的穩(wěn)定。為平抑系統(tǒng)中的功率波動(dòng)，保持供需平衡，通常會(huì)在孤立的微網(wǎng)中采用儲(chǔ)能裝置；而電彈簧(electricsprings，ess)是一種解決功率不平衡的新方法，能夠減小對(duì)儲(chǔ)能裝置的容量需求。

電彈簧最早是作為一種需求響應(yīng)技術(shù)用于交流系統(tǒng)的電壓調(diào)整，后來拓展到功率調(diào)整，通過提供電壓和頻率支撐來提高微網(wǎng)的可靠性。研究表明，通過控制次要負(fù)載的功率實(shí)現(xiàn)功率平衡能有效減少儲(chǔ)能裝置的容量需求。直流電彈簧(dcelectricsprings，dc-ess)與交流電彈簧一樣，串聯(lián)次要負(fù)載，在可再生能源功率波動(dòng)或故障導(dǎo)致電壓跌落時(shí)，dc-ess能夠?qū)⒅绷髂妇€電壓維持在限定值以內(nèi)，并聯(lián)dc-ess較串聯(lián)dc-ess有更快的響應(yīng)速度。

在分布式網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)分布式電源處均需安裝dc-es，多dc-ess同時(shí)工作時(shí)，如不對(duì)并聯(lián)的多dc-ess進(jìn)行有效控制，會(huì)出現(xiàn)功率分配不合理，儲(chǔ)能電池過充或過放，母線電壓跌落等問題?，F(xiàn)有直流微網(wǎng)中，通常采用集中式控制或分散式控制的方法來對(duì)電彈簧進(jìn)行控制，但分散式控制存在較大誤差，集中式控制必需中央控制器，無法實(shí)現(xiàn)“即插即用”，系統(tǒng)的靈活性和可拓展性有局限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于一致性的直流電彈簧分布式控制方法及系統(tǒng)，其目的在于解決現(xiàn)有分散式控制方法存在較大誤差，而集中式控制方法無法實(shí)現(xiàn)“即插即用”的技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于一致性的直流電彈簧分布式控制方法，具體包括如下步驟：

(1)根據(jù)直流電彈簧單元的荷電狀態(tài)和輸出功率的采樣值，計(jì)算直流電彈簧的狀態(tài)變量；

(2)根據(jù)相鄰節(jié)點(diǎn)的平均電壓值以及本節(jié)點(diǎn)電壓的采樣值，計(jì)算本節(jié)點(diǎn)的平均電壓值；

(3)采用pi控制器，以第i個(gè)直流電彈簧的狀態(tài)變量和與之通信的第j個(gè)直流電彈簧的狀態(tài)變量的差值作為輸入信號(hào)，獲取用于調(diào)節(jié)荷電狀態(tài)的參考電壓修正量；

(4)采用雙積分控制器，以第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均電壓vavgi與參考電壓vref的差值作為輸入信號(hào)，獲取用于調(diào)節(jié)平均電壓的參考電壓修正量；

(5)將用于調(diào)節(jié)荷電狀態(tài)的參考電壓修正量、用于調(diào)節(jié)平均電壓的參考電壓修正量和參考電壓vref相加，形成一次控制的電壓給定值作為一次控制的輸入信號(hào)；

(6)采用傳統(tǒng)下垂控制的一次控制，根據(jù)上述輸入信號(hào)生成控制dc/dc變換器的pwm(pulsewidthmodulation)信號(hào)；傳統(tǒng)下垂控制由下垂系數(shù)決定功率分配，各直流電彈簧的功率按下垂系數(shù)成反比例分配。

優(yōu)選地，上述的直流電彈簧分布式控制方法，第i個(gè)直流電彈簧的狀態(tài)變量

其中，pesi是第i個(gè)儲(chǔ)能電池的輸出功率，f(soci)是與第i個(gè)儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)相關(guān)的函數(shù)，

其中，soci是指第i個(gè)儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)，a是儲(chǔ)能電池正常工作時(shí)荷電狀態(tài)的下限，b是儲(chǔ)能電池正常工作時(shí)荷電狀態(tài)的上限。

優(yōu)選地，上述的直流電彈簧分布式控制方法，第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均電壓

其中，vbusi是第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓采樣值，aij是第i個(gè)直流電彈簧與第j個(gè)直流電彈簧之間的通訊權(quán)重，aij>0表示第i個(gè)直流電彈簧與第j個(gè)直流電彈簧之間能相互交換信息，aij＝0表示兩者之間不能相互通訊；vavgj是指與第i個(gè)節(jié)點(diǎn)相鄰的節(jié)點(diǎn)j的平均電壓值，j∈ni，ni是與第i個(gè)直流電彈簧相互通訊的直流電彈簧的集合。

優(yōu)選地，上述的直流電彈簧分布式控制方法，其調(diào)節(jié)荷電狀態(tài)的參考電壓修正量

其中，kpe為pi控制器的比例系數(shù)，kie為pi控制器的積分系數(shù)。

優(yōu)選地，上述的直流電彈簧分布式控制方法，其用于調(diào)節(jié)平均電壓的參考電壓修正量δ2i＝kpu(vref-vavgi)+kiu∫(vref-vavgi)dt+kiiu∫∫(vref-vavgi)dtdt；

其中，kpu是雙積分控制器的比例系數(shù)，kiu、kiiu是雙積分控制器的積分系數(shù)；vavgi是第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均電壓；vref是指參考電壓，可以系統(tǒng)電壓額定值作為參考電壓值。

優(yōu)選地，上述的直流電彈簧分布式控制方法，經(jīng)下垂控制得到的各直流電彈簧的端口的母線電壓

其中，是一次控制的電壓給定值；rdi是第i個(gè)直流電彈簧對(duì)應(yīng)控制器的下垂系數(shù)，ili是第i個(gè)直流電彈簧的電感電流。

優(yōu)選地，上述的直流電彈簧分布式控制方法，為使直流母線電壓能快速跟蹤給定值，一次控制采用電壓電流雙閉環(huán)控制方式；

(a)將直流母線電壓的實(shí)際值與由下垂控制決定的期望值的差值經(jīng)電壓外環(huán)控制器gv(s)得到電感電流的參考值；

(b)將電感電流的參考值與實(shí)測(cè)值之差經(jīng)電流內(nèi)環(huán)控制器gi(s)得到一組調(diào)制信號(hào)；

(c)將上述電感電流的參考值和調(diào)制信號(hào)送入pwm信號(hào)發(fā)生器與三角載波比較，得到控制各變換器開斷的pwm控制信號(hào)；

優(yōu)選地，上述的電壓外環(huán)控制器gv(s)、電流內(nèi)環(huán)控制器gi(s)均采用pi控制；

其中，kpv為電壓外環(huán)pi控制器的比例系數(shù)，kiv為電壓外環(huán)pi控制器的積分系數(shù)，kpc為電流內(nèi)環(huán)pi控制器的比例系數(shù)，kic為電流內(nèi)環(huán)pi控制器的積分系數(shù)，s為復(fù)頻域的復(fù)變量。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種基于一致性的直流電彈簧分布式控制系統(tǒng)，包括互相連接的一次控制單元和二次控制單元；

其中，一次控制單元采用傳統(tǒng)的下垂控制，其電壓指令值由二次控制單元產(chǎn)生；

二次控制單元包括荷電狀態(tài)(stateofcharge,soc)控制模塊和電壓控制模塊；其中，荷電狀態(tài)控制模塊用于根據(jù)各電池荷電狀態(tài)的偏差獲取用于調(diào)節(jié)荷電狀態(tài)的參考電壓修正量δ1i；電壓控制模塊用于根據(jù)節(jié)點(diǎn)的平均電壓獲取用于調(diào)節(jié)平均電壓的參考電壓修正量δ2i；上述一次控制單元的電壓指令值，由上述用于調(diào)節(jié)荷電狀態(tài)的參考電壓修正量δ1i與用于調(diào)節(jié)平均電壓的參考電壓修正量δ2i相加后再加上系統(tǒng)電壓額定值vref而形成。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發(fā)明提供的基于一致性的直流電彈簧分布式控制方法及系統(tǒng)，定義了與儲(chǔ)能電池容量及荷電狀態(tài)soc有關(guān)的狀態(tài)變量，通過控制狀態(tài)變量保持一致以平衡各直流電彈簧的儲(chǔ)能電池荷電狀態(tài)，防止單個(gè)儲(chǔ)能電池的過充或過放，延長直流電彈簧的使用壽命；與現(xiàn)有技術(shù)中其他直接控制直流電彈簧的控制策略相比，避免了荷電狀態(tài)不同的直流電彈簧單元之間的互相充放電，提高了系統(tǒng)效率；

(2)本發(fā)明提供的基于一致性的直流電彈簧分布式控制方法，是一種分層式控制方法，通過二次控制產(chǎn)生的電壓修正量，補(bǔ)償了一次控制可能出現(xiàn)的電壓偏差，使各直流電彈簧單元出口母線電壓的平均值達(dá)到了電壓參考值；與現(xiàn)有技術(shù)的集中式控制相比，本發(fā)明提供的這種分布式控制不需要集中控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)“即插即用”，有較高的可靠性和靈活性；與傳統(tǒng)的分散式控制相比，又克服了控制存在偏差的缺陷。

附圖說明

圖1是由4個(gè)pvs和4個(gè)dc-ess構(gòu)成的400v直流微網(wǎng)系統(tǒng)的示意圖；

圖2是并聯(lián)型dc-es結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是實(shí)施例中的四個(gè)dc-ess系統(tǒng)的通訊拓?fù)涫疽鈭D；

圖4是實(shí)施例中的一次控制示意圖；

圖5是實(shí)施例中的二次控制示意圖；

圖6是由下垂控制切換到基于一致性的分布式控制時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)特性曲線；其中，圖6(a)對(duì)應(yīng)母線電壓，圖6(b)對(duì)應(yīng)dc-ess輸出功率；圖6(c)對(duì)應(yīng)電池soc，圖6(d)對(duì)應(yīng)狀態(tài)變量xi；

圖7是實(shí)施例中當(dāng)dc-es4退出運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)特性曲線；其中，圖7(a)對(duì)應(yīng)母線電壓；圖7(b)對(duì)應(yīng)dc-ess輸出功率；圖7(c)對(duì)應(yīng)電池soc。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

如圖1所示，是由4個(gè)pvs和4個(gè)dc-ess構(gòu)成的400v直流微網(wǎng)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；該系統(tǒng)包括物理層和網(wǎng)絡(luò)層；其中物理層包括pvs、dc-ess和負(fù)載；網(wǎng)絡(luò)層包括通訊鏈路，用于完成dc-ess之間的信息交換。其中，dc-es結(jié)構(gòu)圖如圖2所示意的，包括一個(gè)雙向dc/dc變換器和儲(chǔ)能電池。以下結(jié)合該系統(tǒng)來具體闡述實(shí)施例提供的基于一致性的直流電彈簧分布式控制方法。

對(duì)于上述系統(tǒng)而言，采用本實(shí)施例提供的基于一致性的直流電彈簧分布式控制方法的控制目標(biāo)是使系統(tǒng)中各dc-es出口母線處的計(jì)算平均電壓vavgi穩(wěn)定在額定值400v，并且對(duì)各儲(chǔ)能電池按soc水平的高低進(jìn)行功率分配；對(duì)4組pvs進(jìn)行恒功率控制，輸出功率ppvi(i＝1,2,3,4)均為8kw，負(fù)載采用恒阻抗負(fù)載，各分布式電源處的負(fù)載rloadi＝10ω(i＝1,2,3,4)，線路阻抗rlinei＝0.02ω(i＝1,2,3,4)。

為保證一致性，通訊拓?fù)渲斜仨毢兄辽僖粭l生成樹，在本實(shí)施例中采用圖3所示的環(huán)形通訊拓?fù)?，?dāng)任意一條通訊鏈路斷開或某一dc-es退出運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)中仍能包含一條生成樹，具有較高的可靠性。

實(shí)施例提供的基于一致性的直流電彈簧分布式控制系統(tǒng)，包括互相連接的一次控制單元和二次控制單元；一次控制單元采用下垂控制，其電壓指令值由二次控制單元產(chǎn)生；圖4是實(shí)施例中的一次控制示意圖；

二次控制單元包括荷電狀態(tài)(stateofcharge,soc)控制模塊和電壓控制模塊；其中，荷電狀態(tài)控制模塊用于根據(jù)各電池荷電狀態(tài)的偏差獲取關(guān)于荷電狀態(tài)的參考電壓修正量；電壓控制模塊用于根據(jù)節(jié)點(diǎn)的平均電壓獲取關(guān)于平均電壓的參考電壓修正量；圖5是實(shí)施例中的二次控制示意圖；由關(guān)于荷電狀態(tài)的參考電壓修正量與關(guān)于平均電壓的參考電壓修正量相加后再加上系統(tǒng)電壓額定值而形成一次控制單元的電壓指令值。

本實(shí)施例中，對(duì)各dc-ess均采用相同的控制器，各控制器參數(shù)經(jīng)調(diào)試取值如下：

一次控制：電壓環(huán)：kpv＝2，kiv＝125；電流環(huán)：kpc＝500，kic＝1250；下垂系數(shù)rdi＝0.2(i＝1,2,3,4)。

二次控制：soc控制器：kpe＝0.3，kie＝3；平均電壓控制器：kpu＝2，kiu＝1000，kiiu＝20。

實(shí)施例提供的基于一致性的直流電彈簧分布式控制方法，具體包括如下步驟：

(1)采樣測(cè)量獲取各dc-es單元的荷電狀態(tài)soc和輸出功率pes，計(jì)算各dc-es的狀態(tài)變量xi，并將該狀態(tài)變量xi的信息傳遞給相鄰節(jié)點(diǎn)；

其中，xi是第i個(gè)dc-es的狀態(tài)變量，pesi是第i個(gè)儲(chǔ)能電池的輸出功率，f(soci)是與第i個(gè)儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)相關(guān)的函數(shù)，

其中，soci是指第i個(gè)儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)，0.9是實(shí)施例中儲(chǔ)能電池正常工作時(shí)荷電狀態(tài)的上限，0.4是實(shí)施例中儲(chǔ)能電池正常工作時(shí)荷電狀態(tài)的下限。

(2)采樣測(cè)量獲取第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓vbusi，并根據(jù)接收的相鄰節(jié)點(diǎn)j的平均電壓值vavgj，

計(jì)算第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均電壓值

并將第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均電壓值vavgi傳遞給相鄰節(jié)點(diǎn)；

其中，aij是第i個(gè)直流電彈簧與第j個(gè)直流電彈簧之間的通訊權(quán)重，aij>0表示第i個(gè)直流電彈簧與第j個(gè)直流電彈簧之間能相互交換信息，aij＝0表示兩者之間不能相互通訊；vavgj是指與第i個(gè)節(jié)點(diǎn)相鄰的節(jié)點(diǎn)j的平均電壓值，j∈ni，ni是與第i個(gè)直流電彈簧相互通訊的直流電彈簧的集合。

(3)采用pi控制器，以第i個(gè)直流電彈簧的狀態(tài)變量和與之通信的第j個(gè)直流電彈簧的狀態(tài)變量的差值作為輸入信號(hào)，獲取用于調(diào)節(jié)soc的參考電壓修正量δ1i：

式中，kpe為pi控制器的比例系數(shù)，kie為pi控制器的積分系數(shù)。

(4)采用雙積分控制器，以參考電壓vref與第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均電壓值vavgi的差值作為輸入信號(hào)，輸出用于調(diào)節(jié)平均電壓的參考電壓修正量δ2i：

δ2i＝kpu(vref-vavgi)+kiu∫(vref-vavgi)dt+kiiu∫∫(vref-vavgi)dtdt(4)

其中，kpu是雙積分控制器的比例系數(shù)，kiu、kiiu是雙積分控制器的積分系數(shù)；vavgi是第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均電壓，vref是系統(tǒng)電壓額定值；

(5)將上述兩個(gè)參考電壓修正量δ1i、δ2i與參考電壓vref相加，形成一次控制的電壓給定值作為一次控制的輸入信號(hào)；

(6)由一次控制產(chǎn)生控制dc/dc變換器的pwm信號(hào)；

實(shí)施例中，一次控制采用傳統(tǒng)的下垂控制，經(jīng)下垂控制得到的各dc-ess端口的母線電壓滿足：

其中，rdi是第i個(gè)dc-es對(duì)應(yīng)控制器的下垂系數(shù)，ili是第i個(gè)dc-es的電感電流。

實(shí)施例中，為使直流母線電壓能快速跟蹤給定值，一次控制采用電壓電流雙閉環(huán)控制方式。直流母線電壓的實(shí)際值和由下垂控制決定的期望值之差，經(jīng)電壓外環(huán)控制器gv(s)得到電感電流的參考值，電感電流的參考值與實(shí)測(cè)值之差經(jīng)電流內(nèi)環(huán)控制器gi(s)得到一組調(diào)制信號(hào)，送入pwm信號(hào)發(fā)生器與三角載波比較，得到控制各變換器開斷的pwm控制信號(hào)；

其中，gv(s)、gi(s)均采用pi控制；

其中，kpv和kiv分別為電壓環(huán)pi控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)，kpc和kic分別為電流環(huán)pi控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)，s是復(fù)變量。

采用在pscad/emtdc軟件中對(duì)實(shí)施例提供的控制方法與傳統(tǒng)下垂控制方法進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果如圖6所示。仿真前5s采用一次控制(下垂控制)，由于4個(gè)dc-ess的下垂系數(shù)和線路阻抗均相等，其出口處的母線電壓和輸出功率均相等，各電池的soc以相同的斜率下降；由圖6(a)可以看出，由于下垂系數(shù)的影響，母線電壓約為394.5v，低于額定值400v。5s后加入二次控制，母線的平均電壓水平提升到400v，各dc-ess的輸出功率按soc成比例分配，如圖6(b)所示，dc-es1的soc最大，其輸出功率最大，dc-es4的soc最小，其輸出功率最低。從圖6(c)可以看出，各電池的soc成收斂趨勢(shì)變化，避免了單個(gè)電池的過充或過放，從圖6(d)可以看出，采用實(shí)施例提供的控制方法后，狀態(tài)變量xi趨于一致。

圖7是在采用本實(shí)施例所提供的控制方法及系統(tǒng)下，當(dāng)dc-es4退出運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)特性曲線；前5s系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，5s時(shí)，dc-es4退出運(yùn)行，同時(shí)dc-es4和dc-es3之間、dc-es4和dc-es2之間的通訊鏈路被切斷。各母線電壓的響應(yīng)特性如圖7(a)所示，dc-es4退出運(yùn)行后，母線電壓的平均值仍能穩(wěn)定在額定值400v。dc-ess輸出功率及電池soc的響應(yīng)特性分別如圖7(b)和7(c)所示，5s后，dc-es4的輸出功率降為零，其余三個(gè)dc-ess的輸出功率仍按soc的大小進(jìn)行分配，使三個(gè)電池的soc呈收斂趨勢(shì)變化。仿真結(jié)果表明，在圖3所示的環(huán)形通訊拓?fù)錀l件下，本發(fā)明提出的基于一致性的直流電彈簧分布式控制系統(tǒng)及控制方法具有較高的可靠性，在任意一臺(tái)dc-es故障退出運(yùn)行的情況下，仍能使系統(tǒng)正常運(yùn)行。當(dāng)需要新加入一臺(tái)dc-es時(shí)，只需要將這臺(tái)dc-es與原系統(tǒng)中任意一臺(tái)dc-es建立通訊鏈路即可，能夠滿足微網(wǎng)系統(tǒng)“即插即用”的要求。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。