基于注入频率的直流微电网储能系统SOC均衡控制策略

基于注入频率的直流微电网储能系统soc均衡控制策略
技术领域
1.本发明涉及直流微电网储能系统领域，特别是基于注入频率的直流微电网储能系统soc均衡策略。


背景技术：

2.随着用户侧对直流功率的需求日益提高，直流微电网在国内外受到广泛关注。由于分布式能源的多样性和分散性，在直流微电网中需要配备一定容量的储能单元，用以消纳可再生能源的多余能量或者在可再生能源出力不足时起到补偿作用。为了提升储能系统的响应速度和可靠性，需要多个分布式储能单元组成储能系统，其中储能单元的容量可能会存在差异，导致部分储能单元由于过充过放而提前退出运行，从而影响储能单元的使用寿命以及直流微电网的稳定性。因此需要根据储能单元自身容量和荷电状态(state-of-charge，soc)调节输出电流，保证各储能单元的输出电流按容量比例精确分配以及soc均衡。


技术实现要素：

3.为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：
4.1)多个储能单元通过对应的变换器以及线路阻抗r
linek
并联在直流母线上，共同给负载r
load
供电，在每个采样周期的起始点，对电感电流i
lk
、输出电流i
ok
、输出电压u
ok
、储能单元荷电状态sock分别进行采样；
5.2)在均流控制器中，将储能单元输出电流i
ok
乘以系数1/2，再除以其额定电流i
ratedk
，再乘以注入频率最大偏差δf得到虚拟频率δfk，再将额定频率f
*
减去虚拟频率δfk得到注入频率fk，注入频率fk的表达式为：
[0006][0007]
3)注入频率fk通过一个积分系数为2π的积分器得到相角θk，将其取正弦函数sin，再乘以幅值a就构造出储能单元注入交流小信号uk，注入交流小信号uk的表达式为：
[0008]
uk＝asinθk[0009]
4)将储能单元输出电流i
ok
和输出电压u
ok
经过傅里叶分析ft得到基波电流峰值i
omk
、基波电流相角θ
iok
以及基波电压峰值u
omk
、基波电压相角θ
uok
，将基波电压相角θ
uok
和基波电流相角θ
iok
相减，再取正弦函数sin，再乘以基波电压峰值u
omk
、基波电流峰值i
omk
，以及系数0.5得到无功功率qk，无功功率qk乘以无功补偿系数dq，经过低通滤波器g
lp
(s)，再经过限幅环节得到电压补偿量δuk；
[0010]
5)在soc均衡器和电压电流双闭环控制器中，将注入交流小信号uk和电压参考值u
ref
相加，再减去输出电压u
ok
和电压补偿量δuk，再经过电压外环pi控制器gv(s)得到电流内环参考电流i
ak
，再将电流内环参考电流i
ak
和soc均衡电流i
bk
相加，再减去电感电流i
lk
后经过电流内环pi控制器gi(s)得到驱动电压u
sk
，再与三角载波比较得到调制信号，其中soc
均衡电流i
bk
的具体计算过程如下：
[0011]
利用动态一致性算法获取储能系统荷电状态平均值soc
avg
，将储能单元荷电状态sock减去储能系统荷电状态平均值soc
avg
，得到的结果乘以得到中间系数x，其中ρ为加速因子，ε为精确因子，再将中间系数x取反正弦函数arcsin，再乘以再乘以电流内环参考电流的绝对值|i
ak
|，得到soc均衡电流i
bk
，soc均衡电流i
bk
的表达式为：
[0012][0013]
与现有技术相比，本方案的原理和优点如下：
[0014]
本发明公开了一种基于注入频率的直流微电网储能系统soc均衡控制策略，主要包括均流控制器、soc均衡器和电压电流双闭环控制器。在均流控制器中，通过在储能单元中注入低幅值的交流小信号，并利用其频率与输出电流成反比特性，实现了储能单元输出电流按储能单元容量成比例精准分配；利用限幅环节，可以有效地补偿母线电压的跌落，使母线电压维持在额定值附近；在soc均衡器中，各储能单元通过动态一致性算法获取储能系统soc的平均值，根据soc信息设计电流闭环控制，使各储能单元输出电流随着本地soc动态改变，实现soc均衡。
附图说明
[0015]
图1为本发明实施例中储能系统的主电路图；
[0016]
图2为本发明实施例中基于注入频率的直流微电网储能系统soc均衡控制策略的控制框图；
[0017]
图3为本发明实施例中储能单元的soc波形图；
[0018]
图4为本发明实施例中储能单元的直流侧输出电流波形图；
[0019]
图5为本发明实施例中储能系统的母线电压波形图；
[0020]
图6为本发明实施例中各储能单元注入频率的波形图。
具体实施方式
[0021]
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：
[0022]
图1为储能系统的主电路图，储能系统由四台储能单元通过dc-dc变换器并联构成，desuk为第k台储能单元，u
ok
为第k台储能单元直流侧输出电压，i
ok
为第k台储能单元直流侧输出电流，r
linek
为第k台储能单元所对应的线路阻抗，k＝1，2，3，4，四台储能单元的线路阻抗分别为0.5ω、0.6ω、0.54ω、0.4ω，r
load
为负载电阻。
[0023]
图2为基于注入频率的直流微电网储能系统soc均衡控制策略的控制框图，包括以下步骤：
[0024]
1)多个储能单元通过对应的变换器以及线路阻抗r
linek
并联在直流母线上，共同给负载r
load
供电，在每个采样周期的起始点，对电感电流i
lk
、输出电流i
ok
、输出电压u
ok
、储能单元荷电状态sock分别进行采样；
[0025]
2)在均流控制器中，将储能单元输出电流i
ok
乘以系数1/2，再除以其额定电流i
ratedk
，再乘以注入频率最大偏差δf得到虚拟频率δfk，再将额定频率f
*
减去虚拟频率δfk得到注入频率fk，注入频率fk的表达式为：
[0026][0027]
3)注入频率fk通过一个积分系数为2π的积分器得到相角θk，将其取正弦函数sin，再乘以幅值a就构造出储能单元注入交流小信号uk，注入交流小信号uk的表达式为：
[0028]
uk＝asinθk[0029]
4)将储能单元输出电流i
ok
和输出电压u
ok
经过傅里叶分析ft得到基波电流峰值i
omk
、基波电流相角θ
iok
以及基波电压峰值u
omk
、基波电压相角θ
uok
，将基波电压相角θ
uok
和基波电流相角θ
iok
相减，再取正弦函数sin，再乘以基波电压峰值u
omk
、基波电流峰值i
omk
，以及系数0.5得到无功功率qk，无功功率qk乘以无功补偿系数dq，经过低通滤波器g
lp
(s)，再经过限幅环节得到电压补偿量δuk；
[0030]
5)在soc均衡器和电压电流双闭环控制器中，将注入交流小信号uk和电压参考值u
ref
相加，再减去输出电压u
ok
和电压补偿量δuk，再经过电压外环pi控制器gv(s)得到电流内环参考电流i
ak
，再将电流内环参考电流i
ak
和soc均衡电流i
bk
相加，再减去电感电流i
lk
后经过电流内环pi控制器gi(s)得到驱动电压u
sk
，再与三角载波比较得到调制信号，其中soc均衡电流i
bk
的具体计算过程如下：
[0031]
利用动态一致性算法获取储能系统荷电状态平均值soc
avg
，将储能单元荷电状态sock减去储能系统荷电状态平均值soc
avg
，得到的结果乘以得到中间系数x，其中ρ为加速因子，ε为精确因子，再将中间系数x取反正弦函数arcsin，再乘以再乘以电流内环参考电流的绝对值|i
ak
|，得到soc均衡电流i
bk
，soc均衡电流i
bk
的表达式为：
[0032][0033]
图3为储能单元的soc波形图，储能系统在放电模式下，初始的soc1、soc2、soc3、soc4分别为90％、85％、83％、87％，当soc高于平均值的时候，soc均衡电流i
bk
＞0，使输出电流i
ok
变大，储能单元放电速度加快，soc越大的储能单元soc下降越快；当soc低于平均值的时候，soc均衡电流i
bk
＜0，使输出电流i
ok
变小，储能单元放电速度变慢，soc越小的储能单元其soc下降越慢；最终在2.4秒时实现soc均衡，此后储能单元的soc速率下降相同。
[0034]
图4为储能单元的直流侧输出电流波形图，四台储能单元的容量比为3：3：2：2，同时四台储能单元额定电流分别设定为12a、12a、8a、8a，在放电模式下，其容量大的储能单元输出电流较大，容量小的储能单元输出电流较小，最终四台储能单元的输出电流在2.4秒时达到两两平衡，四台储能单元的输出电流大小分别为6a、6a、4a、4a，实现了输出电流按其容量3：3：2：2精准分配的目的。
[0035]
图5为储能系统的母线电压波形图，由于soc均衡时，会导致母线电压有所波动，但是波动在其允许范围内。
[0036]
图6各储能单元注入频率的波形图，当储能单元电流实现按其容量成比例精准分配时，注入频率也实现了均衡，稳定在频率允许范围以内。
[0037]
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.基于注入频率的直流微电网储能系统soc均衡控制策略，其特征在于，包括以下步骤：1)多个储能单元通过对应的变换器以及线路阻抗r
linek
并联在直流母线上，共同给负载r
load
供电，在每个采样周期的起始点，对电感电流i
lk
、输出电流i
ok
、输出电压u
ok
、储能单元荷电状态soc
k
分别进行采样；2)在均流控制器中，将储能单元输出电流i
ok
乘以系数1/2，再除以其额定电流i
ratedk
，再乘以注入频率最大偏差δf得到虚拟频率δf
k
，再将额定频率f
*
减去虚拟频率δf
k
得到注入频率f
k
，注入频率f
k
的表达式为：3)注入频率f
k
通过一个积分系数为2π的积分器得到相角θ
k
，将其取正弦函数sin，再乘以幅值a就构造出储能单元注入交流小信号u
k
，注入交流小信号u
k
的表达式为：u
k
＝asinθ
k
4)将储能单元输出电流i
ok
和输出电压u
ok
经过傅里叶分析ft得到基波电流峰值i
omk
、基波电流相角θ
iok
以及基波电压峰值u
omk
、基波电压相角θ
uok
，将基波电压相角θ
uok
和基波电流相角θ
iok
相减，再取正弦函数sin，再乘以基波电压峰值u
omk
、基波电流峰值i
omk
，以及系数0.5得到无功功率q
k
，无功功率q
k
乘以无功补偿系数d
q
，经过低通滤波器g
lp
(s)，再经过限幅环节得到电压补偿量δu
k
；5)在soc均衡器和电压电流双闭环控制器中，将注入交流小信号u
k
和电压参考值u
ref
相加，再减去输出电压u
ok
和电压补偿量δu
k
，再经过电压外环pi控制器gv(s)得到电流内环参考电流i
ak
，再将电流内环参考电流i
ak
和soc均衡电流i
bk
相加，再减去电感电流i
lk
后经过电流内环pi控制器g
i
(s)得到驱动电压u
sk
，再与三角载波比较得到调制信号，其中soc均衡电流i
bk
的具体计算过程如下：利用动态一致性算法获取储能系统荷电状态平均值soc
avg
，将储能单元荷电状态soc
k
减去储能系统荷电状态平均值soc
avg
，得到的结果乘以得到中间系数x，其中ρ为加速因子，ε为精确因子，再将中间系数x取反正弦函数arcsin，再乘以再乘以电流内环参考电流的绝对值|i
ak
|，得到soc均衡电流i
bk
，soc均衡电流i
bk
的表达式为：2.根据权利要求1所述的基于注入频率的直流微电网储能系统soc均衡控制策略，其特征在于，步骤3)中幅值a的取值范围为2≤a≤8。3.根据权利要求1所述的基于注入频率的直流微电网储能系统soc均衡控制策略，其特征在于，步骤5)中加速因子ρ的取值范围为0.6<ρ<1.2，精确因子ε的取值范围0.001<ε<0.01。

技术总结
本发明公开了一种基于注入频率的直流微电网储能系统SOC均衡控制策略，主要包括均流控制器、SOC均衡器和电压电流双闭环控制器。在均流控制器中，通过在储能单元中注入低幅值的交流小信号，并利用其频率与输出电流成反比特性，实现了储能单元输出电流按储能单元容量成比例精准分配；利用限幅环节，可以有效地补偿母线电压的跌落，使母线电压维持在额定值附近；在SOC均衡器中，各储能单元通过动态一致性算法获取储能系统SOC的平均值，根据SOC信息设计电流闭环控制，使各储能单元输出电流随着本地SOC动态改变，实现SOC均衡。实现SOC均衡。实现SOC均衡。


技术研发人员：杨苓 文旭涛 罗栋涛 黄泽杭 卓庆东 刘文迪 陈璟华
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/8/9