本發(fā)明涉及直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，具體是一種改進的混合儲能系統(tǒng)自適應下垂控制方法。

背景技術：

隨著新能源發(fā)展的不斷升溫，直流微電網(wǎng)已成為分布式微電源重要的結網(wǎng)方式之一。微電網(wǎng)在孤島運行模態(tài)下，維持直流母線電壓穩(wěn)定是整個微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提。電力儲能技術作為維持微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行和提高電能質(zhì)量的關鍵環(huán)節(jié)，伴隨微電網(wǎng)的發(fā)展應運而生。而由于儲能元件各自的輸出缺陷，單一儲能元件在微電網(wǎng)中的應用受到限制。近年來，多種儲能元件復合使用引起了人們的廣泛關注。

鋰電池具有較大的能量密度，但循環(huán)壽命短，且不適合大功率充放電，其一般應用于微電網(wǎng)中功率的削峰填谷。而近幾年發(fā)展起來的超級電容器是一種新型功率型儲能元件，其有較高的介電常數(shù)和耐壓能力。超級電容雖然能量密度比較低，但是有著普通電容器快速頻繁充放電的優(yōu)勢，可以在短時間內(nèi)吸收和釋放大的功率電流。基于兩者優(yōu)勢互補的運行特性，專家們將兩者結合使用，并構成鋰電池-超級電容混合儲能系統(tǒng)?；旌蟽δ芟到y(tǒng)不僅能夠優(yōu)化鋰電池充放電電流，延長儲能系統(tǒng)壽命，而且可以提高混合儲能系統(tǒng)動態(tài)響應。而如何控制鋰電池和超級電容合理分配和承擔調(diào)節(jié)直流微電網(wǎng)中電力波動的任務，同時提高混合儲能系統(tǒng)自身使用壽命是目前混合儲能技術的研究難點。為了平滑鋰電池電流，有學者提出利用濾波器將直流母線上的功率波動分為低頻分量和高頻分量。高頻分量與低頻分量的波動分別由超級電容和鋰電池進行補償。也有學者提出一種鋰電池依據(jù)超級電容荷電量來調(diào)整出力的策略，實現(xiàn)了鋰電池電流的平滑控制。根據(jù)超級電容電壓不可突變的特點，鋰電池能夠較好地控制輸出。但是超級電容和鋰電池的協(xié)調(diào)控制運行還需要進一步完善。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決混合儲能系統(tǒng)在直流微電網(wǎng)中鋰電池與超級電容級聯(lián)控制方式下存在不匹配的問題，即由于直流母線電壓處于允許波動范圍的不動作電壓帶(udcl≤udc≤udch)導致超級電容不能正確響應鋰電池的能量補償，提供一種改進的直流微電網(wǎng)中混合儲能系統(tǒng)自適應下垂控制方法。該方法中，鋰電池和超級電容構成混合儲能系統(tǒng)，利用超級電容電壓不可突變的特點控制鋰電池電流平滑輸出；并通過整定直流母線電壓參考值，設計了以直流母線電壓為反饋信息的超級電容自適應下垂控制方法，實現(xiàn)了混合儲能系統(tǒng)運行能夠有效越過直流母線允許波動電壓帶，提高鋰電池和超級電容級聯(lián)控制方式的可靠性。

本發(fā)明的技術方案：一種改進的直流微電網(wǎng)中混合儲能系統(tǒng)自適應下垂控制方法，所述改進的直流微電網(wǎng)中混合儲能系統(tǒng)是由鋰電池通過dc/dc變換器i連接于直流母線上，超級電容通過dc/dc變換器ii連接于直流母線上，形成并聯(lián)結構的混合儲能系統(tǒng)。

所述dc/dc變換器i、dc/dc變換器ii均采用雙向boost-buck電路結構。

一種改進的直流微電網(wǎng)中混合儲能系統(tǒng)自適應下垂控制方法，包括下述內(nèi)容：

(1)超級電容器的雙向dc/dc變換器i的控制

雙向dc/dc變換器i作為前級控制，超級電容優(yōu)先動作；超級電容的輸出控制以直流母線電壓作為反饋信息，雙向dc/dc變換器i采用超級電容電流-直流母線電壓(isc-udc)下垂控制方式，控制超級電容向直流母線充放電；

直流母線電壓允許偏差限值為額定電壓udcr的±5％；設定udch為直流母線電壓允許波動的上臨界值，udch＝(1+5％)udcr；udcl為直流母線電壓允許波動的下臨界值，udcl＝(1-5％)udcr；

為了協(xié)調(diào)超級電容和鋰電池運行狀態(tài)，雙向dc/dc變換器i根據(jù)直流母線電壓參考值整定流程來調(diào)節(jié)自適應下垂運行曲線。當鋰電池不工作時，雙向dc/dc變換器i以最優(yōu)控制曲線運行控制超級電容輸出。當鋰電池工作時，雙向dc/dc變換器i以充電恢復曲線或者放電恢復曲線運行控制超級電容輸出(見圖2)。

(2)鋰電池的雙向dc/dc變換器ii的控制

由于超級電容為功率型儲能元件，能量密度低，雙向dc/dc變換器ii為后級控制，主要維持超級電容的容量在正常工作范圍，以間接的方式負責穩(wěn)定微電網(wǎng)的功率平衡。鋰電池的輸出控制以超級電容電壓作為反饋信息，雙向dc/dc變換器ii采用鋰電池電流-超級電容電壓下垂控制方式，控制鋰電池向直流母線充放電。

本發(fā)明具備的主要優(yōu)點為：

(1)鋰電池作為后級控制輸出，利用超級電容的緩沖作用，鋰電池對直流母線電壓變化的反應具有一定滯后性，鋰電池動作次數(shù)將明顯降低，并且平滑了輸出電流。

(2)通過整定直流母線電壓參考值，自動調(diào)整超級電容自適應下垂控制曲線，避免了由于直流母線允許波動電壓帶的存在而導致超級電容出現(xiàn)補償誤差。

(3)提高鋰電池和超級電容級聯(lián)控制方式的可靠性。

本發(fā)明有效解決了混合儲能系統(tǒng)在直流微電網(wǎng)中鋰電池對超級電容有效補償能量的問題，提供一種直流微電網(wǎng)中混合儲能系統(tǒng)改進自適應下垂控制方法。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中直流微電網(wǎng)的簡化結構及其混合儲能系統(tǒng)并聯(lián)結構示意圖。

圖2是本發(fā)明中雙向dc/dc變換器i的自適應下垂運行曲線。

最優(yōu)工作曲線的表達式：充電：isc＝nsc(udch-udc)；放電：isc＝nsc(udcl-udc))；

充電恢復曲線的表達式isc＝nsc(udcl-udc)；

放電恢復曲線的表達式(isc＝nsc(udch-udc))。

圖3是本發(fā)明中雙向dc/dc變換器i的直流母線電壓參考值整定流程圖。

圖4是本發(fā)明中雙向dc/dc變換器ii的運行下垂曲線。運行曲線的表達式為：

圖1中：pdg，pload分別為分布式電源發(fā)出的功率和負荷消耗的功率；pb，psc分別為鋰電池與超級電容的輸出功率，phes為混合儲能系統(tǒng)輸出功率。cdc為直流母線電容，鋰電池與超級電容通過雙向dc/dc變換器同時連接于直流母線上，兩者將在直流母線處進行能量交匯。超級電容平抑高頻波動，改善電能質(zhì)量；鋰電池將大部分能量直接注入直流母線，對直流微電網(wǎng)的功率削峰填谷，同時通過直流母線為超級電容補償能量。

圖2中：udc為直流母線電壓，isc為超級電容輸出電流。udch，udcl為直流母線電壓允許波動的上下臨界值，udcr為直流母線電壓額定值，nsc為下垂系數(shù)。

圖3中：udc為直流母線電壓，udch，udcl為直流母線電壓允許波動的上下臨界值；usc為超級電容電壓，usc2，usc3為超級電容電壓最佳工作范圍的上下臨界值，也為雙向dc/dc變換器ii的動作閾值；udc-ref為雙向dc/dc變換器i控制器的直流母線電壓參考值。

圖4中：usc1、usc2、usc3、usc4分別為鋰電池根據(jù)超級電容儲能容量而設置的工作臨界值；ibm為鋰電池充放電電流限值；nb為此下垂關系的下垂系數(shù)。

具體實施方式

一種直流微電網(wǎng)中混合儲能系統(tǒng)改進自適應下垂控制方法,基于鋰電池和超級電容并聯(lián)結構，通過dc/dc變換器協(xié)調(diào)控制儲能單元輸出。

所述鋰電池和超級電容分別通過dc/dc變換器i和dc/dc變換器ii連接于直流母線上，形成并聯(lián)結構的混合儲能系統(tǒng)。

所述dc/dc變換器i、dc/dc變換器ii均采用雙向boost-buck電路結構。

一種直流微電網(wǎng)中混合儲能系統(tǒng)改進自適應下垂控制方法(該方法是基于本發(fā)明所述的直流微電網(wǎng)中鋰電池和超級電容并聯(lián)結構混合儲能系統(tǒng)實現(xiàn)的)，包括下述內(nèi)容：

(1)雙向dc/dc變換器i為前級控制，使超級電容優(yōu)先動作；雙向dc/dc變換器ii后級控制，維持超級電容的容量在正常工作范圍，穩(wěn)定微電網(wǎng)的功率平衡；

(2)雙向dc/dc變換器i采用超級電容電流-直流母線電壓下垂控制方式，控制超級電容向直流母線充放電；所述超級電容電流-直流母線電壓下垂控制方式為：設定udc為直流母線電壓，nsc為下垂系數(shù),udc-ref為雙向dc/dc變換器i控制器的直流母線電壓參考值；計算雙向dc/dc變換器i控制的超級電容充放電電流isc＝nsc(udc-ref-udc)；

(3)雙向dc/dc變換器ii采用鋰電池電流-超級電容電壓下垂控制方式，控制鋰電池向直流母線充放電，鋰電池的輸出控制以超級電容電壓作為反饋信息；所述鋰電池電流-超級電容電壓下垂控制方式為：

設定usc1、usc2、usc3、usc4，并使得usc1<usc2<usc3<usc4，其中usc2、usc3為超級電容最佳工作電壓區(qū)間閾值，usc1、usc4為超級電容最大工作電壓區(qū)間臨界值。

分別為鋰電池根據(jù)超級電容儲能容量而設置的工作臨界電壓值；ibm為鋰電池充放電電流限值；nb為下垂關系的下垂系數(shù)；

根據(jù)鋰電池電流-超級電容電壓下垂關系，雙向dc/dc變換器ii控制的鋰電池輸出電流計算表達式如下：

當超級電容電壓usc介于usc2和usc3之間時，雙向dc/dc變換器ii不工作，減少鋰電池的動作次數(shù)；

當usc1＜usc≤usc2時，鋰電池根據(jù)下垂關系開始放電；

當usc3≤usc＜usc4時，鋰電池進行充電；

(4)直流母線電壓允許偏差限值為額定電壓udcr的±5％；

設定udch為直流母線電壓允許波動電壓帶的上臨界值，udcl為直流母線電壓允許波動電壓帶的下臨界值；

udch＝(1+5％)udcr，udcl＝(1-5％)udcr；雙向dc/dc變換器i根據(jù)直流母線電壓參考值整定流程來調(diào)節(jié)自適應下垂運行曲線：具體調(diào)節(jié)方法如下：

當超級電容保持在最佳運行區(qū)間usc2≤usc≤usc3，且不需要能量補償時，超級電容將直流母線電壓維持在允許波動電壓帶；

udc＞udch，則udc-ref＝udch；udc＜udcl，則udc-ref＝udcl。直流母線電壓參考值根據(jù)直流母線電壓波動整定，雙向dc/dc變換器i控制超級電容以工作最優(yōu)曲線(充電：isc＝nsc(udch-udc)；放電：isc＝nsc(udcl-udc))運行；

當鋰電池工作時，超級電容作為信息反饋載體，為了避免允許波動電壓帶使超級電容處于空閑或欠補償狀態(tài)，采取如下方法：

usc>usc3鋰電池充電時，直流母線電壓參考值整定值為：udc-ref＝udch，雙向dc/dc變換器i控制超級電容以放電恢復曲線(isc＝nsc(udch-udc))運行；當usc<usc2鋰電池放電時，直流母線電壓參考值整定值為：udc-ref＝udcl，雙向dc/dc變換器i控制超級電容以充電恢復曲線(isc＝nsc(udcl-udc))運行。