本發(fā)明涉及一種微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器的設(shè)計(jì)技術(shù)，特別涉及一種直流微網(wǎng)儲(chǔ)能分級(jí)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制方法。

背景技術(shù)：

隨著微電網(wǎng)中可再生能源使用的增加，有關(guān)于可再生能源(renewable energy sources，RES)、儲(chǔ)能系統(tǒng)(energy storage systems，ESS)以及負(fù)荷間三者間協(xié)同工作的問題逐步增多。近年來，因?yàn)橹绷魑㈦娋W(wǎng)沒有無功功率、諧波電流、直流/交流轉(zhuǎn)換的損耗等交流微電網(wǎng)中存在的問題，所以有關(guān)直流微電網(wǎng)方面的研究逐漸增加(文獻(xiàn)1：T.Vandoorn，J.Vasquez，J.De Kooning，J.Guerrero，and L.Vandevelde.Microgrids：Hierarchical control and an overview of the control and reserve management strategies[J].IEEE Ind.Electron，2013，7(4)：42–55)?？稍偕茉吹拈g斷性以及不可預(yù)測(cè)的負(fù)荷波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)功率不平衡從而影響微網(wǎng)的運(yùn)行。因此，需要兩個(gè)或者多個(gè)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)來提供更多的能量支撐和系統(tǒng)的亢余性，從而保證微電網(wǎng)的可靠性、安全性和穩(wěn)定性(文獻(xiàn)2：H.Kakigano，Y.Miura，and T.Ise.Distribution voltage control for DC microgrids using fuzzy control and gain-scheduling technique[J].IEEE Trans.Power Electron，2013，28(5)：2246–2258和文獻(xiàn)3：T.Dragiˇcevi′c，J.Guerrero，J.Vasquez，and D.Skrlec.Supervisory control of an adaptive-droop regulated DC microgrid with battery management capability[J].IEEE Trans.Power Electron，2013，29(2)：695–706)。另外，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)充滿電時(shí)，可再生能源發(fā)出的功率可能造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此儲(chǔ)能系統(tǒng)和可再生能源的協(xié)調(diào)工作是必不可少的，這就需要可再生能源不再處于最大功率跟蹤模式并尤其維持母線電壓的穩(wěn)定。由于當(dāng)多個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的存在時(shí)，為了使得能量在各分布式儲(chǔ)能單元之間均衡分布，因此在充電過程中，荷電狀態(tài)低的優(yōu)先級(jí)別高，同樣，在放電過程中，荷電狀態(tài)高的優(yōu)先級(jí)別高，進(jìn)而確保各單元存儲(chǔ)的能量平衡(文獻(xiàn)4：Y.-K.Chen，Y.-C.Wu，C.-C.Song，and Y.-S.Chen.Design and implementation of energy management system with fuzzy control for DC microgrid systems[J].IEEE Trans.Power Electron，2013，28(4)：1563–1570和文獻(xiàn)5：J.Vasquez，J.Guerrero，M.Savaghebi，J.Eloy-Garcia，and R.Teodorescu.Modeling，analysis，and design of stationary-referenceframe droop-controlled parallel three-phase voltage source inverters[J].IEEE Trans.Ind.Electron，2013，60(4)：1271–1280)。通常情況下，對(duì)于直流母線上并聯(lián)的兩個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)能單元的直流/直流轉(zhuǎn)換器采用電壓下垂控制可以確保各儲(chǔ)能之間的均流(文獻(xiàn)6：P.Karlsson and J.Svensson.DC bus voltage control for a distributed power system[J].IEEE Trans.Power Electron，2003，18(6)：405–1412和文獻(xiàn)7：J.Schonberger，R.Duke，and S.Round.DC-bus signaling:A distributed control strategy for a hybrid renewable nanogrid[J].IEEE Trans.Ind.Electron，2006，53(5)：1453–1460)。在下垂控制策略中固定不變的虛擬電阻可確保各變流器之間平等或按比例的分流，但是這種方法不適用于不同可再生能源工作需求的電力電子變換器控制，例如：光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)，儲(chǔ)能系統(tǒng)，特別是不同荷電狀態(tài)的分布式電池組。在文獻(xiàn)3中通過自適應(yīng)地調(diào)整下垂控制器中的虛擬電阻可以良好實(shí)現(xiàn)的能量存儲(chǔ)平衡，但是其母線電壓并不穩(wěn)定。其他作者提出的算法是，每當(dāng)檢測(cè)到不同蓄電池組之間的荷電狀態(tài)差異時(shí)，便基于一個(gè)常系數(shù)來調(diào)整電池的電流(文獻(xiàn)8：Y.Zhang，H.J.Jia，and L.Guo.Energy management strategy of islanded microgrid based on power flow control[C].Proc.IEEE PES Innov.Smart Grid Technol.(ISGT)，Washington，DC，USA，2012)。但這種方法需要使用集中控制器，并且使用一個(gè)常系數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)緩慢的接近平衡點(diǎn)或者在平衡點(diǎn)處產(chǎn)生振蕩，而且并沒有考慮直流母線的電壓偏差。在文獻(xiàn)9：X.Lu et al.SoC-based droop method for distributed energy storage in DC microgrid applications[C].Proc.IEEE Int.Symp.Ind.Electron.(ISIE)，Hangzhou，China，2012中提出基于儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)調(diào)整下垂控制器的方法，但僅僅考慮儲(chǔ)能對(duì)負(fù)載放電的情況。文獻(xiàn)10：Xiaonan Lu，Kai Sun，Josep M.Guerrero，Juan C.Vasquez and Lipei Huang.Double-Quadrant State-of-Charge-Based Droop Control Method for Distributed Energy Storage Systems in Autonomous DC Microgrids[J].IEEE Trans.Smart Grid，2015，6(1)：147–157將下垂系數(shù)按照儲(chǔ)能荷電狀態(tài)的高階次方進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，可以使儲(chǔ)能之間功率達(dá)到平衡，但其荷電狀態(tài)的計(jì)算過于依賴功率差額等其他變量。文獻(xiàn)11：Nelson L.Diaz，Tomislav Dragiˇcevi′c，Juan C.Vasquez and Josep M.Guerrero.Intelligent Distributed Generation and Storage Units for DC Microgrids—A New Concept on Cooperative Control Without Communications Beyond Droop Control[J].IEEE Trans.Smart Grid，2014，5(5)：2476–2484提出各個(gè)儲(chǔ)能獨(dú)立自治的模糊算法，可以實(shí)現(xiàn)功率自動(dòng)的按照儲(chǔ)能荷電狀態(tài)分配，但其最終的功率平衡難以實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對(duì)直流微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)不同的儲(chǔ)能狀態(tài)下功率難以平衡的問題，提出了一種直流微網(wǎng)儲(chǔ)能分級(jí)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制方法，即各儲(chǔ)能單元根據(jù)自身的功率變化計(jì)算得知充電過程中荷電狀態(tài)最小的儲(chǔ)能單元或放電過程中荷電狀態(tài)最大的儲(chǔ)能單元，并在此基礎(chǔ)上通過一級(jí)功率分配控制調(diào)節(jié)各自虛擬電阻改變吸收或發(fā)出的功率，通過二級(jí)平衡控制使得各儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)與已知的儲(chǔ)能單元達(dá)到平衡，從而避免了由荷電狀態(tài)不同導(dǎo)致的過度放電與深度充電。并且各儲(chǔ)能單元在荷電狀態(tài)平衡的過程中，即不需要依賴于通信線的儲(chǔ)能間信息傳遞，又使得其平衡效果優(yōu)于無通信的儲(chǔ)能平衡。另外下垂控制造成的母線電壓偏差得到了很大程度的降低。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種直流微網(wǎng)儲(chǔ)能分級(jí)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制方法，可再生能源和儲(chǔ)能系統(tǒng)通過各自的控制器進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換后接直流母線上，直流負(fù)荷通過直流母線提取電能，可再生能源包含光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電，儲(chǔ)能系統(tǒng)由各個(gè)可充放電儲(chǔ)能單元并聯(lián)組成，可再生能源以最大功率跟蹤模式給直流母線供電，儲(chǔ)能系統(tǒng)的變流器依靠下垂控制器來調(diào)節(jié)母線電壓，儲(chǔ)能系統(tǒng)中各個(gè)可充放電儲(chǔ)能單元采用虛擬電阻動(dòng)態(tài)調(diào)整，使各個(gè)儲(chǔ)能單元能量平衡，彌補(bǔ)母線電壓偏差。

所述采用虛擬電阻動(dòng)態(tài)調(diào)整具體為：各儲(chǔ)能單元根據(jù)自身的功率變化計(jì)算得知充電過程中荷電狀態(tài)最小的儲(chǔ)能單元或放電過程中荷電狀態(tài)最大的儲(chǔ)能單元，并在此基礎(chǔ)上通過設(shè)定同一調(diào)節(jié)值后，優(yōu)先調(diào)整功率變化快的儲(chǔ)能單元，穩(wěn)定其他儲(chǔ)能單元虛擬電阻的控制方式控制調(diào)節(jié)各自虛擬電阻改變吸收或發(fā)出的功率；再通過各個(gè)儲(chǔ)能單元的功率差值和荷電狀態(tài)差值為模糊控制器的輸入，模糊控制器輸出為虛擬電阻的變化量的控制方式使得各儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)達(dá)到平衡。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明直流微網(wǎng)儲(chǔ)能分級(jí)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制方法，通過分析各儲(chǔ)能單元變流器功率變化情況，來動(dòng)態(tài)的調(diào)整下垂控制中的虛擬電阻，以確保直流微電網(wǎng)中分布式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)的能量達(dá)到平衡。并且各儲(chǔ)能單元之間無需通信，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)虛擬電阻的調(diào)整，可以減少在公共直流母線的電壓偏差，有效的提高了電能質(zhì)量。

附圖說明

圖1為直流微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為儲(chǔ)能穩(wěn)壓等效電路圖；

圖3為儲(chǔ)能下垂控制運(yùn)行曲線圖；

圖4為多儲(chǔ)能之間功率分配流程圖；

圖5為多儲(chǔ)能之間功率平衡流程圖；

圖6-1為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電時(shí)模糊推理系統(tǒng)輸出特性曲面；

圖6-2為儲(chǔ)能系統(tǒng)放電時(shí)模糊推理系統(tǒng)輸出特性曲面；

圖7-1為本發(fā)明采用分級(jí)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制在充電過程中已知實(shí)際儲(chǔ)能時(shí)各儲(chǔ)能單元吸收的功率結(jié)果圖；

圖7-2為本發(fā)明采用分級(jí)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制在充電過程中已知實(shí)際儲(chǔ)能時(shí)各儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)結(jié)果圖；

圖7-3為本發(fā)明采用分級(jí)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制在充電過程中已知實(shí)際儲(chǔ)能時(shí)各儲(chǔ)能單元的母線電壓變化波形圖；

圖8-1為采用文獻(xiàn)10控制方法在充電過程中已知實(shí)際儲(chǔ)能時(shí)各儲(chǔ)能單元吸收的功率結(jié)果圖；

圖8-2為采用文獻(xiàn)10控制方法在充電過程中已知實(shí)際儲(chǔ)能時(shí)各儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)結(jié)果圖；

圖8-3為采用文獻(xiàn)10控制方法在充電過程中已知實(shí)際儲(chǔ)能時(shí)各儲(chǔ)能單元的母線電壓變化波形圖；

圖9-1為本發(fā)明采用分級(jí)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制在充電過程中已知虛擬儲(chǔ)能時(shí)各儲(chǔ)能單元吸收的功率結(jié)果圖；

圖9-2為本發(fā)明采用分級(jí)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制在充電過程中已知虛擬儲(chǔ)能時(shí)各儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)結(jié)果圖；

圖9-3為本發(fā)明采用分級(jí)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制在充電過程中已知虛擬儲(chǔ)能時(shí)各儲(chǔ)能單元的母線電壓變化波形圖；

圖10-1為本發(fā)明采用分級(jí)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制在充電中平衡過程出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)各儲(chǔ)能單元吸收的功率結(jié)果圖；

圖10-2為本發(fā)明采用分級(jí)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制在充電中平衡過程出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)各儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)結(jié)果圖；

圖11-1為本發(fā)明采用分級(jí)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制在充放電轉(zhuǎn)換時(shí)各儲(chǔ)能單元吸收的功率結(jié)果圖；

圖11-2為本發(fā)明采用分級(jí)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制在充放電轉(zhuǎn)換時(shí)各儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)結(jié)果圖；

圖12-1為采用文獻(xiàn)10控制方法在充放電轉(zhuǎn)換時(shí)各儲(chǔ)能單元吸收的功率結(jié)果圖；

圖12-2為采用文獻(xiàn)10控制方法在充放電轉(zhuǎn)換時(shí)各儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)結(jié)果圖；

圖13為本發(fā)明采用分級(jí)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制和采用文獻(xiàn)10控制方法時(shí)的母線電壓對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

典型的直流微電網(wǎng)由三部分構(gòu)成，即可再生能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、直流負(fù)荷。如圖1所示，可再生能源包含光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電，儲(chǔ)能系統(tǒng)由各個(gè)可充放電儲(chǔ)能單元組成，儲(chǔ)能單元通常為蓄電池，可再生能源和儲(chǔ)能系統(tǒng)通過各自的控制器進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換后接直流母線上，直流負(fù)荷通過直流母線提取電能，可再生能源給蓄電池充電。因?yàn)楣聧u運(yùn)行模式的微電網(wǎng)在較偏遠(yuǎn)地區(qū)的應(yīng)用尤為重要，并且在這種模式中儲(chǔ)能系統(tǒng)和可再生能源的協(xié)調(diào)運(yùn)行是關(guān)鍵問題(文獻(xiàn)12：J.Vasquez，J.Guerrero，J.Miret，M.Castilla,and L.de Vicuna.Hierarchical control of intelligent microgrids[J].IEEE Ind.Electron，2010，4(4)：23–29)，所以在此針對(duì)孤島運(yùn)行模式進(jìn)行著重分析。下面從工作模式、設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)方法、有效性驗(yàn)證等幾個(gè)方面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

一、虛擬電阻選擇原理

通常情況下，儲(chǔ)能系統(tǒng)工作時(shí)其荷電狀態(tài)保持在50％～100％，其處于充電模式或是放電模式取決于可再生能源與負(fù)荷間的功率差值是正或是負(fù)?？稍偕茉垂ぷ髟谧畲蠊β矢?maximum power point tracking，MPPT)方式，可以看作為恒定功率源。儲(chǔ)能系統(tǒng)的變流器依靠下垂控制器來調(diào)節(jié)母線電壓。圖2為此工作模式下的等效電路圖，虛擬電阻取值范圍的確定可由此分析得出(文獻(xiàn)11)。

以母線電壓V_dc為節(jié)點(diǎn)列基爾霍夫電壓方程：

$(\frac{1}{R_v}+\frac{1}{R_{CPS}}+\frac{1}{R_{load}})V_{dc}=\frac{V_{ref}}{R_v}+I_{CPS}---\left(1\right)$

式中V_ref為母線電壓參考值，R_v為儲(chǔ)能系統(tǒng)虛擬電阻，I_cps為可再生能源發(fā)出的等效電流，R_cps為可再生能源等效電阻，R_load為負(fù)荷電阻。I_cps和R_cps可由下式得出

$I_{CPS}=\frac{P_{CPS}}{V_{dc}}---\left(2\right)$

$R_{CPS}=\frac{V_{dc}^2}{P_{CPS}}---\left(3\right)$

式中P_cps為可再生能源發(fā)出的功率恒為正，將式(2)和式(3)代入式(1)中可得如下結(jié)果

$V_{dc}=\frac{\frac{V_{ref}}{R_v}+\sqrt{{\left(\frac{V_{ref}}{R_v}\right)}^2+4P_{CPS}(\frac{1}{R_v}+\frac{1}{R_{load}})}}{2(\frac{1}{R_v}+\frac{1}{R_{load}})}---\left(4\right)$

當(dāng)母線電壓給定最大最小范圍后，求解上式便可得到虛擬電阻R_v的最大最小范圍。

二、虛擬電阻調(diào)節(jié)原理

調(diào)節(jié)虛擬電阻主要的目的是避免單個(gè)儲(chǔ)能單元過度放電和深度充電，使各個(gè)儲(chǔ)能單元之間達(dá)到一個(gè)能量平衡的狀態(tài)，并且能夠減少由下垂控制帶來的母線電壓偏差。而分級(jí)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制使得各儲(chǔ)能單元僅需依靠自身相關(guān)變量的變化情況便可得知儲(chǔ)能系統(tǒng)中某一個(gè)儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)以及虛擬電阻等信息，并據(jù)此來調(diào)節(jié)相應(yīng)的虛擬電阻。這一過程不需要儲(chǔ)能單元之間經(jīng)過通信便可完成，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的可靠性。

當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)工作在充放電模式時(shí)，下垂控制環(huán)用來維持功率的平衡(文獻(xiàn)3)。因此，輸出電壓可由下式得出

V_dc＝V_ref-I_Li·R_vi (5)

式中R_vi為儲(chǔ)能系統(tǒng)各下垂控制環(huán)中的虛擬電阻，V_dc為母線電壓，V_ref為母線電壓參考值，I_Li為儲(chǔ)能系統(tǒng)各變流器輸出電流。

由此可以得出虛擬電阻比較低的儲(chǔ)能模塊吸收或輸出的電流比較大，從而維持微網(wǎng)的功率平衡，同時(shí)其充電或放電的速度相對(duì)較快。但對(duì)于荷電狀態(tài)不同的儲(chǔ)能單元，如圖3所示，假設(shè)儲(chǔ)能單元1的荷電狀態(tài)SOC₁大于儲(chǔ)能單元2的荷電狀態(tài)SOC₂，在儲(chǔ)能單元充電時(shí)期望荷電狀態(tài)較高的儲(chǔ)能單元充電速度要快一些，所以對(duì)應(yīng)的虛擬電阻要小一些。同樣當(dāng)儲(chǔ)能單元向微網(wǎng)提供功率時(shí)為防止荷電狀態(tài)較低的儲(chǔ)能單元過度放電，其對(duì)應(yīng)的虛擬電阻應(yīng)大一些使得放電速度相比其他儲(chǔ)能單元較慢。又因?yàn)樵谙麓箍刂浦?，電壓偏差與虛擬電阻成正比，為了減小母線電壓偏差，所以當(dāng)電壓偏差較大時(shí)需要虛擬電阻應(yīng)該小一些，反之應(yīng)該大一些。據(jù)此可知虛擬電阻的設(shè)定可由母線電壓偏差V_err如式(6)以及儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)SOC如式(7)共同決定

V_err＝V_ref-V_dc (6)

$SoC=SoC\left(0\right)-{\∫}_0^t\frac{I_{bat}\left(\mathrm{\τ}\right)}{C_{bat}}d\mathrm{\τ}---\left(7\right)$

式中SOC(0)為儲(chǔ)能單元初始荷電狀態(tài)，C_bat為儲(chǔ)能單元的容量，I_bat為儲(chǔ)能單元的電流。

1)一級(jí)功率分配控制

由于微源輸出的功率具有波動(dòng)性，因此需要儲(chǔ)能系統(tǒng)來彌補(bǔ)或吸收微電網(wǎng)系統(tǒng)中缺額或多余的功率。并且微源的功率波動(dòng)會(huì)使得所有儲(chǔ)能單元的功率產(chǎn)生變化，單個(gè)儲(chǔ)能單元中虛擬電阻的

調(diào)整同樣會(huì)導(dǎo)致其余儲(chǔ)能單元功率產(chǎn)生變化。例如在充電(或放電)過程中，微源功率輸出功率降低(或增加)或者負(fù)荷增加(或減少)均會(huì)使得儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收(或發(fā)出)功率減少，個(gè)別儲(chǔ)能單元虛擬電阻減少從而其吸收(或發(fā)出)功率增加導(dǎo)致其余儲(chǔ)能吸收(或發(fā)出)功率降低。

因此各儲(chǔ)能單元可按照?qǐng)D4中的流程通過改變虛擬電阻來進(jìn)行功率的分配。如圖4所示，以充電過程為例，首先各儲(chǔ)能單元根據(jù)各自荷電狀態(tài)設(shè)定初始虛擬電阻，即荷電狀態(tài)越大虛擬電阻越大。由于荷電狀態(tài)小儲(chǔ)能單元虛擬電阻小，因此吸收的功率大，荷電狀態(tài)增長的快。在此全部儲(chǔ)能單元可設(shè)定當(dāng)荷電狀態(tài)增加1％時(shí)虛擬電阻減小為0.2。顯然荷電狀態(tài)小的儲(chǔ)能單元首先增加1％，這時(shí)其虛擬電阻減小，導(dǎo)致吸收的功率增加，而其余儲(chǔ)能單元吸收的功率減少。

因?yàn)閷?duì)應(yīng)相同的初始下垂特性曲線并且時(shí)間和母線電壓已知，則根據(jù)式(8)可計(jì)算出首先增長1％的儲(chǔ)能單元的虛擬電阻，從而可知該儲(chǔ)能電源的荷電狀態(tài)，并且可以得出此荷電狀態(tài)為全部儲(chǔ)能單元中最小。

$1={\∫}_0^t\frac{V_{dc}\left(\mathrm{\τ}\right)-V_{ref}}{R_v\·C_{bat}}d\mathrm{\τ}---\left(8\right)$

為防止在已知最小荷電狀態(tài)儲(chǔ)能單元的情況下其余儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)增長1％時(shí)虛擬電阻減小，各儲(chǔ)能單元在吸收功率減少時(shí)自動(dòng)保持初始虛擬電阻不變，直到與最小荷電狀態(tài)儲(chǔ)能單元達(dá)到平衡。若在各儲(chǔ)能單元均未增長1％之前由于微源輸出功率降低或負(fù)荷增加導(dǎo)致的各儲(chǔ)能單元吸收功率降低，則據(jù)此可計(jì)算出一個(gè)荷電狀態(tài)已知并且小于所有儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)的虛擬儲(chǔ)能單元。同樣在放電過程中按照?qǐng)D4中流程通過儲(chǔ)能單元的功率變化計(jì)算得出最大荷電狀態(tài)的儲(chǔ)能單元或一個(gè)虛擬的最大荷電狀態(tài)儲(chǔ)能單元。

在得知某一儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)和功率后，為能夠盡快與其達(dá)到荷電狀態(tài)平衡，各儲(chǔ)能單元需盡可能擴(kuò)大與已知儲(chǔ)能單元的功率差值，因此需要保持初始虛擬電阻不變，直到與其達(dá)到近似平衡的狀態(tài)。

2)二級(jí)功率平衡控制

在獲知最小(或最大)荷電狀態(tài)儲(chǔ)能單元后，并按照原有的虛擬電阻進(jìn)行功率分配的過程中，當(dāng)各個(gè)儲(chǔ)能單元與已知儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)達(dá)到近似相等時(shí)，便可逐漸減小各儲(chǔ)能單元的虛擬電阻直到與已知儲(chǔ)能單元達(dá)到平衡且虛擬電阻相同。

該過程可參照?qǐng)D5中的流程來使各儲(chǔ)能單元與已知的儲(chǔ)能單元達(dá)到平衡。由于功率不能突變，若在兩儲(chǔ)能荷電狀態(tài)達(dá)到相同時(shí)改變虛擬電阻，則由于兩儲(chǔ)能功率逐漸達(dá)到相同使得兩儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)達(dá)到平衡后又不相同?？芍獌蓛?chǔ)能的平衡過程中受到他們之中功率差值和荷電狀態(tài)差值影響，據(jù)此可將這兩個(gè)因素做為模糊控制器的輸入，輸出為虛擬電阻的變化量。

如圖6-1、6-2所示為充放電時(shí)模糊控制器的模糊推理輸出特性曲面。經(jīng)過一級(jí)功率分配后，由于各儲(chǔ)能單元與已知儲(chǔ)能的功率差值較大，使得各儲(chǔ)能單元與已知儲(chǔ)能快速達(dá)到一個(gè)近似平衡的狀態(tài)。此時(shí)再通過二級(jí)平衡控制，可以使得多儲(chǔ)能單元之間逐漸達(dá)到平衡。

三、算例分析

為了證實(shí)所提方法對(duì)儲(chǔ)能平衡的有效性，本發(fā)明使用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)對(duì)微網(wǎng)模型的性能進(jìn)行分析，并且與文獻(xiàn)10作對(duì)比。仿真中采用母線電壓400V。

1、儲(chǔ)能穩(wěn)定充電/放電

1)已知實(shí)際儲(chǔ)能

如圖7和圖8所示，圖7-1/8-1為在充電過程中已知實(shí)際儲(chǔ)能時(shí)各儲(chǔ)能單元吸收的功率結(jié)果圖，圖7-2/8-2為在充電過程中已知實(shí)際儲(chǔ)能時(shí)各儲(chǔ)能單元吸收的荷電狀態(tài)結(jié)果圖，圖7-3/8-3為在充電過程中已知實(shí)際儲(chǔ)能時(shí)各儲(chǔ)能單元吸收的母線電壓變化波形圖，圖7為采用本發(fā)明控制方法，圖8為采用文獻(xiàn)10中的控制方法。當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)處于穩(wěn)定充電狀態(tài)時(shí)，各儲(chǔ)能的起始荷電狀態(tài)分別為ESU3＝55％、ESU2＝65％以及ESU1＝75％。

在0.7s時(shí)，由于ESU3荷電狀態(tài)首先增加1％，所以其虛擬電阻減小至0.2。而剩余儲(chǔ)能因?yàn)槲盏墓β式档停憧捎?jì)算得知ESU3的荷電狀態(tài)和虛擬電阻等信息。在2.9s時(shí)ESU2的荷電狀態(tài)達(dá)到與ESU3近似相等，此時(shí)通過二級(jí)平衡控制逐漸減小虛擬電阻，使得當(dāng)其與ESU3達(dá)到和荷電狀態(tài)平衡時(shí)，ESU2的荷電狀態(tài)和虛擬電阻與ESU3相同。這時(shí)，可將ESU2與ESU3看作為一個(gè)儲(chǔ)能單元ESU3。在8s時(shí)，ESU1的荷電狀態(tài)與已知ESU3達(dá)到近似相等，此時(shí)經(jīng)過與前述相同的過程與ESU3達(dá)到平衡。當(dāng)全部儲(chǔ)能均與已知儲(chǔ)能達(dá)到平衡時(shí)，所有儲(chǔ)能均到達(dá)相同的荷電狀態(tài)。

從圖7仿真結(jié)果可以看出，各儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)最終相同，并且荷電狀態(tài)最大的ESU1其荷電狀態(tài)僅增長5％。而圖8中文獻(xiàn)10的仿真結(jié)果顯然并未達(dá)到平衡，并且其母線電壓明顯高于本發(fā)明所采用控制方法的結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看出，本所使用的方法再平衡速度上以及母線電壓偏差的降低效果上明顯優(yōu)于文獻(xiàn)10。

2)已知虛擬儲(chǔ)能

如圖9-1、9-2、9-3分別為在充電過程中已知虛擬儲(chǔ)能時(shí)各儲(chǔ)能單元吸收的功率結(jié)果圖、荷電狀態(tài)結(jié)果圖和母線電壓變化波形圖，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)處于穩(wěn)定充電狀態(tài)時(shí)，各儲(chǔ)能的起始荷電狀態(tài)分別為ESU3＝55％、ESU2＝65％以及ESU1＝75％。在0.5s時(shí)，由于微源發(fā)出的功率與負(fù)荷吸收的功率差值降低，使得三個(gè)儲(chǔ)能單元吸收的功率降低，這時(shí)所計(jì)算出的虛擬儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)小于ESU3，并且虛擬儲(chǔ)虛擬儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)小于ESU3，并且虛擬儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)以及虛擬電阻均可得知。在2.9s時(shí)ESU3的荷電狀態(tài)達(dá)到與虛擬儲(chǔ)能單元近似相等，此時(shí)通過二級(jí)平衡控制逐漸減小虛擬電阻，使得當(dāng)其與虛擬儲(chǔ)能單元達(dá)到和荷電狀態(tài)平衡時(shí)，ESU3的荷電狀態(tài)和虛擬電阻與虛擬儲(chǔ)能單元相同。這時(shí)，可將ESU3與虛擬儲(chǔ)能單元看作為一個(gè)儲(chǔ)能單元虛擬儲(chǔ)能單元。在6.5s時(shí)及13.2s時(shí)ESU1和ESU2的荷電狀態(tài)分別與已知虛擬儲(chǔ)能單元達(dá)到近似相等，此時(shí)經(jīng)過與前述相同的過程與虛擬儲(chǔ)能單元達(dá)到平衡。

由以上仿真結(jié)果可以看出，在儲(chǔ)能單元的功率降低時(shí)，無論計(jì)算得出的為實(shí)際儲(chǔ)能單元或虛擬儲(chǔ)能單元，均可以實(shí)現(xiàn)多儲(chǔ)能之間的荷電狀態(tài)平衡。在充電時(shí)，荷電狀態(tài)最大的儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)僅增長5％便可與其他儲(chǔ)能達(dá)到平衡.由此可知，本發(fā)明所使用的方法提高了多儲(chǔ)能單元之間平衡的范圍，使得具有較大荷電狀態(tài)差異的儲(chǔ)能單元之間能夠快速的達(dá)到核電狀態(tài)平衡。

2、二級(jí)平衡過程出現(xiàn)擾動(dòng)

本發(fā)明在充放電過程中荷電狀態(tài)近似平衡到荷電狀態(tài)達(dá)到平衡之間加入擾動(dòng)，如圖10-1、10-2分別為本發(fā)明采用分級(jí)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制在充電中平衡過程出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)各儲(chǔ)能單元吸收的功率結(jié)果圖和荷電狀態(tài)結(jié)果圖，以此來驗(yàn)證二級(jí)平衡控制的有效性。在一級(jí)功率分配控制后到達(dá)1.6s的時(shí)刻，ESU2與ESU3達(dá)到荷電狀態(tài)近似荷電狀態(tài)平衡，此時(shí)ESU2進(jìn)入二級(jí)功率平衡控。在1.8s時(shí)刻由于微源發(fā)出的功率降低，使得ESU2的模糊控制器重新設(shè)定其虛擬電阻的變化量，以確保兩個(gè)儲(chǔ)能單元繼續(xù)達(dá)到荷電狀態(tài)平衡。而在ESU1與ESU3進(jìn)入到二級(jí)功率平衡控制后，由于在8.2s時(shí)刻負(fù)荷吸收的功率減少，使得ESU1的模糊控制器重新設(shè)定其虛擬電阻變化量以至于最終三個(gè)儲(chǔ)能單元達(dá)到荷電狀態(tài)平衡。由仿真結(jié)果不難看出，不論擾動(dòng)出現(xiàn)在任何時(shí)刻，各儲(chǔ)能單元均能與已知儲(chǔ)能單元達(dá)到荷電狀態(tài)平衡。

3、儲(chǔ)能充電和放電模式轉(zhuǎn)換

因?yàn)閮?chǔ)能處于充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)取決于可再生能源與負(fù)荷間的功率差值為正或?yàn)樨?fù)，所以在仿真中使負(fù)載為恒功率負(fù)荷為3.2kW，可再生能源發(fā)出的功率最大為5kW。仿真結(jié)果如圖11和圖12所示，圖11-1/12-1為充放電轉(zhuǎn)換時(shí)各儲(chǔ)能單元吸收的功率結(jié)果圖，圖11-2/12-2為在充放電轉(zhuǎn)換時(shí)各儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)結(jié)果圖，圖11為本發(fā)明所使用的控制方法，圖12為文獻(xiàn)10中的控制方法。因?qū)Ρ刃枰?，兩者都設(shè)置相同的擾動(dòng)，并且三個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的初始荷電狀態(tài)均為ESU3＝55％、ESU2＝70％以及ESU1＝85％。

在0～4s時(shí)，系統(tǒng)中可再生能源發(fā)出的總功率高于負(fù)荷所消耗的功率，因此需要儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電來吸收微網(wǎng)中多余的能量。在4～8s時(shí)，系統(tǒng)中可再生能源發(fā)出的總功率低于負(fù)荷消耗的功率，因此需要儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行放電為負(fù)荷供電。8s之后，系統(tǒng)中可再生能源發(fā)出的總功率增加，負(fù)荷吸收的功率減少，使得可再生能源發(fā)出的功率有剩余，因此儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電來吸收微電網(wǎng)中多余的功率。在圖11中各儲(chǔ)能單元由充放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，其各自的虛擬電阻重新設(shè)定。

從仿真結(jié)果可以看出，與文獻(xiàn)10所采用的方法做比較，即使經(jīng)過充放電的轉(zhuǎn)換，本發(fā)明使用的方法能有效并快速的使儲(chǔ)能間達(dá)到荷電狀態(tài)平衡。而圖13兩者的母線電壓波形對(duì)比情況來看，雖然兩者的電壓波動(dòng)均在允許的范圍內(nèi)，但本發(fā)明使用的方法明顯的減少的下垂控制帶來的電壓偏差，并且各儲(chǔ)能之間越接近荷電狀態(tài)平衡母線電壓偏差越小，而文獻(xiàn)10相反。