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直流微電網多混合儲能系統分層協調控制的新方法

作者:中國儲能網新聞中心 來源:電氣新科技 發布時間:2020-04-20 瀏覽:
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華北電力大學電氣與電子工程學院的研究人員郭偉、趙洪山,在2020年第5期《電工技術學報》上撰文,以含有多個混合儲能系統(HESS)的孤島型直流微電網為研究對象,提出一種基于事件觸發機制的HESS分層協調控制方法。并提出一種建立在周期性通信機制上的事件觸發控制方法,利用Lyapunov穩定理論詳細介紹事件觸發函數的推導過程,并通過設定觸發函數的預判閾值,進一步減少系統穩態運行時的通信次數。

對于眾多具有直流特性的分布式電源和直流負載,將其通過DC-DC變換器組成直流微電網是一種高效的能源利用方式。相比于交流微電網,由于省略了AC-DC或DC-AC中間環節,且無需考慮無功功率和諧波等問題,因此,直流微電網具有更高的效率和較低的控制復雜度。

而對于一些偏遠低負荷地區的供電,考慮到輸電成本較高的原因,可以通過組建孤島型直流微電網解決當地居民的用電問題。但由于缺少大電網的支撐,需要利用儲能系統來穩定直流母線電壓。不同于由單一儲能介質組成的儲能系統,混合儲能系統(Hybrid Energy Storage Systems, HESS)兼顧了功率密度高、能量密度大和運行壽命長的特點,近些年得到了廣泛的關注。

圖1 含多混合儲能系統的直流微電網

針對混合儲能的控制問題,有學者提出了一種無互聯通信的分層控制策略,其利用電壓變化率作為全局信息載體,實現蓄電池和超級電容的功率分配,并由二次控制對底層控制進行修正補償。有學者對母線電壓進行分級,并利用多滯環控制和積分輔助控制,確定HESS的工作方式。

上述研究主要是圍繞HESS內部的功率分配問題,當直流微電網中含有多個HESS時,就涉及HESS間的控制問題。利用集中控制器,通過采集所有HESS的信息并優化得出各自的功率需求,可以實現其協調經濟運行,但集中式控制對通信要求較高,且靈活性和可靠性較差。

有學者則提出了一種分散式的HESS控制方法,蓄電池和超級電容分別采用虛擬電阻和虛擬電容下垂控制,根據不同的虛擬參數實現不同和相同儲能介質間的功率分配。有學者同樣采用分散式控制結構,超級電容采用的是積分下垂控制,其本質上與虛擬電容下垂控制相同,但同樣未考慮線路電阻的影響。不同于集中式控制,分布式控制不存在單點失效的風險,具有較高的可靠性。而相比于分散式控制,由于存在通信網絡,可以實現協調配合,因此又具有較高的經濟性。

有學者增加了二次電壓調節,利用相鄰蓄電池間的信息,控制其平均電壓為額定值以改善線路電阻和虛擬電阻造成的電壓偏差。而有學者同樣考慮了線路電阻的影響,其利用分布式一致性理論,超級電容控制直流母線電壓和自身荷電狀態(State of Charge, SOC),蓄電池則負責調控超級電容端電壓以及自身的SOC。

分布式控制器之間一般采用傳統的通信方式,即時間觸發通信,其以固定的周期進行采樣和通信,并更新控制器的輸出信號。在實際應用中,由于通信帶寬有限,希望通信次數盡量的少。此外,為了延長控制器的使用壽命,也應減少控制器更新頻率。

近年來,出現了一種非周期采樣控制方式——事件觸發控制,其在保證控制性能的同時,降低了通信次數,在一定程度上避免了網絡擁塞現象的出現。且該控制對于非正常通信情況下的延時、數據丟包均具有較強的魯棒性,因此是一種較為高效的控制方式。

有學者將事件觸發引入到了二次電壓控制中,避免了分布式電源間的連續通信。有學者為實現電壓調節和電流均分,提出一種非線性的分布式控制器,并將觸發函數與非負閾值相結合,改善了穩態觸發靈敏度,但其在建立模型時需要提前知道線路參數。

以上研究均采用基于連續通信和檢測的觸發控制,在得到觸發函數后,還需要證明該觸發控制系統具有正的最小事件間隔時間(排除Zeno現象),但該證明過程往往較為復雜,特別是當系統存在外部干擾時,可能無法排除該現象。為解決該問題,可以在現有時間觸發機制的基礎上,周期性地進行事件觸發檢測,從根本上避免發生Zeno現象。

不同于以上研究,華北電力大學電氣與電子工程學院的研究人員以HESS作為一個獨立系統,提出一種基于事件觸發機制的HESS分層協調控制方法。底層控制采用虛擬電阻下垂控制,利用低通濾波器實現對蓄電池和超級電容的功率分配,并提出基于蓄電池SOC的虛擬電阻調節和基于超級電容SOC的電流補償策略,實現HESS協調安全運行。分布式控制層為下垂控制層提供電壓補償項,以同時實現對電壓調節和電流均分的控制目標。

圖2 HESS事件觸發控制流程

為節約通信資源以及避免事件觸發可能存在的Zeno現象,提出了一種基于周期性通信的分布式事件觸發控制方法,其利用Lyapunov穩定理論推導出僅含有HESS自身狀態偏差量和相鄰HESS最近觸發時刻狀態量的事件觸發函數,并通過設定觸發函數的預判閾值,進一步減少了系統穩態運行時的通信次數。

以上研究成果發表在2020年第5期《電工技術學報》,論文標題為“基于事件觸發機制的直流微電網多混合儲能系統分層協調控制方法”,作者為郭偉、趙洪山。

關鍵字:微電網

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