基于SOC均衡算法的VDCM并联协调控制方法

基于soc均衡算法的vdcm并联协调控制方法
技术领域
1.本发明属于变换器电流控制技术领域，具体涉及基于soc均衡算法的vdcm并联协调控制方法。


背景技术：

2.直流微电网是未来智能配用电系统的重要组成部分，对推进节能减排和可持续发展具有重要意义，并且其易于和光伏、储能等直流发电类设备及直流负载连接，减少逆变环节，降低系统成本和损耗，供电效率较高。此外，相比交流电网，直流微电网不存在频率稳定、无功功率等问题，易于实现各微电源间的协调控制。
3.在直流微电网中，分布式电源、储能装置以及交直流负荷等均通过电力电子变换器接入公共直流母线，由于直流微电网不存在无功功率波动等问题，因此直流母线电压是否稳定成为了衡量直流微电网安全与稳定运行的唯一指标。然而，直流微电网内大量交直流负荷具有明显的随机波动性，这类波动功率将会对直流母线电压造成影响，严重的可能导致整个直流微电网系统的崩溃。因此，直流微电网母线电压的稳定控制受到广泛的研究。此外，为了提高直流微电网的系统容量和可靠性，常采用多台分布式电源并联运行，因此多变换器的并联控制技术一直都是研究的热点，而变换器之间的协调控制及功率按需分配也一直都是并联技术研究中的重点。
4.目前，目前众多的变换器并联控制方案中，下垂控制是一种经典的控制策略，但下垂控制因缺少传统电机的阻尼和旋转惯量以及励磁暂态特性，因此在负载功率变化时，输出电压更容易受到影响。随着交流虚拟同步机在交流微电网中的逐渐应用，其思想也被用于dc/dc变换器中，实现了vdcm控制，从而增加了直流微电网的惯性和阻尼。但对于多台vdcm的并联协调控制方法研究较少，现有的方法并未考虑输出功率的动态分配，并且未解决传统下垂控制下母线电压跌落的问题。因此对于多台vdcm并联的协调控制方法还需进一步研究。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供基于soc均衡算法的vdcm并联协调控制方法，实现vdcm并联系统的功率动态分配，继而提高直流母线电压的稳定性。
6.本发明所采用的技术方案是，基于soc均衡算法的vdcm并联协调控制方法，具体按照以下步骤进行：
7.步骤1、分析vdcm并联系统功率分配比例；
8.步骤2、通过直流母线电压控制代替直流电压下垂控制，并根据蓄电池储能装置soc数值设计各储能控制器的动态参数比。
9.本发明的特点还在于，
10.步骤1中，具体为：
11.步骤1.1、设有两台并联储能系统，根据直流微网传统p-u下垂控制，可得直流电压
与输出功率的关系式，如式(1)所示：
12.pm＝p
ref
+k
p
(u
dc-u
ref
)
ꢀꢀꢀ
(1)；
13.式(1)中，pm和p
ref
分别为机械功率的实际值和额定值，k
p
为下垂系数，u
dc
和u
ref
分别为直流电压的实际值和额定值；
14.步骤1.2、建立直流电机电动势平衡方程式，如式(2)所示：
[0015][0016]
式(2)中，la为电枢电感，ia为电枢电流，e为电枢感应电动势，e＝c
t
φω，c
t
为转矩系数，φ为每级磁通，ra为电枢回路的等效电阻，ua为机端输出电压；
[0017]
电枢电感la对系统的影响很小，其简化后的电动势平衡方程式，如式(3)所示：
[0018]
ua＝e-raiaꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；
[0019]
建立直流电机机械方程式，如式(4)所示：
[0020][0021]
式(4)中，tm和te分别为直流电机的机械转矩和电磁转矩，te＝pe/ω＝e
·
ia，pe为电磁功率，ω为实际机械角速度，j为转动惯量，d为阻尼系数，ω0为直流电机额定机械角速度；
[0022]
步骤1.3、由式(1)可知，若想保证两台vdcm并联时系统输出功率按比例分配，即p
m1
:p
m2
＝1:m，则在额定电压一致的工况下，需满足p
ref1
:p
ref2
＝k
p1
:k
p2
＝1:m；
[0023]
设两台电机稳态具有相同转速，则e1＝e2，由式(3)可得r
a1
:r
a2
＝m；
[0024]
由式(4)可知，稳态功率满足p
m1
:p
m2
＝1:m，则d1:d2＝1:m、j1:j2＝1:m；
[0025]
类比可得，要保证多台vdcm并联时功率按比例分配则需满足等式，如式(5)所示：
[0026][0027]
步骤2中，具体为：
[0028]
步骤2.1、建立直流母线电压控制的表达式，如式(6)所示：
[0029][0030]
式(6)中，δp为功率偏差，k
p
为母线电压控制器的比例系数，ki为母线电压控制器的积分系数；
[0031]
功率偏差δp与机械功率pm之间的关系，如式(7)所示：
[0032]
δp+p
ref
＝pmꢀꢀꢀꢀ
(7)；
[0033]
对比式(1)和式(7)，在直流母线电压控制下，若要满足多台vdcm功率按比例分配，则需满足等式(8)：
[0034][0035]
步骤2.2、建立蓄电池储能装置的soc表达式，如式(9)所示：
[0036][0037]
式(9)中，soc
i(t＝0)
为i号蓄电池储能装置初始荷电状态；p
ini
为i号蓄电池储能装置输出功率，cr为蓄电池储能装置的额定容量，u
bati
为i号蓄电池储能装置输出电压；
[0038]
直流微电网分布式蓄电池储能装置输出功率动态自均衡的下垂控制方法可以表述式(11)：
[0039][0040]i0i
为i号储能接口变换器的输出电流，d0为蓄电池储能装置soc达到相等时的均衡下垂系数，k为功率均衡速率调节系数；soc
avg
为各蓄电池储能装置的不平衡度平均值；
[0041]
类比式(11)在式(8)中引入soc不平衡度，得到多台vdcm并联功率动态分配等式，如式(12)所示：
[0042][0043]
本发明的有益效果是，相比传统p-u下垂控制下的变换器并联协调控制，所提出的vdcm并联协调控制为并联系统中加入惯性环节，并采用直流母线电压控制代替了传统p-u下垂控制，使系统在负载功率波动时能更好的抑制直流母线电压的波动，并解决了传统下垂控制下母线电压跌落的问题，对电能质量和直流微网的稳定有一定的提高；另一方面，通过对vdcm并联系统功率分配原理进行分析，并引入soc均衡算法动态调节vdcm参数比例，控制各储能装置输出功率达到动态平衡，有助于延长储能装置使用寿命，确保储能装置的高效可靠运行。
附图说明
[0044]
图1是本发明并联储能系统双向dc/dc变换器的vdcm协调控制系统的结构示意图；
[0045]
图2是本发明并联储能系统双向dc/dc变换器的vdcm协调控制系统的控制框图；
[0046]
图3是基于传统p-u下垂控制的vdcm控制系统的控制框图；
[0047]
图4是基于直流电机特性的储能接口变换器的vdcm模型示意图；
[0048]
图5是在负载功率变化时vdcm控制改进前后直流母线电压udc仿真波形对比图；
[0049]
图6是在两台dc-dc变换器soc值不同时输出电流波形图；
[0050]
图7是在两台dc-dc变换器soc值不同时不同功率均衡速率调节系数下输出电流波形图。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0052]
本发明的基于soc均衡算法的vdcm并联协调控制方法，应用于多台并联储能系统双向dc/dc变换器的vdcm协调控制系统，如图1所示，包括双向dc/dc变换器拓扑电路及其控制电路两部分。其中，u
bat
为蓄电池端电压，l为变换器中的电感，i
bat
别为蓄电池输出电流，c为直流侧稳压电容，u
dc
为直流母线电压。拓扑电路具体结构以1号变换器为例：左侧与蓄电
池相连接，中间经过同一桥臂的两个开关管进行电流方向切换(即s1开通s2关断时，能量由蓄电池流向直流侧；s2开通s1关断时，能量由直流侧流向蓄电池)，右侧变换器输出经过稳压电容c连接到直流母线；
[0053]
双向dc/dc变换器基本工作原理为，当直流母线电压u
dc
高于额定电压u
dc
时，说明系统功率过剩，此时开关管s1关闭，s2开通，蓄电池充电，即直流侧过剩功率输出；当直流母线电压低于un时，说明系统功率不足，此时开关管s2关闭，s1开通，蓄电池放电，即为直流侧提供功率；
[0054]
控制电路具体控制框图如图2所示，具体为，通过采样得到直流母线电压u
dc
的值，然后根据式(5)和额定电压u
dc
得到功率偏差δp，再与额定机械功率p
ref
相加得到实际机械功率pm，再经过式(2)、(3)与额定机械角速度ω0计算出电流参考值i
ref
，再基于功率平衡原则通过一个限幅环节和u
ref
/u
bat
转换为输入电流参考值以跟踪i
bat
，再经过pii控制器和一个限幅环节所得输出传输给pwm脉冲信号发生器，产生脉冲信号来控制s1和s2的开通关断，从而维持直流母线电压稳定；再引入soc不平衡度根据各蓄电池实时的电荷量对p
ref
、δp、d、j、ra进行比例系数调节，从而实现各储能装置输出功率的动态平衡。
[0055]
脉宽调制(pwm)基本原理：其控制方式就是对双向dc/dc变换电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次斜波谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变变换电路输出电压的大小。
[0056]
本发明基于soc均衡算法的vdcm并联协调控制方法，具体按照以下步骤进行：
[0057]
步骤1、设有两台并联储能系统，分析vdcm并联系统功率分配原理，具体为：
[0058]
步骤1.1、根据直流微网传统p-u下垂控制，可得直流电压与输出功率的关系式，如式(1)所示：
[0059]
pm＝p
ref
+k
p
(u
dc-u
ref
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)；
[0060]
式(1)中，pm和p
ref
分别为机械功率的实际值和额定值，k
p
为下垂系数，u
dc
和u
ref
分别为直流电压的实际值和额定值；
[0061]
步骤1.2、建立直流电机电动势平衡方程式，如式(2)所示：
[0062][0063]
式(2)中，la为电枢电感，ia为电枢电流，e为电枢感应电动势，e＝c
t
φω，c
t
为转矩系数，φ为每级磁通，ra为电枢回路的等效电阻，ua为机端输出电压；
[0064]
电枢电感la对系统的影响很小，因此可将其忽略并简化vdcm模型，其简化后的电动势平衡方程式，如式(3)所示：
[0065]
ua＝e-raiaꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；
[0066]
建立直流电机机械方程式，如式(4)所示：
[0067][0068]
式(4)中，tm和te分别为直流电机的机械转矩和电磁转矩，te＝pe/ω＝e
·
ia，pe为
电磁功率，ω为实际机械角速度，j为转动惯量，d为阻尼系数，ω0为直流电机额定机械角速度；
[0069]
步骤1.3、当两台vdcm并联于同一直流母线时，则有u
dc1
＝u
dc2
＝u
dc
，由式(1)可知，若想保证2台vdcm并联时系统输出功率按比例分配，如p
m1
:p
m2
＝1:m，则在额定电压一致的工况下，需满足p
ref1
:p
ref2
＝k
p1
:k
p2
＝1:m，其中下表数字1和2分别代表变换器1和2的相关变量；
[0070]
设两台电机稳态具有相同转速，则e1＝e2，由式(3)可得r
a1
:r
a2
＝m；
[0071]
由式(4)可知，稳态功率满足p
m1
:p
m2
＝1:m，则d1:d2＝1:m，为使在动态过程中功率也按比例分配，则j1:j2＝1:m；
[0072]
类比可得，要保证多台vdcm并联时功率按比例分配则需满足等式，如式(5)所示：
[0073][0074]
步骤2、为了解决传统下垂控制存在的直流母线电压跌落以及储能系统电荷不均衡问题，通过直流母线电压控制代替直流电压下垂控制，并根据蓄电池储能装置soc数值设计各储能控制器的动态参数比，具体为：
[0075]
步骤2.1、建立直流母线电压控制的表达式，如式(6)所示：
[0076][0077]
式(6)中，δp为功率偏差，k
p
为母线电压控制器的比例系数，ki为母线电压控制器的积分系数；s是积分环节；
[0078]
功率偏差δp与机械功率pm之间的关系，如式(7)所示：
[0079]
δp+p
ref
＝pmꢀꢀꢀꢀ
(7)；
[0080]
对比式(1)和式(7)，在直流母线电压控制下，若要满足多台vdcm功率按比例分配，则需满足等式(8)：
[0081][0082]
根据式(8)即可实现各个储能系统输出功率的比例分配并解决电压跌落问题；
[0083]
步骤2.2、建立蓄电池储能装置的soc表达式，如式(9)所示：
[0084][0085]
式(9)中，soc
i(t＝0)
为i号蓄电池储能装置初始荷电状态；p
ini
为i号蓄电池储能装置输出功率，cr为蓄电池储能装置的额定容量，u
bati
为i号蓄电池储能装置输出电压；
[0086]
定义soc不平衡度εi为蓄电池储能装置中各储能单元soc的不平衡程度，其表达式如式(10)所示：
[0087]
[0088]
式(10)中，soc
avg
为各蓄电池储能装置的soc平均值；
[0089]
直流微电网分布式蓄电池储能装置输出功率动态自均衡的下垂控制方法可以表述式(11)：
[0090][0091]i0i
为i号储能接口变换器的输出电流，d0为蓄电池储能装置soc达到相等时的均衡下垂系数，k为功率均衡速率调节系数；
[0092]
由传统下垂控制的特性可知改变两台储能装置的下垂系数d0的比例即可改变其输出功率的比值，由此可看出式(9)通过soc不平衡度动态的改变d0以此达到各个储能装置输出功率动态平衡的目的，类比式(11)在式(8)中引入soc不平衡度，得到多台vdcm并联功率动态分配等式，如式(12)所示：
[0093][0094]
将式(6)和式(12)与vdcm控制相结合即可得到本发明所提出的vdcm并联协调控制方法。
[0095]
图3为基于传统p-u下垂控制的vdcm控制系统的控制框图，与本发明所提控制方法有所不同，其电压外环控制为传统p-u下垂控制，具体为，通过采样得到直流母线电压u
dc
的值，然后与电压额定值u
ref
相加再经过调差系数k
p
得到功率偏差δp，再与额定机械功率p
ref
相加得到实际机械功率pm。
[0096]
图4为储能接口变换器的vdcm模型示意图。其中，储能接口变换器采用非隔离型双向buck-boost变换器，其可等效为一个二端口网络，前端接蓄电池储能装置，后端接入公共直流母线。储能接口变换器的等效二端口网络与直流电机的等效模型具有一定的确定关系，可模拟直流电机所具有的惯性和阻尼特性。
[0097]
仿真初始状态负载功率p为2kw，为验证所提控制方法的有效性和可行性，在仿真0.5s、1s、1.5s时进行负载投切。图5为vdcm控制改进前后u
dc
变化对比，可以看出，在稳态情况下改进前的直流母线电压相较于参考值400v有一定的跌落，改进后的电压能稳定在400v；在负载波动时，改进后的控制方法母线电压波动更小、恢复时间更短，稳定性明显优于传统控制方法。
[0098]
图6为两台储能单元dc-dc变换器soc值不同时输出电流波形图，从图中可以看出两台储能单元由最初的3.5a和1.5a逐渐趋于相等为2.5a，实现了功率均衡输出。图7为调节系数k对输出电流影响波形，能够看出当调节系数分别为1.2、1.7、2.2时，两台储能单元的输出电流初始差值逐渐增大，其趋于一致的时间逐渐缩短。从而证明随着调节系数k的增大，储能单元输出功率的均衡速率得到了提升。
[0099]
本发明的基于soc均衡算法的vdcm并联协调控制方法，引入soc均衡算法实现vdcm并联系统的功率动态分配；通过直流母线电压控制代替传统下垂控制，解决母线电压跌落问题，继而提高直流母线电压的稳定性。