本發(fā)明涉及一種混合儲能控制方法，尤其是涉及一種基于荷電狀態(tài)的混合儲能分層協(xié)調(diào)控制方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著可再生能源的快速發(fā)展，人們對微電網(wǎng)可靠性、穩(wěn)定性提出了更高的要求。為了改善微電網(wǎng)系統(tǒng)中的功率平衡、穩(wěn)定性和電能質(zhì)量等問題，配備輸出功率更為穩(wěn)定的儲能裝置是抑制功率脈動的有效手段之一，儲能系統(tǒng)具有在短時間內(nèi)快速吸收和釋放能量的特點，因此可以有效地克服可再生能源輸出功率間歇性、波動性的缺點。為了彌補傳統(tǒng)單一儲能設(shè)備的不足，采用功率型超級電容器和能量型蓄電池的混合儲能單元是目前儲能技術(shù)的發(fā)展方向之一，超級電容器具有響應(yīng)速度快、大功率輸出能力強、能量轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)壽命長等特點，是典型的功率型儲能器件。超級電容器與蓄電池協(xié)調(diào)運行可以大幅度提高儲能裝置的峰值功率輸入輸出能力，降低內(nèi)部損耗，減小蓄電池的充放電次數(shù)，從而提高設(shè)備的使用壽命。因此將混合儲能應(yīng)用于可再生電源系統(tǒng)，具有較大的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢。

目前很多研究學(xué)者在混合儲能控制技術(shù)方面已有重要成果。ASAO T提出采用低通濾波的方法補償風(fēng)電功率中的特定頻段分量，但由于未考慮儲能設(shè)備的荷電狀態(tài)(SOC)，容易造成設(shè)備過充過放。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于荷電狀態(tài)的混合儲能分層協(xié)調(diào)控制方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種基于荷電狀態(tài)的混合儲能分層協(xié)調(diào)控制方法，用于含混合儲能單元的微電網(wǎng)的控制，所述的混合儲能單元包括蓄電池和超級電容，所述的蓄電池和超級電容分別通過DC/DC變換器連接至直流母線，直流母線通過DC/AC變換器連接至微電網(wǎng)交流母線，該方法包括如下步驟：

(1)獲取微電網(wǎng)交流母線電壓U、交流母線頻率f和混合儲能單元綜合荷電狀態(tài)SOC_HESS，根據(jù)U、f和SOC_HESS進行上層功率優(yōu)化控制得到DC/AC變換器的輸出功率指令，進而控制DC/AC變換器工作；

(2)獲取直流母線電壓V_dc，以穩(wěn)定直流母線電壓為目標(biāo)進行下層功率分配，分別得到蓄電池和超級電容的充放電功率指令，進而控制相應(yīng)的DC/DC變換器工作。

步驟(1)中上層功率優(yōu)化控制具體通過模糊邏輯算法得到，具體包括：

(101)將交流母線頻率f與交流母線額定頻率f_ref的偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到有功功率缺額值P_ref，同時將交流母線電壓U與交流母線的額定電壓U_ref的偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到無功功率缺額值Q_ref；

(102)將混合儲能單元綜合荷電狀態(tài)SOC_HESS和有功功率缺額值P_ref作為輸入通過模糊控制算法得到有功功率修正值ΔP，同時將混合儲能單元綜合荷電狀態(tài)SOC_HESS和無功功率缺額值Q_ref作為輸入經(jīng)過模糊控制算法得到無功功率修正值ΔQ；

(103)對有功功率缺額值P_ref和有功功率修正值ΔP求和得到DC/AC變換器的輸出有功功率指令P′_ref，對無功功率缺額值Q_ref和無功功率修正值ΔQ求和得到DC/AC變換器的輸出無功功率指令Q′_ref。

所述的混合儲能單元綜合荷電狀態(tài)SOC_HESS通過下式獲得：

${\mathrm{SOC}}_{HESS}=\frac{Q_{VRLAB}\·{\mathrm{SOC}}_{VRLAB}+Q_{SC}\·{\mathrm{SOC}}_{SC}}{Q_{VRLAB}+Q_{SC}};$

其中，Q_VRLAB、Q_SC分別為蓄電池和超級電容的額定容量，SOC_VRLAB、Q_SC分別為蓄電池和超級電容的荷電狀態(tài)。

所述的步驟(2)具體包括：

(201)將直流母線額定電壓V_ref與直流母線電壓V_dc的偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到混合儲能單元的充放電功率P_HESS；

(202)將混合儲能單元的充放電功率P_HESS通過低通濾波器濾波得到低頻分量并作為蓄電池充放電功率指令P_bat，同時將高頻分量作為超級電容充放電功率指令P_sc。

得到蓄電池充放電功率指令P_bat和超級電容充放電功率指令P_sc后還需要對其進行修正，具體為：

(a)根據(jù)下式求取充當(dāng)電修正功率ΔP′：

ΔP′＝(SOC_sc-SOC_QVAR)×|P_HESS|×β，

其中，SOC_VRLAB、Q_SC分別為蓄電池和超級電容的荷電狀態(tài)，P_HESS為混合儲能單元的充放電功率，β為修正系數(shù)，β取值范圍為1.1～1.3；

(b)計算蓄電池充放電功率指令修正值P′_bat：P′_bat＝P_bat+DP′，計算超級電容充放電功率指令修正值P′_sc：P′_sc＝P_sc-ΔP′；

進而將蓄電池充放電功率指令修正值P′_bat作為蓄電池充放電功率指令，將超級電容充放電功率指令修正值P′_sc作為超級電容充放電功率指令，從而控制相應(yīng)的DC/DC變換器工作。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明進行上層功率優(yōu)化控制時考慮到了混合儲能單元綜合荷電狀態(tài)SOC_HESS，從而在穩(wěn)定交流母線電壓和頻率的同時保證了混合儲能單元的過充或過放，保證了儲能系統(tǒng)的安全性；

(2)本發(fā)明的下層功率分配通過低通濾波器濾波方式將高頻功率分配給超級電容，低頻功率分配給蓄電池，極大地發(fā)揮了蓄電池和超級電容兩種儲能元件的優(yōu)勢；

(3)本發(fā)明在進行下層功率分配的還通過蓄電池和超級電容的荷電狀態(tài)進行功率修正，當(dāng)兩儲能元件的荷電狀態(tài)比較接近時，修正功率ΔP′取值比較小，即所做的功率修正比較小，當(dāng)兩儲能元件的荷電狀態(tài)相差比較大時，修正功率ΔP′的取值比較大，即所做的功率修正就比較大，從而使得兩種儲能元件的荷電狀態(tài)相對保持一個平衡狀態(tài)，防止某一個儲能元件發(fā)生過充或過放現(xiàn)象，延長儲能元件的壽命。

附圖說明

圖1為含混合儲能單元的微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為上層功率優(yōu)化控制的控制框圖；

圖3為下層功率分配的控制框圖；

圖4為混合儲能單元綜合荷電狀態(tài)SOC_HESS的曲線對比圖；

圖5為超級電容荷電狀態(tài)SOC_SC的曲線對比圖；

圖6為蓄電池荷電狀態(tài)SOC_VRLAB的曲線對比圖；

其中1為蓄電池，2為超級電容，3為第一DC/DC變換器，4為第二DC/DC變換器，5為DC/AC變換器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

實施例

一種基于荷電狀態(tài)的混合儲能分層協(xié)調(diào)控制方法，用于含混合儲能單元的微電網(wǎng)的控制，如圖1所示為焊混合儲能單元的微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)框圖，混合儲能單元包括蓄電池1和超級電容2，蓄電池1和超級電容2分別通過DC/DC變換器連接至直流母線，即圖中第一DC/DC變換器3和第二DC/DC變換器4，直流母線通過DC/AC變換器5連接至微電網(wǎng)交流母線，其中蓄電池1采用磷酸鐵鋰電池。

本發(fā)明基于荷電狀態(tài)的混合儲能分層協(xié)調(diào)控制方法包括如下步驟：

(1)獲取微電網(wǎng)交流母線電壓U、交流母線頻率f和混合儲能單元綜合荷電狀態(tài)SOC_HESS，根據(jù)U、f和SOC_HESS進行上層功率優(yōu)化控制得到DC/AC變換器的輸出功率指令，進而控制DC/AC變換器工作；

(2)獲取直流母線電壓V_dc，以穩(wěn)定直流母線電壓為目標(biāo)進行下層功率分配，分別得到蓄電池和超級電容的充放電功率指令，進而控制相應(yīng)的DC/DC變換器工作。

步驟(1)中上層功率優(yōu)化控制具體通過模糊邏輯算法得到，具體流程框圖如圖2所示：

首先，將交流母線頻率f與交流母線額定頻率f_ref的偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到有功功率缺額值P_ref，同時將交流母線電壓U與交流母線的額定電壓U_ref的偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到無功功率缺額值Q_ref；

其次，將混合儲能單元綜合荷電狀態(tài)SOC_HESS和有功功率缺額值P_ref作為輸入通過模糊控制算法得到有功功率修正值ΔP，同時將混合儲能單元綜合荷電狀態(tài)SOC_HESS和無功功率缺額值Q_ref作為輸入經(jīng)過模糊控制算法得到無功功率修正值ΔQ，混合儲能單元綜合荷電狀態(tài)SOC_HESS通過下式獲得：

${\mathrm{SOC}}_{HESS}=\frac{Q_{VRLAB}\·{\mathrm{SOC}}_{VRLAB}+Q_{SC}\·{\mathrm{SOC}}_{SC}}{Q_{VRLAB}+Q_{SC}};$

其中，Q_VRLAB、Q_SC分別為蓄電池和超級電容的額定容量，SOC_VRLAB、Q_SC分別為蓄電池和超級電容的荷電狀態(tài)。

為了便于區(qū)分混合儲能單元的運行狀態(tài)，根據(jù)混合儲能單元SOC_HESS大小，將混合儲能單元劃分為7個工作狀態(tài)，因為在混合儲能單元中磷酸鐵鋰電池的容量比超級電容器大，且超級電容的荷電狀態(tài)工作區(qū)間為0.1～1，磷酸鐵鋰電池的荷電狀態(tài)工作區(qū)間為0.2～0.9，在這里選取磷酸鐵鋰電池的荷電狀態(tài)工作區(qū)間近似作為混合儲能單元的荷電狀態(tài)工作區(qū)間，即混合儲能單元的荷電狀態(tài)工作區(qū)間為0.2～0.9。劃分的工作狀態(tài)如下所示：

A.當(dāng)SOC_HESS在0.4～0.7之間運行時，稱為最優(yōu)狀態(tài)區(qū)域，混合儲能單元在此區(qū)間內(nèi)既有足夠的電量可以進行放電操作，也有足夠的剩余容量進行充電操作，這種情況下不需要對PI控制器輸出的有功功率缺額值P_ref和無功功率缺額值Q_ref進行修正，將其直接其作為儲能系統(tǒng)的功率指令。

B.當(dāng)SOC_HESS在0.7～0.8或0.3～0.4之間運行時，稱為次優(yōu)狀態(tài)區(qū)域，此時混合儲能單元存在過充或過放的可能。以SOC_HESS在0.7～0.8為例，此時混合儲能單元存在過充的可能，如果混合儲能單元正從微電網(wǎng)交流側(cè)吸收功率，此時應(yīng)減少混合儲能單元吸收能量，即放棄對微電網(wǎng)中部分不平衡功率的補償。

C.當(dāng)SOC_HESS處于0.8～0.9或0.2～0.3之間時，稱為警戒狀態(tài)區(qū)域，此時混合儲能單元已經(jīng)逼近過充或過放的邊界線。以SOC_HESS在0.8～0.9為例，此時混合儲能單元已經(jīng)逼近過充的邊界，如果繼續(xù)從微電網(wǎng)吸收功率，會導(dǎo)致混合儲能單元出現(xiàn)過充，此時應(yīng)放棄對微電網(wǎng)不平衡功率的補償，并選擇合適的時機使混合儲能單元進入放電狀態(tài)。

D.當(dāng)SOC_HESS低于0.2或高于0.9，此時混合儲能單元已完全進入報警狀態(tài)區(qū)域，以SOC_HESS高于0.9為例，如果此時混合儲能單元正從微電網(wǎng)吸收能量，應(yīng)立即將混合儲能單元從充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換為放電狀態(tài)，直至SOC_HESS低于0.9，轉(zhuǎn)換到警戒狀態(tài)區(qū)域。

根據(jù)混合儲能的工作狀態(tài)以及給出的相應(yīng)的操作制定模糊規(guī)則，需要設(shè)計第一模糊控制器和第二模糊控制器，以修正有功功率為例，即設(shè)計第一模糊控制器，該模糊控制器采用兩輸入-單輸出的二維模糊控制結(jié)構(gòu)，下面介紹對輸入、輸出變量進行模糊化運算的過程。

輸入E1：混合儲能單元SOC_HESS，其變化范圍(基本論域)為[0，100％]，模糊論域為{-3,-2,-1,0,1,2,3}，對應(yīng)的模糊子集為{“負大(NB)”，“負中(NM)”，“負小(NS)”，“零(ZO)”，“正小(PS)”，“正中(PM)”，“正大(PB)”}，分別表示當(dāng)前混合儲能單元所處的工作狀態(tài)：過放電狀態(tài)、電量很低狀態(tài)、電量偏低狀態(tài)、電量正常狀態(tài)、電量偏高狀態(tài)、電量很高狀態(tài)、過充電狀態(tài)。

輸入E2：PI控制器輸出的有功功率指令P_ref，其取值范圍受混合儲能單元額定充放功率的限制，本文中選定混合儲能單元的額定有功功率為10kW，從而其取值范圍為-10kW～10kW，即基本論域為[-10，10]，模糊論域為{-3,-2,-1,0,1,2,3}，對應(yīng)的模糊子集為{“負大(NB)”，“負中(NM)”，“負小(NS)”，“零(ZO)”，“正小(PS)”，“正中(PM)”，“正大(PB)”}，分別表示混合儲能單元指令功率值正負及大小：充電功率值很大、充電功率值中等、充電功率值很小、不充電不放電、放電功率值很小、放電功率值中等、放電功率值很大。

輸出U：有功功率修正值ΔP，其取值范圍受制于PI控制器有功功率指令的取值范圍，為了能夠在電池SOC過低時，轉(zhuǎn)換電池的充放電狀態(tài)，ΔP的范圍應(yīng)比有功功率指令稍大，考慮到P_ref的取值范圍，DP取-12kW～12kW，即基本論域為[-12，12]。模糊論域為{-3,-2,-1,0,1,2,3}，對應(yīng)的模糊子集為{“負大(NB)”，“負中(NM)”，“負小(NS)”，“零(ZO)”，“正小(PS)”，“正中(PM)”，“正大(PB)”}，分別對應(yīng)修正功率ΔP負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。

根據(jù)前面介紹的SOC_HESS和P_ref與修正值ΔP之間的關(guān)系，其控制規(guī)則如表1所示。

表1模糊控制規(guī)則

基于相同的修正規(guī)律，無功功率的模糊控制規(guī)則與表1相同，且PI控制器輸出的無功功率缺額值Q_ref的范圍為-5kvar～5kvar，無功功率修正值ΔQ的范圍為-6kvar～6kvar。

最后，對有功功率缺額值P_ref和有功功率修正值ΔP求和得到DC/AC變換器的輸出有功功率指令P′_ref，對無功功率缺額值Q_ref和無功功率修正值ΔQ求和得到DC/AC變換器的輸出無功功率指令Q′_ref。

如圖3所示為下層功率分配的控制框圖，步驟(2)包括如下步驟：

(201)將直流母線額定電壓V_ref與直流母線電壓V_dc的偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到混合儲能單元的充放電功率P_HESS；

(202)將混合儲能單元的充放電功率P_HESS通過低通濾波器濾波得到低頻分量并作為蓄電池充放電功率指令P_bat，同時將高頻分量作為超級電容充放電功率指令P_sc。

得到蓄電池充放電功率指令P_bat和超級電容充放電功率指令P_sc后還需要對其進行修正，具體為：

(a)根據(jù)下式求取充當(dāng)電修正功率ΔP′：

ΔP′＝(SOC_sc-SOC_QVAR)×|P_HESS|×β，

其中，SOC_VRLAB、Q_SC分別為蓄電池和超級電容的荷電狀態(tài)，P_HESS為混合儲能單元的充放電功率，β為修正系數(shù)，β取值范圍為1.1～1.3；

(b)計算蓄電池充放電功率指令修正值P′_bat：P′_bat＝P_bat+ΔP′，計算超級電容充放電功率指令修正值P′_sc：P′_sc＝P_sc-ΔP′；

進而將蓄電池充放電功率指令修正值P′_bat作為蓄電池充放電功率指令，將超級電容充放電功率指令修正值P′_sc作為超級電容充放電功率指令，從而控制相應(yīng)的DC/DC變換器工作。

本實施例采用基于荷電狀態(tài)的混合儲能分層協(xié)調(diào)控制方法進行以及采用普通的低通濾波算法的混合儲能單元充放電分配策略進行對比實驗。圖4所示為混合儲能單元綜合荷電狀態(tài)SOC_HESS的曲線對比圖，圖中曲線a1為本發(fā)明的基于荷電狀態(tài)的混合儲能分層協(xié)調(diào)控制方法的混合儲能單元綜合荷電狀態(tài)SOC_HESS曲線，曲線a2為普通低通濾波算法的混合儲能單元綜合荷電狀態(tài)SOC_HESS曲線，由圖可見，本發(fā)明的基于荷電狀態(tài)的混合儲能分層協(xié)調(diào)控制方法的混合儲能單元綜合荷電狀態(tài)SOC_HESS變化范圍控制在0.2～0.8之間，維持在合理范圍之內(nèi)，有效防止了混合儲能單元的過充或過放。圖5為超級電容荷電狀態(tài)SOC_SC的曲線對比圖，圖中曲線b1為本發(fā)明控制方法下超級電容荷電狀態(tài)SOC_SC曲線，曲線b2為普通控制方法下超級電容荷電狀態(tài)Q_SC曲線。圖6為蓄電池荷電狀態(tài)SOC_VRLAB的曲線對比圖，圖中曲線c1為本發(fā)明控制方法下蓄電池荷電狀態(tài)SOC_VRLAB曲線，曲線c2為普通控制方法下蓄電池荷電狀態(tài)SOC_VRLAB曲線。由圖5圖6可知，采用本發(fā)明的控制方法下，超級電容器和蓄電池的荷電狀態(tài)在整個過程中變化范圍小了許多，如超級電容荷電狀態(tài)Q_SC變化范圍是0.25～0.68，蓄電池荷電狀態(tài)SOC_VRLAB變化范圍是0.25～0.78，不存在過充或過放。