面向串联光伏直流汇集系统的储能控制系统技术方案

本发明专利技术提供了一种面向串联光伏直流汇集系统的储能控制系统，包括：功率参考指令计算模块通过输入端口接收不同信号量，通过内部逻辑算法计算产生第k组混合储能单元总输出功率参考指令p

【技术实现步骤摘要】
面向串联光伏直流汇集系统的储能控制系统
本专利技术涉及新能源发电与电力电子系统控制领域，具体地，涉及面向串联光伏直流汇集系统的储能控制系统。尤其地，涉及面向串联光伏直流汇集系统的多组混合储能控制策略。进一步地，涉及直流汇集型光伏电站内分布式混合储能装置的功率协调控制与荷电状态管理问题。
技术介绍
太阳能因具有资源分布广泛、转化利用便捷等优势，已成为当前可再生能源开发的主要对象，而光伏发电则是太阳能资源规模化开发利用的主要形式。因地制宜，推动各类形式光伏发电的研发与建设，促进光伏产业技术革新与健康发展，已成为我国新能源领域重大战略需求。我国光照资源分布情况与电网形态决定“集中式大型光伏电站”是未来光伏开发利用的重要形式。“大规模建设、大范围汇集、弱同步电源支撑、高压直流(HVDC)输送”，将成为我国未来大型光伏发电基地建设的重要技术情景。大型光伏发电基地的电能汇聚与并网送出，一方面必须尽量减少系统损耗与弃光行为、提升电能质量；另一方面，则需要具备在光伏输出大范围随机波动条件下良好运行适应性。传统光伏电站采取交流升压汇集技术，即光伏阵列输出经过MPPT控制与光伏逆变器后得到稳定低压三相交流电，再通过母线汇聚后由升压变压器接入配电网。该方案应用于大型光伏发电基地主要存在两大缺点：1、弱同步支撑下多逆变器并联稳定性问题突出，电压越限与宽频域振荡频发；2、站内与站间交流汇集线路损耗大，系统整体效率偏低；为解决上述问题，可采用光伏直流升压汇集系统构建大型直流光伏发电基地。如图1所示，光伏阵列输出的低压直流电直接由光伏直流升压变流器泵升至直流配网电压水平，经过进一步汇集后，由VSC换流站集中逆变接入交流电网或者由大型升压变流站进一步提升直流电压等级，实现直流光伏发电基地远距离送出。针对不同应用场景，光伏直流升压汇集系统可分为“串联型”架构与“并联型”架构，分别如图2和图3所示。如图2所示并联型汇集系统中，各光伏阵列首先通过非隔离型DC-DC变换器实现MPPT控制，而后集中并联到站内低压直流母线，再通过隔离型DC-DC变换器实现升压，进而并入中压直流配电系统(或经VSC换流站并入中压交流配电系统)。该结构可实现前端光伏阵列与后级升压变换器间功率解耦控制，运行方式灵活，可扩展性强，适用于光照条件复杂，分布相对集中、汇集距离较短的小规模直流光伏电站。如图3所示串联型汇集系统中，各光伏阵列通过隔离型DC-DC变换器实现升压与最大功率跟踪(MPPT)控制，并由变换器输出侧串联获得中压直流(MVDC)输出，直接并入直流配电系统(或经VSC换流站并入中压交流配电系统)。该结构具有汇集电流小、变换层级少、动态响应快的优点，适用于占地面积大、光照一致性好、汇集距离远的大型直流光伏电站。如图3所示的串联型汇集系统中，n个DC-DC变换装置组成“输入独立-输出串联”型拓扑架构。由于各DC-DC变换器输出电流相等，当各阵列出力均衡时，各DC-DC变换器输出电压均为额定值U*O，且有(U*O＝UG/n，其中UG为网侧直流母线额定电压)。当各阵列出力不均时(即发生内部功率失配现象)时，UG保持恒定(受后级变换器支撑)，因此各DC-DC变换器输出电压将相对U*O发生偏移，部分变换器输出电压较U*O降低，同时部分模块输出电压将较U*O升高。因此，当功率失配较为严重时，部分DC-DC变换器的输出电压将超过允许上限，进而导致其对应阵列被迫退出MPPT控制，造成系统发电能力下降，甚至无法正常运行。这一问题是制约串联型光伏直流汇集系统工程化应用的首要技术难题。目前针对并联型直流汇集系统架构下的运行控制与光-储协调问题已有一定研究，但针对串联型直流汇集系统中的运行控制与光储协调实现技术，尚缺乏充分研究与理想成果。检索到如下文献资料：文献1：基于一致性算法的直流微电网多组光储单元分布式控制方法研究[J/OL].中国电机工程学报:1-10[2020-01-11].https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.190444.摘要:为解决分布式直流微电网中多组蓄电池储能单元之间的协同控制问题，本文首先提出了一种基于一致性算法的分布式控制，能够实现各BSU按电池的荷电状态成比例分配功率，同时可以调节分布式网络中各母线电压的平均值使其维持在额定值。考虑到基于电压观测器的分布式电压控制会因为时延以及观测器初值等问题产生稳态误差，本文进一步提出了一种基于PI一致性算法的电压优化控制策略，将电压控制问题转换为优化问题，优化目标为保证各母线偏离额定值的偏差和最小。仿真结果表明，所提控制策略的稳态值可以不受时延和算法积分器初值的影响，具有更高的可靠性和鲁棒性。技术要点比较：该文献研究了并联型光伏直流并网系统下的多组储能装置间协调控制问题，与本专利所述之方案在应用场景与技术思路上具有一定的客观联系。但是该文献所述之方案未考虑串联型光伏直流汇集系统的基本特点，不具备平抑系统内部功率失配的重要功能。文献2：光伏直流升压汇集系统改进功率权重分层控制策略[J].高电压技术,2019,45(10):3247-3255.摘要:在光伏直流升压汇集系统中，当串联光伏单元光照不均时，光伏侧级联升压变流器单元输出电压不均衡会导致传统控制策略难以实现光伏出力较低光伏模块的最大功率点跟踪(MPPT)控制。为此，提出了基于斜率控制的权重分层控制策略，根据光伏模块间功率权重差值的变化来调整升压变流器输出侧的电压，以达到提升低输出电压模块的端口电压，使光伏模块运行在MPPT模式的要求。分析了权重分层控制策略的原理和隔离型DC/DC变换器占空比限制对MPPT控制造成的影响，并通过在MATLAB/Simulink对该策略的有效性进行验证。结果表明，所提控制策略在辐照重度不均衡时可实现功率权重较低模块的MPPT工作模式，改善了光伏系统并网出力的特性，也实现了控制模式的平滑切换。论文研究可为光伏直流升压汇集系统的控制提供参考。技术要点比较：该文献研究了串联型光伏直流汇集系统在功率失配条件下的运行控制策略问题，并提出一种的解决方案，即通过对网侧直流母线电压的向下调整，在一定程度上缓解由于内部功率失配而引发的DC-DC升压变换器过电压问题。但是与本专利所述方案相比，该方案对于系统运行域的扩展程度有限，且无法支持光-储协调的实现。文献[1]中提出一种基于一致性算法的直流微电网内多组光储单元分布式协调控制方法，该方法可实现孤立直流微网中多个储能单元间的电压调节和功率分配，对实现光伏直流汇集系统中的光储协调控制具有一定参考价值。但是，该文献所述之方法仅适用于多DC-DC并联输出结构的光伏直流汇集系统，无法直接指导串联型光伏直流汇集系统下的光-储协调运行。文献[2]中提出一种计及内部功率失配现象的串联型光伏直流汇集系统运行控制方法，其核心内涵在于通过后级VSC换流站对汇集系统的网侧直流母线电压UG进行一定范围内(±10％)的动态调整，以扩增系统MPPT运行区域，提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向串联光伏直流汇集系统的储能控制系统，其特征在于，包括：/n功率参考指令计算模块通过输入端口接收不同信号量，通过内部逻辑算法计算产生第k组混合储能单元总输出功率参考指令p

【技术特征摘要】
1.一种面向串联光伏直流汇集系统的储能控制系统，其特征在于，包括：
功率参考指令计算模块通过输入端口接收不同信号量，通过内部逻辑算法计算产生第k组混合储能单元总输出功率参考指令p*s-k，并将其发送给指令分解模块；
指令分解模块根据内部滤波算法对p*s-k进行实时分解，生成第k组混合储能单元中蓄电池原始输出功率参考指令pbatk-ref与第k组混合储能单元中超级电容原始输出功率参考指令psck-ref，并将两者发送给荷电状态管理模块；
荷电状态管理模块从相应储能器件接收第k组混合储能单元中蓄电池荷电状态SOCbatk与第k组混合储能单元中超级电容荷电状态SOCsck，同时结合由指令分解模块接收的pbatk-ref与psck-ref，生成第k组混合储能单元总荷电状态调整功率，发送至反馈修正模块；
反馈修正模块从相应储能变流器接收第k组混合储能单元输出功率ps-k，并结合由荷电状态管理模块接收的Δps-k，根据内部逻辑算法实时生成经过修正后第k组混合储能单元输出功率p's-k，并将其上传至站内实时通信系统。


2.根据权利要求1所述的面向串联光伏直流汇集系统的储能控制系统，其特征在于，所述功率参考指令计算模块包括：电压反馈回路、功率反馈回路、功率前馈回路和加法器；
电压反馈回路、功率反馈回路、功率前馈回路的输出端分别与加法器的第1、第2、第3输入端相连，其对应的变量分别是：电压反馈回路参考分量ps-k-ref，功率反馈回路参考分量p's-k-ref，功率前馈回路参考分量p”s-k-ref；
加法器输出端即为功率参考指令计算模块的输出端，电压反馈回路、功率反馈回路、功率前馈回路的输入端即为功率参考指令计算模块的输入端。


3.根据权利要求2所述的面向串联光伏直流汇集系统的储能控制系统，其特征在于，所述电压反馈回路包括：减法器、死区环节、PI控制器以及饱和限幅环节；
减法器正输入端与恒定信号源Un相连，其中Un为各DC-DC升压变换器输出端电压额定值，减法器负输入端与功率参考指令计算模块输入端1相连，减法器输出端与死区环节输入端相连，死区环节输出端与PI控制器输入端相连，PI控制器输出端与饱和限幅环节输入端相连，饱和限幅环节输出端即为电压反馈回路的输出端，其输出变量记为ps-k-ref.，其中PI控制器、死区环节、饱和限幅环节的具体区间参数预先选定。


4.根据权利要求2所述的面向串联光伏直流汇集系统的储能控制系统，其特征在于，所述功率反馈回路包括：信号分量累加器、第一减法器、第二减法器、死区环节、PI控制器、饱和限幅环节、第一信号通道选择开关S1以及第二信号通道选择开关S2；
所述第一减法器负输入端与功率参考指令计算模块输入端2相连，第一减法器正输入端与第一信号通道选择开关S1输出端相连，信号分量累加器输入端与功率参考指令计算模块输入端3相连，信号累加器输出端与第二减法器负输入端相连，第二减法器正输入端与功率参考指令计算模块输入端4相连，第二减法器输出端与第一信号通道选择开关S1的b输入端相连，第一信号通道选择开关S1的a输入端与零信号源相连，第一减法器输出端与死区环节输入端相连，死区环节输出端与PI控制器输入端相连，...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱淼，李修一，徐莉婷，蔡旭，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31