一种分布式储能协调控制方法与流程

1.本发明属于电力储能技术领域，尤其涉及一种分布式储能协调控制方法。


背景技术：

2.随着多能源系统中新能源渗透率的提高，系统的灵活调节需求不断增加,利用储能系统能量存储与释放的时空调节特性能够有效促进多能源系统高效灵活运行。在电网中接入分布式储能设备可以有效解决这一问题。利用储能设备，不仅可以减少分布式电源对电网的冲击，同时可以对电网起到削峰填谷、电力调节的作用。
3.分布式储能系统是由时序调节性能灵活、分布广泛的多源储能单元所组成的分布式复杂系统，能够利用多能源能量供需之间的时序匹配特性缓解系统功率调节压力，分布式多源储能系统的协调优化为多能源系统高效经济运行以及新能源消纳。
4.随着国家对新能源发电和储能行业的大力扶持，将有越来越多的新能源发电和分布式储能设备接入电网。但目前针对分布式多源储能系统调节能力在时间尺度上的耦合特性，分布式多源储能系统集群协调优化方面的研究较少。
5.分布式储能系统是相对于传统集中式储能电站而言，将电池储能系统(单元)以小规模、小容量(功率登记一般在数千瓦至数兆瓦)、规模化、分散式的方式接入用户侧或中、低压配电网中，可独立运行的系统。但是，大量分布式储能电源的无序接入，给配电网带来功率平衡以及用户供电可靠性和电能质量等问题。为了保证分布式储能系统中的能量存储和释放能够合理，需要对分布式储能之间的能量流动、信息流动等进行规范化管理，使得分布式储能系统能够稳定、经济的运行。
6.现阶段分布式储能离网和并网运行双模式切换过程主中由于控制模式切换完全由软件程序完成为微秒级，物理状态切换由并网开硬件动作完成，而且这两类切换具有一定的静态延时，并非瞬间同时完成。如果控制模式切换和物理状态切换不同步将会出现异常运行状态甚至导致换相失败等问题。
7.为此，我们提出一种分布式储能协调控制方法。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提出一种分布式储能协调控制方法，以解决现有技术中大量分布式储能电源的无序接入，给配电网带来功率平衡以及用户供电可靠性和电能质量的问题。
9.为实现上述目的，本发明采用的技术方案具体步骤如下：
10.一种分布式储能协调控制方法，通过多智能体的一致性协议，同时采用多点分布式储能的协同控制方法；其中，多点分布式储能的协同控制方法的控制目标主要有系统频率恢复、有功功率-频率协同控制单元按照额定容量分配、分布式无功功率协调控制单元按照额定容量分配；
11.所述多智能体一致性算法中，生成的频率偏差信号和无功出力不均信号，用于实现系统频率恢复以及分布式有功功率-频率协同控制单元按照额定容量分配；随后通过多
智能体一致性算法中生成的无功出力不均信号，再将该信号带入虚拟阻抗的自适应部分，从而实现分布式无功功率协调控制单元按照额定容量分配；
12.所述多点分布式储能的协同控制方法中的所有节点都与其相邻节点进行信息交互；多智能体一致性算法中每个储能单元通过通信线路与相邻储能单元进行信息交互。
13.进一步地，多点分布式储能的协同控制方法中，分布式储能单元的逆变器进行功率能量传输时，稳态环流的向量表达式为：
[0014][0015]
其中，i
cc
表示系统的稳态环流，zc为等效负载阻抗，l为等效电感，u
01
和δ1分别为逆变器1的单相输出电压幅值和相角，u
02
和δ2分别为逆变器2的单相输出电压幅值和相角，ω为角频率，
[0016]
分析式(2)，可得到如下结论：
[0017]
1)当u
o1
＝u
o2
、δ1≠δ2时，主要产生有功环流，环流的大小与相位角δ1－δ2成正比，与线路阻抗成反比，较大的线路感抗有助于抑制环流的产生。
[0018]
2)当u
o1
≠u
o2
、δ1＝δ2且δ比较小时，主要产生无功环流，其幅值大小为
[0019][0020]
其中，i
ccq
表示系统的无功环流，u
01
和u
02
和分别为逆变器1和逆变器2的单相输出电压幅值，l为等效电感，ω为角频率，
[0021]
无功环流的大小与输出电压的幅值成正比，与线路感抗成反比，因此通过减小电压误差或者增大线路感抗均有助于抑制无功环流；其中线路等效阻抗和输出的电压幅值相等。
[0022]
进一步地，所述有功功率-频率协同控制单元主要实现对分布式储能单元的有功出力进行调控并调节系统频率使其恢复到系统的额定频率，有功功率-频率协同控制单元中在下垂控制的基础上增加有功功率分配单元以实现系统对有功功率的协同分配，增加频率恢复单元以实现系统在扰动情况下快速自动的恢复到系统额定频率；对分布式储能额定有功功率进行出力分配，则各分布式储能的出力需要满足以下约束关系：
[0023][0024]
图中pi为分布式储能单元输出的实际功率，可随着负载改变而调节；p
i*
为第i台分布式储能的额定功率；功率偏差值为
△
p；
[0025]
分布式储能额定有功功率分配的约束下，对下垂控制进行补偿，其控制补偿量p
con
可表示为
[0026][0027]
式中：a
ij
表示可调节的系数，pi和pj表示第i，第j台分布式储能下垂控制特性曲线平移量；p
i*
和为第i，第j台分布式储能的额定容量；
[0028]
频率恢复的控制策略是在下垂控制单元的基础上设计的，其控补偿量ei为
[0029]ei
＝gi(ω
i-ω
ref
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0030]
式中：gi表示调节的系数，ei为频率恢复控制的补偿量，gi为频率恢复控制的调节系数，wi为实际角频率，wi为参考角频率一般为314.16rad/s；
[0031]
在下垂控制的基础上联立公式(4)(5)和(6)则可得到本项目提出的基于一致性算法的有功功率-频率协同控制的算法表达式：
[0032][0033]
式中：表示基于一致性算法的有功-频率下垂控制补偿量，ai和βi表示系统可调节的参数；pi和pj表示第i，第j台分布式储能下垂控制特性曲线平移量；p
i*
和为第i，第j台分布式储能的额定容量。
[0034]
进一步地，所述无功功率协调控制单元以自适应虚拟阻抗为基础主要实现对分布式储能单元的无功功率进行协调，利用相邻分布式单元的无功信息交互生成自适应虚拟阻抗的控制量δqi，以实现对分布式储能单元的电压的补偿，即为实现分布式储能单元的无功功率协同分配；
[0035]
以分布式储能单元额定无功功率的容量比为目标进行无功功率的合理协调分配，则各分布式储能单元的无功功率分配需要满足：
[0036][0037]
分布式储能系统应该能够维持在系统的频率在额定值附近，同时应该具备按照不同的需求合理的调节分配各分布式储能的有功出力和无功功率的功能，将基于一致性算法的无功调节补偿控制单元设计为：
[0038][0039]
式中：-αi和a
ij
表示无功一致性调节控制器调节参数，qi为分布式储能单元输出的实际无功功率，可随着负载改变而调节；q
i*
为第i台分布式储能的额定无功功率；功率偏差值为δqi；
[0040]
自适应虚拟阻抗的实现如下式所示
[0041][0042][0043]
式中：l
v,i
和r
v,i
表示实时的虚拟电感和虚拟电阻，和表示初始的虚拟电感和虚拟电阻，k
q-l
和k
q-r
表示虚拟阻抗控制器可调节的参数。
[0044]
且综上所述，由于采用了上述技术方案，发明的有益技术效果是：
[0045]
一种分布式储能协调控制方法通过多智能体的一致性协议，设计了多点分布式储能的协同控制策略，控制目标主要有系统频率恢复、分布式单元有功功率按照额定容量分配、分布式单元无功功率按照额定容量分配。通过加入一致性协议，在有限的通信构架下，首先生成了频率偏差信号和无功出力不均信号，用于实现系统频率恢复以及分布式单元有
功功率按照额定容量分配。通过一致性协议生成无功出力不均信号，再将该信号带入虚拟阻抗的自适应部分，从而实现分布式单元的无功功率按照额定容量分配。
[0046]
分布式储能单元与传统的运行控制系统相比，其不受调度中心与系统规模限制、良好的自适应性是解决传统的集中控制方式在处理问题时受到控制中心的限制、维数灾难等问题的较优秀的解决方案。
[0047]
分布式算法在处理复杂系统问题时所有节点都可以与其相邻节点进行信息交互，并且通过这种两两通信实现系统整体达到一致，也就是多智能体系统中的一致性。多智能体一致性算法应用于储能系统，系统中每个储能单元通过通信线路与相邻储能单元进行信息交互，实现其信息交互的准确性、实时性。
附图说明
[0048]
图1为分布式储能运行控制结构。
[0049]
图2为本发明中逆变器单相简化示意图；其中；两台逆变器通过连线电感并联与交流母线，其中，i
cc
表示系统的稳态环流，i1∠θ1为逆变器1的单相输出电流，i2∠θ2为逆变器2的单相输出电流，ln(n＝1,2)为连线电感，rn为连线电阻，z0为等效负载，i0为输出电流，u1∠δ1为逆变器1的单相输出电压，u2∠δ2为逆变器2的单相输出电压。
[0050]
图3为本发明的分布式储能有功功率-频率协同控制框图。
[0051]
图4为本发明中分布式储能无功功率协同控制框图。
[0052]
图5为采用传统下垂控制策略时的分布式储能系统功率图
[0053]
图6为采用传统下垂控制策略时系统频率和电压图。
[0054]
图7为接入协同单元后分布式储能系统功率图。
[0055]
图8为接入协同单元后系统频率和电压图。
[0056]
图9接入协同单元后分布式储能的输出动态性能图。
[0057]
图10接入协同单元后系统电压频率稳定性图。
具体实施方式
[0058]
为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释发明，并不用于限定发明。
[0059]
一种分布式储能协调控制方法，通过多智能体的一致性协议，同时采用多点分布式储能的协同控制方法；其中，多点分布式储能的协同控制方法的控制目标主要有系统频率恢复、有功功率-频率协同控制单元按照额定容量分配、分布式无功功率协调控制单元按照额定容量分配；
[0060]
所述多智能体一致性算法中，生成的频率偏差信号和无功出力不均信号，用于实现系统频率恢复以及分布式有功功率-频率协同控制单元按照额定容量分配；随后通过多智能体一致性算法中生成的无功出力不均信号，再将该信号带入虚拟阻抗的自适应部分，从而实现分布式无功功率协调控制单元按照额定容量分配；
[0061]
为了保证分布式储能系统中的能量存储和释放能够合理，需要对分布式储能之间的能量流动、信息流动等进行规范化管理，使得分布式储能系统能够稳定、经济的运行。分
布式储能单元与传统的运行控制系统相比，其不受调度中心与系统规模限制、良好的自适应性是解决传统的集中控制方式在处理问题时受到控制中心的限制、维数灾难等问题的较优秀的解决方案。
[0062]
分布式算法在处理复杂系统问题时，其最主要的特点就是系统中的所有节点都可以与其相邻节点进行信息交互，并且通过这种两两通信实现系统整体达到一致，也就是多智能体系统中的一致性。多智能体一致性算法应用于储能系统，系统中每个储能单元通过通信线路与相邻储能单元进行信息交互，其信息交互的准确性、实时性是分布式储能系统协同运行的关键影响因素。
[0063]
进一步的，分布式储能单元的逆变器进行功率能量传输时候，可能产生环流，对分布式储能逆变器产生不良影响，因此需要对环流对分布式储能协同运行进行分析，如图1所示的结构图可以得到稳态环流的向量表达式为。
[0064][0065]
其中，i
cc
表示系统的稳态环流，zc为等效负载阻抗，l为等效电感，u
01
和δ1分别为逆变器1的单相输出电压幅值和相角，u
02
和δ2分别为逆变器2的单相输出电压幅值和相角，ω为角频率，
[0066]
分析式(2)，可得到如下结论：
[0067]
1)当u
o1
＝u
o2
、δ1≠δ2时，主要产生有功环流，环流的大小与相位角δ1－δ2成正比，与线路阻抗成反比，较大的线路感抗有助于抑制环流的产生。
[0068]
2)当u
o1
≠u
o2
、δ1＝δ2且δ比较小时，主要产生无功环流，其幅值大小为
[0069][0070]
其中，i
ccq
表示系统的无功环流，u
01
和u
02
和分别为逆变器1和逆变器2的单相输出电压幅值，l为等效电感，ω为角频率，
[0071]
无功环流的大小与输出电压的幅值成正比，与线路感抗成反比，因此通过减小电压误差或者增大线路感抗均有助于抑制无功环流。
[0072]
实际工程应用中有功回路中通过加入了积分环节，δ一般比较小，有功环流一般非常小，可以忽略其影响。因此并联系统的环流主要是其无功分量，为使得环流最小化，可尽可能的保持线路等效阻抗和输出的电压幅值相等。
[0073]
(1)有功功率-频率协同控制单元
[0074]
主要实现对分布式储能单元的有功出力进行调控并调节系统频率使其恢复到系统的额定频率，控制结构如图3所示。
[0075]
如图3所示为分布式储能有功功率-频率协同控制框图，在下垂控制的基础上增加有功功率分配单元以实现系统对有功功率的协同分配，增加频率恢复单元以实现系统在扰动情况下快速自动的恢复到系统额定频率。图中pi为分布式储能单元输出的实际功率，可随着负载改变而调节；p
i*
为第i台分布式储能的额定功率；功率偏差值为
△
p。
[0076]
本发明中以系统中分布式储能额定有功功率进行出力分配，则各分布式储能的出力需要满足以下约束关系：
[0077][0078]
分布式储能额定有功功率分配的约束下，对下垂控制进行补偿，其控制补偿量p
con
可表示为：
[0079][0080]
式中：a
ij
表示可调节的系数。
[0081]
频率恢复的控制策略是在下垂控制单元的基础上设计的，其控补偿量ei为
[0082]ei
＝gi(ω
i-ω
ref
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0083]
式中：gi表示调节的系数，ei为频率恢复控制的补偿量，gi为频率恢复控制的调节系数，wi为实际角频率，wi为参考角频率一般为314.16rad/s。
[0084]
在下垂控制的基础上联立公式(4)、(5)和(6)则可得到本项目提出的基于一致性算法的有功功率-频率协同控制的算法表达式如下
[0085][0086]
式中：表示基于一致性算法的有功-频率下垂控制补偿量，ai和βi表示系统可调节的参数；pi和pj表示第i，第j台分布式储能下垂控制特性曲线平移量；p
i*
和为第i，第j台分布式储能的额定容量。
[0087]
(2)无功功率协调控制单元
[0088]
本发明中以自适应虚拟阻抗为基础主要实现对分布式储能的无功功率进行协调，控制框图如图4所示。
[0089]
如图4所示为分布式储能无功功率协同控制框图，利用相邻分布式单元的无功信息交互生成自适应虚拟阻抗的控制量δqi，以实现对分布式储能单元的电压的补偿，即为实现分布式储能单元的无功功率协同分配。图中qi为分布式储能单元输出的实际无功功率，可随着负载改变而调节；q
i*
为第i台分布式储能的额定无功功率；功率偏差值为δqi。
[0090]
本发明中系统中各分布式储能单元额定无功功率的容量比为目标进行无功功率的合理协调分配，则各分布式储能单元的无功功率分配需要满足
[0091][0092]
在实际的分布式储能运行过程中，分布式储能系统应该能够维持在系统的频率在额定值附近，同时应该具备按照不同的需求合理的调节分配各分布式储能的有功出力和无功功率的功能，将基于一致性算法的无功调节补偿控制单元为：
[0093][0094]
式中：-αi和a
ij
表示无功一致性调节控制器调节参数。
[0095]
自适应虚拟阻抗的实现如下式所示
[0096][0097]
式中：lv,i和rv,i表示实时的虚拟电感和虚拟电阻，和表示初始的虚拟电感和虚拟电阻，k
q-l
和k
q-r
表示虚拟阻抗控制器可调节的参数。
[0098]
基于matlab/simulink搭建所研究的基于一致性算法的功率协同控制方法仿真模型，仿真模型的基本参数如下表1所示。
[0099]
表1基本仿真参数
[0100][0101][0102]
设置4个分布式储能系统以验证所提的协同控制策略，每个分布式储能系统的控制策略均为含一致性控制单元的自适应下垂控制策略，下垂控制策略关键参数如表5.2所示。
[0103]
表2分布式储能参数
[0104][0105]
(2)仿真结果及分析
[0106]
当4个分布式储能的控制策略均为传统的下垂控制时，即不加入所提协同控制单元时，4个分布式储能系统的有功无功功率如图5所示。系统的电压和频率如图6所示。
[0107]
由图5可见，在传统的下垂控制策略下，分布式电源的有功功率基本可按照20kw，10kw，8kw，5kw的额定容量进行均分，但无功功率无法实现均分。
[0108]
由图6可见，在传统的下垂控制策略下，当负荷不变时，系统的频率和电压能够保持稳定，且与额定值偏差较小。
[0109]
在其余仿真工况不变的情况下，在0.6s接入所提协同控制单元，4个分布式储能系统的有功无功功率如图7所示。系统的电压和频率如图8所示。
[0110]
如图7所示，维持仿真工况不变，在0.6s接入所设计协同单元后，分布式储能系统
的有功功率在短暂波动后，能继续稳定并按额定容量均分。分布式储能系统的无功功率实现了快速的调整，最终基本按额定容量实现无功均分。
[0111]
如图8所示，维持仿真工况不变，在0.6s接入所提协同单元后，系统的频率和电压仍然维持在较优水平。
[0112]
为测试所提协同控制策略的动态性能，在4s时增加10kw负荷。4个分布式储能系统的有功无功功率如图5.16所示。系统的电压和频率如图9所示。
[0113]
如图9所示，在4s增加10kw负荷时，分布式储能系统的有功功率能迅速重新按额定容量均分。分布式储能系统的无功功率在经过短暂波动后能继续稳定，并按额定容量均分。
[0114]
如图10所示，在4s增加10kw负荷后，由于系统功率和频率具有强耦合关系，系统的频率受到小幅扰动。有功-频率协同模块以系统频率恢复为协同目标，调整下垂系数以及虚拟阻抗，最终实现系统的频率恢复和电压稳定。
[0115]
以上所述为发明的较佳实施例，并不用以限制发明，凡在发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。