一种基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法及系统，其系统包括一次控制单元和二次控制单元；其方法包括一次控制和二次控制；一次控制采用传统的下垂控制；二次控制包括SoC控制和平均电压控制，均采用一致性算法，使得DC‑ESs出口处的平均母线电压达到额定值，从而整体提升系统的电压水平；并使得DC‑ESs的输出功率按SoC分配，避免单个储能电池的过充或过放；本发明专利技术提供的方法解决了分散式控制存在控制误差的问题，且不需要集中式控制所必需的中央控制器，实现了“即插即用”，提升了系统的灵活性、鲁棒性和可拓展性，适于多DC‑ESs并联的直流微网系统；并可扩展到其他多电源并联的微网系统的应用中，用于提升并联型DC‑ESs稳定直流母线电压的效果以及优化电弹簧的工作条件。

【技术实现步骤摘要】
一种基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法及系统
本专利技术属于电气工程
，更具体地，涉及一种基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法及系统。
技术介绍
光伏电池(Photovoltaics，PVs)、燃料电池和风电等直流可再生能源的发展以及直流负载容量的增加推动了直流微网的快速发展，相比于交流微网，直流微网不存在同步、无功功率传输、谐波电流及逆变器损耗等问题，仅需要简单的电力电子接口，就能够实现更有效的电力传输。直流微网技术已广泛应用于船舶系统，家庭用电系统和远程通讯系统。但由于可再生能源存在间歇性，同时负载存在不可预测的波动，导致直流微网中可能出现瞬时的功率不平从而影响直流母线电压的稳定。为平抑系统中的功率波动，保持供需平衡，通常会在孤立的微网中采用储能装置；而电弹簧(ElectricSprings，ESs)是一种解决功率不平衡的新方法，能够减小对储能装置的容量需求。电弹簧最早是作为一种需求响应技术用于交流系统的电压调整，后来拓展到功率调整，通过提供电压和频率支撑来提高微网的可靠性。研究表明，通过控制次要负载的功率实现功率平衡能有效减少储能装置的容量需求。直流电弹簧(DCElectricSprings，DC-ESs)与交流电弹簧一样，串联次要负载，在可再生能源功率波动或故障导致电压跌落时，DC-ESs能够将直流母线电压维持在限定值以内，并联DC-ESs较串联DC-ESs有更快的响应速度。在分布式网络中，各个分布式电源处均需安装DC-ES，多DC-ESs同时工作时，如不对并联的多DC-ESs进行有效控制，会出现功率分配不合理，储能电池过充或过放，母线电压跌落等问题。现有直流微网中，通常采用集中式控制或分散式控制的方法来对电弹簧进行控制，但分散式控制存在较大误差，集中式控制必需中央控制器，无法实现“即插即用”，系统的灵活性和可拓展性有局限。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法及系统，其目的在于解决现有分散式控制方法存在较大误差，而集中式控制方法无法实现“即插即用”的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法，具体包括如下步骤：(1)根据直流电弹簧单元的荷电状态和输出功率的采样值，计算直流电弹簧的状态变量；(2)根据相邻节点的平均电压值以及本节点电压的采样值，计算本节点的平均电压值；(3)采用PI控制器，以第i个直流电弹簧的状态变量和与之通信的第j个直流电弹簧的状态变量的差值作为输入信号，获取用于调节荷电状态的参考电压修正量；(4)采用双积分控制器，以第i个节点的平均电压vavgi与参考电压vref的差值作为输入信号，获取用于调节平均电压的参考电压修正量；(5)将用于调节荷电状态的参考电压修正量、用于调节平均电压的参考电压修正量和参考电压vref相加，形成一次控制的电压给定值作为一次控制的输入信号；(6)采用传统下垂控制的一次控制，根据上述输入信号生成控制DC/DC变换器的PWM(PulseWidthModulation)信号；传统下垂控制由下垂系数决定功率分配，各直流电弹簧的功率按下垂系数成反比例分配。优选地，上述的直流电弹簧分布式控制方法，第i个直流电弹簧的状态变量其中，PESi是第i个储能电池的输出功率，F(SoCi)是与第i个储能电池的荷电状态相关的函数，其中，SoCi是指第i个储能电池的荷电状态，a是储能电池正常工作时荷电状态的下限，b是储能电池正常工作时荷电状态的上限。优选地，上述的直流电弹簧分布式控制方法，第i个节点的平均电压其中，vbusi是第i个节点的电压采样值，aij是第i个直流电弹簧与第j个直流电弹簧之间的通讯权重，aij>0表示第i个直流电弹簧与第j个直流电弹簧之间能相互交换信息，aij＝0表示两者之间不能相互通讯；vavgj是指与第i个节点相邻的节点j的平均电压值，j∈Ni，Ni是与第i个直流电弹簧相互通讯的直流电弹簧的集合。优选地，上述的直流电弹簧分布式控制方法，其调节荷电状态的参考电压修正量其中，kPE为PI控制器的比例系数，kIE为PI控制器的积分系数。优选地，上述的直流电弹簧分布式控制方法，其用于调节平均电压的参考电压修正量δ2i＝kPU(vref-vavgi)+kIU∫(vref-vavgi)dt+kIIU∫∫(vref-vavgi)dtdt；其中，kPU是双积分控制器的比例系数，kIU、kIIU是双积分控制器的积分系数；vavgi是第i个节点的平均电压；vref是指参考电压，可以系统电压额定值作为参考电压值。优选地，上述的直流电弹簧分布式控制方法，经下垂控制得到的各直流电弹簧的端口的母线电压其中，是一次控制的电压给定值；Rdi是第i个直流电弹簧对应控制器的下垂系数，iLi是第i个直流电弹簧的电感电流。优选地，上述的直流电弹簧分布式控制方法，为使直流母线电压能快速跟踪给定值，一次控制采用电压电流双闭环控制方式；(a)将直流母线电压的实际值与由下垂控制决定的期望值的差值经电压外环控制器GV(s)得到电感电流的参考值；(b)将电感电流的参考值与实测值之差经电流内环控制器GI(s)得到一组调制信号；(c)将上述电感电流的参考值和调制信号送入PWM信号发生器与三角载波比较，得到控制各变换器开断的PWM控制信号；优选地，上述的电压外环控制器GV(s)、电流内环控制器GI(s)均采用PI控制；其中，kPV为电压外环PI控制器的比例系数，kIV为电压外环PI控制器的积分系数，kPC为电流内环PI控制器的比例系数，kIC为电流内环PI控制器的积分系数，s为复频域的复变量。为实现本专利技术目的，按照本专利技术的另一方面，提供了一种基于一致性的直流电弹簧分布式控制系统，包括互相连接的一次控制单元和二次控制单元；其中，一次控制单元采用传统的下垂控制，其电压指令值由二次控制单元产生；二次控制单元包括荷电状态(StateofCharge,SoC)控制模块和电压控制模块；其中，荷电状态控制模块用于根据各电池荷电状态的偏差获取用于调节荷电状态的参考电压修正量δ1i；电压控制模块用于根据节点的平均电压获取用于调节平均电压的参考电压修正量δ2i；上述一次控制单元的电压指令值，由上述用于调节荷电状态的参考电压修正量δ1i与用于调节平均电压的参考电压修正量δ2i相加后再加上系统电压额定值vref而形成。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术提供的基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法及系统，定义了与储能电池容量及荷电状态SoC有关的状态变量，通过控制状态变量保持一致以平衡各直流电弹簧的储能电池荷电状态，防止单个储能电池的过充或过放，延长直流电弹簧的使用寿命；与现有技术中其他直接控制直流电弹簧的控制策略相比，避免了荷电状态不同的直流电弹簧单元之间的互相充放电，提高了系统效率；(2)本专利技术提供的基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法，是一种分层式控制方法，通过二次控制产生的电压修正量，补偿了一次控制可能出现的电压偏差，使各直流电弹簧单元出口母线电压的平均值达到了电压参考值；与现有技术的集中式控制相比，本专利技术提供的这种分布式控制不需要集中控制器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：(1)根据直流电弹簧单元的荷电状态和输出功率的采样值，计算直流电弹簧的状态变量；(2)根据相邻节点的平均电压值以及本节点电压的采样值，计算本节点的平均电压；(3)采用PI控制器，以第i个直流电弹簧的状态变量和与之通信的第j个直流电弹簧的状态变量的差值作为输入信号，获取用于调节荷电状态的参考电压修正量；(4)采用双积分控制器，以第i个节点的平均电压与参考电压的差值作为输入信号，获取用于调节平均电压的参考电压修正量；(5)将用于调节荷电状态的参考电压修正量、用于调节平均电压的参考电压修正量和参考电压相加，形成一次控制的电压给定值；(6)根据所述的电压给定值采用传统下垂控制的一次控制，生成控制DC/DC变换器的PWM信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于一致性的直流电弹簧分布式控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：(1)根据直流电弹簧单元的荷电状态和输出功率的采样值，计算直流电弹簧的状态变量；(2)根据相邻节点的平均电压值以及本节点电压的采样值，计算本节点的平均电压；(3)采用PI控制器，以第i个直流电弹簧的状态变量和与之通信的第j个直流电弹簧的状态变量的差值作为输入信号，获取用于调节荷电状态的参考电压修正量；(4)采用双积分控制器，以第i个节点的平均电压与参考电压的差值作为输入信号，获取用于调节平均电压的参考电压修正量；(5)将用于调节荷电状态的参考电压修正量、用于调节平均电压的参考电压修正量和参考电压相加，形成一次控制的电压给定值；(6)根据所述的电压给定值采用传统下垂控制的一次控制，生成控制DC/DC变换器的PWM信号。2.如权利要求1所述的直流电弹簧分布式控制方法，其特征在于，第i个直流电弹簧的状态变量其中，PESi是第i个储能电池的输出功率，F(SoCi)是与第i个储能电池的荷电状态相关的函数，SoCi是指第i个储能电池的荷电状态，a是储能电池正常工作时荷电状态的下限，b是储能电池正常工作时荷电状态的上限。3.如权利要求2所述的直流电弹簧分布式控制方法，其特征在于，第i个节点的平均电压其中，vbusi是第i个节点的电压采样值，aij是第i个直流电弹簧与第j个直流电弹簧之间的通讯权重；vavgj是指与第i个节点相邻的节点j的平均电压值，j∈Ni，Ni是与第i个直流电弹簧相互通讯的直流电弹簧的集合。4.如权利要求3所述的直流电弹簧分布式控制方法，其特征在于，用于调节荷电状态的参考电压修正量其中，kPE为PI控制器的比例系数，kIE为PI控制器的积分系数。5.如权利要求3或4所述的直流电弹簧分布式控制方法，其特征在于，用于调节平均电压的参考...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈霞，石梦璇，孙海顺，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42