一种多储能直流配电网协调控制方法及系统

1.本发明涉及配电控制技术领域，特别是涉及一种基于模型预测控制的多储能直流配电网协调控制方法及系统。


背景技术：

2.作为实现碳排放量减少的主要途径之一，以风电和光伏为主的可再生能源发电技术得到了广泛重视。相较于供电可靠性受分布式发电系统并网影响较大的传统交流配电网而言，直流配电网以其低损耗的特点在直流负荷需求量不断增长的今天占据了愈发重要的地位。
3.在含多个储能单元的直流配电网中，由于线路阻抗的存在，下垂控制无法兼顾合理分配各单元输出功率和减小母线电压稳态偏差。二次控制通常包含电压控制环节和功率分配环节，能够解决此类问题，其根据通讯方式的不同可以分为集中式、分散式和分布式控制。分布式二次控制结合了集中式和分散式控制的优势，能够通过相邻单元的信息交互进行就地控制，是一种应用广泛的协同控制手段。
4.目前在分布式二次控制方面应用最广泛的是一致性算法。杨丘帆等人在中国电机工程学报，2020,40(12):3919-3928.“基于一致性算法的直流微电网多组光储单元分布式控制方法”中提出一种基于一致性算法的优化补偿法，通过计算电压和功率环节所对应的纵截距补偿量来对下垂曲线进行二次调整，在保证光储单元功率分配合理性的基础上解决了电压控制环节中控制器初值和通信时延影响控制效果的问题。但控制中采用了大量pi控制器，系统瞬态特性有待提高，而且在系统拓扑结构发生变化时控制器的性能还需要进一步的研究。李得民等人在电力系统自动化，2019,43(10):60-67.“基于模型预测控制的孤岛微电网二次调节策略”中提出一种基于模型预测控制的电压和频率二次控制方法，但其集中式通讯结构对系统通信要求较高。
5.因此，需要提出一种解决传统一致性算法下电压控制策略瞬态特性差和部分工况下存在控制误差等问题的新方案。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种基于模型预测控制的多储能直流配电网协调控制方法及系统，通过预测模型的滚动优化和目标函数最小化得到最优电压和功率补偿量，解决了传统一致性算法下电压控制策略瞬态特性差和部分工况下存在控制误差等问题，有利于直流配电网的安全稳定运行。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.一种多储能直流配电网协调控制方法，所述控制方法包括：
9.获取各能量单元的母线电压、储能单元中直流-直流换流器的输出电流、各蓄电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息；
10.根据所述各能量单元的母线电压，利用电压预测模型得到电压补偿量；
11.根据所述储能单元中直流-直流换流器的输出电流和各蓄电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息，利用电流模型得到电流补偿量；
12.根据所述电压补偿量和所述电流补偿量，利用占空比调节模型得到占空比，通过pwm调制得到开关信号对储能单元母线电压和输出功率进行控制。
13.可选的，所述电压预测模型为：
[0014][0015][0016]
其中，v
dci
(k)为所述各能量单元的母线电压，v
dci
(k+1)为下一时刻母线电压预测值；δv
si
(k)为二次电压控制环节输出的电压补偿量；ηi预测系数；n为微网系统中能量单元的数量；a
ij
为通讯系数，当第i个能量单元和第j个能量单元间有直接通信通道时，a
ij
＝1，否则为0；
[0017]jv
(k)为所述电压预测模型的约束函数，w1为电压权重系数，v
ref
为母线电压参考值，所述目标函数的最小化对应所述电压补偿量。
[0018]
可选的，所述电流预测模型为：
[0019][0020][0021]
其中，i
dci
(k)为所述储能单元中直流-直流换流器的输出电流，i
dci
(k+1)为下一时刻储能单元输出电流的预测值，δi
si
(k)为电流补偿量，λi为电流预测系数；soci(k)为各蓄电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息，soci(k+1)为下一时刻电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息；
[0022]jp
(k)为所述电流预测模型的约束函数，w2为电流权重系数。
[0023]
可选的，所述电压权重系数和所述电流权重系数均为0.1。
[0024]
可选的，所述占空比调节模型为：
[0025][0026]
其中，k
di
为下垂系数，i
di
(k)为一次控制输出电流，i
ref*
(k)为电压外环控制输出的电流参考值。
[0027]
一种多储能直流配电网协调控制系统，所述控制系统包括：
[0028]
数据获取模块，用于获取各能量单元的母线电压、储能单元中直流-直流换流器的输出电流、各蓄电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息；
[0029]
电压预测模块，用于根据所述各能量单元的母线电压，利用电压预测模型得到电压补偿量；
[0030]
电流预测模块，用于根据所述储能单元中直流-直流换流器的输出电流和各蓄电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息，利用电流模型得到电流补偿量；
[0031]
占空比调节模块，用于根据所述电压补偿量和所述电流补偿量，利用占空比调节模型得到占空比，通过pwm调制得到开关信号对储能单元母线电压和输出功率进行控制。
[0032]
可选的，所述电压预测模型为：
[0033][0034][0035]
其中，v
dci
(k)为所述各能量单元的母线电压，v
dci
(k+1)为下一时刻母线电压预测值；δv
si
(k)为二次电压控制环节输出的电压补偿量；ηi预测系数；n为微网系统中能量单元的数量；a
ij
为通讯系数，当第i个能量单元和第j个能量单元间有直接通信通道时，a
ij
＝1，否则为0；
[0036]jv
(k)为所述电压预测模型的约束函数，w1为电压权重系数，v
ref
为母线电压参考值，所述目标函数的最小化对应所述电压补偿量。
[0037]
可选的，所述电流预测模型为：
[0038][0039][0040]
其中，i
dci
(k)为所述储能单元中直流-直流换流器的输出电流，i
dci
(k+1)为下一时刻储能单元输出电流的预测值，δi
si
(k)为电流补偿量，λi为电流预测系数；soci(k)为各蓄电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息，soci(k+1)为下一时刻电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息；
[0041]jp
(k)为所述电流预测模型的约束函数，w2为电流权重系数。
[0042]
可选的，所述电压权重系数和所述电流权重系数均为0.1。
[0043]
可选的，所述占空比调节模型为：
[0044][0045]
其中，k
di
为下垂系数，i
di
(k)为一次控制输出电流，i
ref*
(k)为电压外环控制输出的电流参考值。
[0046]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0047]
本发明在储能侧dc-dc换流器中采用分布式二次控制来优化电压调节和功率分配，其中电压和功率二次控制均采用模型预测控制对电压补偿量和电流补偿量进行求解，通过设置一定的目标函数求得电压及电流补偿量，在合理分配功率的基础上，利用灵活可变的预测系数有效解决了一致性算法下控制器性能不稳定等问题，对直流配电网的安全稳定运行有良好的促进作用，从而在减小母线电压稳态偏差的基础上实现各蓄电池功率的合理分配。
附图说明
[0048]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0049]
图1为本发明提供的多储能直流配电网协调控制方法的流程图；
[0050]
图2为本发明提供的多储能直流配电网协调控制系统的结构示意图；
[0051]
图3为本发明的直流配电网系统的结构示意图；
[0052]
图4位本发明的储能单元dc-dc换流器的控制原理图。
具体实施方式
[0053]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0054]
本发明的说明书和权利要求书以及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应当理解，这样描述的对象在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
[0055]
在本技术中，下文论述的附图以及用来描述本发明公开的原理的各实施例仅用于说明，而不应解释为限制本发明公开的范围。所属领域的技术人员将理解，本发明的原理可在任何适当布置的系统中实施。
[0056]
本发明说明书中使用的术语仅用来描述特定实施方式，而并不意图显示本发明的概念。应理解，诸如“包括”、“具有”以及“含有”等术语意图说明存在本发明说明书中揭示的特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性，而并不意图排除可存在或可添加一个或多个其他特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性。附图中的相同参考标号指代相同部分。
[0057]
本发明的目的是提供能够实现中精度和高精度光纤陀螺仪分辨率测量的方法。
[0058]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0059]
图3示出了本发明的直流配电网系统的结构示意图，包含一个大电网单元和多个能量单元；能量单元包含分布式发电单元、储能单元和负荷单元；大电网单元通过电压源型换流器(voltage source converter,vsc)与各能量单元形成链式网络；能量单元包含的分
布式发电单元、储能单元和负荷单元分别通过相应的电压源型换流器或直流-直流换流器(dc-dc converter)连入对应的直流母线；直流配电网系统包含的大电网单元、分布式发电单元、储能单元和负荷单元均包括控制系统、测量元件和换流器；直流配电网系统包含的大电网单元、分布式发电单元、储能单元和负荷单元的控制系统输入端分别与相应的测量元件输出端相连，其输出端与相应的换流器输入端相连；直流配电网系统中还包含直流测量元件以及交流测量元件，直流测量元件包括分布式发电单元、储能单元、大电网单元和负荷单元的直流母线侧电压传感器和电流传感器以及分布式发电单元、储能单元、大电网单元和负荷单元的分布式电源侧、储能元件侧、交流电网侧和负荷侧电压传感器和电流传感器；储能单元包括储能元件；相邻系统间通过通讯线路进行信息交换。
[0060]
图1示出了本发明的多储能直流配电网协调控制方法的流程图，具体包括s101-s104四个步骤。
[0061]
s101：获取各能量单元的母线电压、储能单元中直流-直流换流器的输出电流、各蓄电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息。
[0062]
s102：根据各能量单元的母线电压，利用电压预测模型得到电压补偿量；
[0063]
s103：储能单元中直流-直流换流器的输出电流和各蓄电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息，利用电流模型得到电流补偿量。
[0064]
s104：根据电压补偿量和电流补偿量，利用占空比调节模型得到占空比，通过pwm调制得到开关信号对储能单元母线电压和输出功率进行控制。
[0065]
在具体实施过程中，s102的电压预测模型为：
[0066][0067]
其中，v
dci
(k)为各能量单元的母线电压，v
dci
(k+1)为下一时刻母线电压预测值；δv
si
(k)为二次电压控制环节输出的电压补偿量；ηi预测系数；n为微网系统中能量单元的数量；a
ij
为通讯系数，当第i个能量单元和第j个能量单元间有直接通信通道时，a
ij
＝1，否则为0。
[0068]
电压控制器在所收集到的电压信息的基础上，通过预测模型得到下一时刻母线电压预测值，将其代入目标函数中进行寻优，取最优解代回预测模型中得到二次电压补偿量。
[0069]
为了提高系统电压运行水平，配电网中各母线电压预测值的平均值应趋于电压参考值附近，因此设计电流预测模型目标函数为：
[0070][0071]
其中，jv(k)为电压预测模型的约束函数，w1为电压权重系数，v
ref
为母线电压参考值，目标函数的最小化对应电压补偿量。
[0072]
利用优化器对目标函数进行迭代求解，得到使目标函数最小化的预测系数，即可求得对应的电压补偿量。
[0073]
传统的基于一致性算法的二次电压控制方法需要通过电压观测器计算出每个单元的平均电压观测值，将平均观测值与参考值之差输入pi控制器得到电压补偿量。而本发
明方法将预测值代入目标函数进行优化，通过优化器输出预测系数，代回预测模型得到电压补偿量。并且一致性算法中运用了大量基于反馈调节的pi控制器，其瞬态特性较差，而本发明方法通过对预测系数的在线校正和滚动优化较好地解决了该问题。同时，一致性算法需要通过中间变量(平均电压观测值)进行计算，中间变量是否准确决定了输出量的准确度，而本发明方法模型较为简单，且不需要中间变量，只需对预测值进行优化求解，提高了系统的稳定性。
[0074]
在具体实施过程中，为避免多储能直流配电网中因下垂系数和荷电状态差别导致个别储能提前退运所造成的短板效应，在电流补偿量的预测模型和目标函数中引入soc值，设计s103的电流预测模型为：
[0075][0076]
其中，i
dci
(k)为储能单元中直流-直流换流器的输出电流，i
dci
(k+1)为下一时刻储能单元输出电流的预测值，δi
si
(k)为电流补偿量，λi为电流预测系数；soci(k)为各蓄电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息，soci(k+1)为下一时刻电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息。
[0077][0078]jp
(k)为电流预测模型的约束函数，w2为电流权重系数。
[0079]
优选的电压权重系数和电流权重系数均为0.1。
[0080]
在电流预测模型的约束函数的约束下，优化器通过迭代求解出使得各储能输出电流按蓄电池soc成比例分配的最优电流补偿量。
[0081]
本发明的电流预测模型功率分配环节中使用了电流补偿法，通过建立与soc相关的预测模型和目标函数，得到最优电流补偿量，而一致性算法下的基于平移下垂曲线的纵截距补偿法，其定义了与储能实际剩余容量相关的状态变量，通过使各单元状态变趋于一致来保证各储能soc趋于一致，二者具有本质区别。并且与一致性算法下的soc控制策略相比，该方法同样不需要大量pi控制器，因此不受积分器初值的影响，且具有更好的瞬态特性。
[0082]
将最优电压补偿量和最优电流补偿量加入到占空比调节模型中，即改进下垂控制。图4示出了本发明的储能单元dc-dc换流器的控制原理图，内环采用pi控制使蓄电池实际电流跟踪电流参考值。根据一个开关周期内的电压平均方程计算占空比，通过pwm调制得到开关信号，送入开关管实现对储能单元母线电压和输出功率的控制。占空比调节模型为：
[0083][0084]
其中，k
di
为下垂系数，i
di
(k)为一次控制输出电流，i
ref*
(k)为电压外环控制输出的电流参考值。
[0085]
图2示出了与多储能直流配电网协调控制方法相应的系统，控制系统包括：数据获
取模块201、电压预测模块202、电流预测模块203和占空比调节模块204。
[0086]
数据获取模块201用于获取各能量单元的母线电压、储能单元中直流-直流换流器的输出电流、各蓄电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息。
[0087]
电压预测模块202用于根据各能量单元的母线电压，利用电压预测模型得到电压补偿量。
[0088]
电流预测模块203用于根据储能单元中直流-直流换流器的输出电流和各蓄电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息，利用电流模型得到电流补偿量。
[0089]
占空比调节模块204用于根据电压补偿量和电流补偿量，利用占空比调节模型得到占空比，通过pwm调制得到开关信号对储能单元母线电压和输出功率进行控制。
[0090]
在具体实施过程中，电压预测模型为：
[0091][0092][0093]
其中，v
dci
(k)为各能量单元的母线电压，v
dci
(k+1)为下一时刻母线电压预测值；δv
si
(k)为二次电压控制环节输出的电压补偿量；ηi预测系数；n为微网系统中能量单元的数量；a
ij
为通讯系数，当第i个能量单元和第j个能量单元间有直接通信通道时，a
ij
＝1，否则为0；
[0094]jv
(k)为电压预测模型的约束函数，w1为电压权重系数，v
ref
为母线电压参考值，目标函数的最小化对应电压补偿量。
[0095]
在具体实施过程中，，电流预测模型为：
[0096][0097][0098]
其中，i
dci
(k)为储能单元中直流-直流换流器的输出电流，i
dci
(k+1)为下一时刻储能单元输出电流的预测值，δi
si
(k)为电流补偿量，λi为电流预测系数；soci(k)为各蓄电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息，soci(k+1)为下一时刻电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息；
[0099]jp
(k)为电流预测模型的约束函数，w2为电流权重系数。
[0100]
在具体实施过程中，电压权重系数和电流权重系数均为0.1。
[0101]
在具体实施过程中，占空比调节模型为：
[0102]
[0103]
其中，k
di
为下垂系数，i
di
(k)为一次控制输出电流，i
ref*
(k)为电压外环控制输出的电流参考值。
[0104]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0105]
本发明在储能侧dc-dc换流器中采用分布式二次控制来优化电压调节和功率分配，其中电压和功率二次控制均采用模型预测控制对电压补偿量和电流补偿量进行求解，通过设置一定的目标函数求得电压及电流补偿量，在合理分配功率的基础上，利用灵活可变的预测系数有效解决了一致性算法下控制器性能不稳定等问题，对直流配电网的安全稳定运行有良好的促进作用，从而在减小母线电压稳态偏差的基础上实现各蓄电池功率的合理分配。
[0106]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0107]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种多储能直流配电网协调控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：获取各能量单元的母线电压、储能单元中直流-直流换流器的输出电流、各蓄电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息；根据所述各能量单元的母线电压，利用电压预测模型得到电压补偿量；根据所述储能单元中直流-直流换流器的输出电流和各蓄电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息，利用电流模型得到电流补偿量；根据所述电压补偿量和所述电流补偿量，利用占空比调节模型得到占空比，通过pwm调制得到开关信号对储能单元母线电压和输出功率进行控制。2.根据权利要求1所述的多储能直流配电网协调控制方法，其特征在于，所述电压预测模型为：模型为：其中，v
dci
(k)为所述各能量单元的母线电压，v
dci
(k+1)为下一时刻母线电压预测值；δv
si
(k)为二次电压控制环节输出的电压补偿量；η
i
预测系数；n为微网系统中能量单元的数量；a
ij
为通讯系数，当第i个能量单元和第j个能量单元间有直接通信通道时，a
ij
＝1，否则为0；j
v
(k)为所述电压预测模型的约束函数，w1为电压权重系数，v
ref
为母线电压参考值，所述目标函数的最小化对应所述电压补偿量。3.根据权利要求2所述的多储能直流配电网协调控制方法，其特征在于，所述电流预测模型为：模型为：其中，i
dci
(k)为所述储能单元中直流-直流换流器的输出电流，i
dci
(k+1)为下一时刻储能单元输出电流的预测值，δi
si
(k)为电流补偿量，λ1为电流预测系数；soc
i
(k)为各蓄电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息，soc
i
(k+1)为下一时刻电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息；j
p
(k)为所述电流预测模型的约束函数，w2为电流权重系数。4.根据权利要求3所述的多储能直流配电网协调控制方法，其特征在于，所述电压权重系数和所述电流权重系数均为0.1。5.根据权利要求3所述的多储能直流配电网协调控制方法，其特征在于，所述占空比调
节模型为：其中，k
di
为下垂系数，i
di
(k)为一次控制输出电流，为电压外环控制输出的电流参考值。6.一种多储能直流配电网协调控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：数据获取模块，用于获取各能量单元的母线电压、储能单元中直流-直流换流器的输出电流、各蓄电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息；电压预测模块，用于根据所述各能量单元的母线电压，利用电压预测模型得到电压补偿量；电流预测模块，用于根据所述储能单元中直流-直流换流器的输出电流和各蓄电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息，利用电流模型得到电流补偿量；占空比调节模块，用于根据所述电压补偿量和所述电流补偿量，利用占空比调节模型得到占空比，通过pwm调制得到开关信号对储能单元母线电压和输出功率进行控制。7.根据权利要求6所述的多储能直流配电网协调控制系统，其特征在于，所述电压预测模型为：模型为：其中，v
dci
(k)为所述各能量单元的母线电压，v
dci
(k+1)为下一时刻母线电压预测值；δv
si
(k)为二次电压控制环节输出的电压补偿量；η
i
预测系数；n为微网系统中能量单元的数量；a
ij
为通讯系数，当第i个能量单元和第j个能量单元间有直接通信通道时，a
ij
＝1，否则为0；j
v
(k)为所述电压预测模型的约束函数，w1为电压权重系数，v
ref
为母线电压参考值，所述目标函数的最小化对应所述电压补偿量。8.根据权利要求7所述的多储能直流配电网协调控制系统，其特征在于，所述电流预测模型为：模型为：其中，i
dci
(k)为所述储能单元中直流-直流换流器的输出电流，i
dci
(k+1)为下一时刻储
能单元输出电流的预测值，δi
si
(k)为电流补偿量，λ2为电流预测系数；soc
i
(k)为各蓄电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息，soc
i
(k+1)为下一时刻电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息；j
p
(k)为所述电流预测模型的约束函数，w2为电流权重系数。9.根据权利要求8所述的多储能直流配电网协调控制系统，其特征在于，所述电压权重系数和所述电流权重系数均为0.1。10.根据权利要求8所述的多储能直流配电网协调控制系统，其特征在于，所述占空比调节模型为：其中，k
di
为下垂系数，i
di
(k)为一次控制输出电流，为电压外环控制输出的电流参考值。

技术总结
本发明涉及一种多储能直流配电网协调控制方法及系统，根据所述各能量单元的母线电压，利用电压预测模型得到电压补偿量，根据所述储能单元中直流-直流换流器的输出电流和各蓄电池荷电状态信和各蓄电池荷电状态信息，利用电流模型得到电流补偿量，根据所述电压补偿量和所述电流补偿量，利用占空比调节模型得到占空比，通过PWM调制得到开关信号对储能单元母线电压和输出功率进行控制。本发明采用一种基于下垂控制的优化补偿法，采用模型预测控制对电压补偿量和电流补偿量进行求解，在合理分配功率的基础上，利用灵活可变的预测系数有效解决了一致性算法下控制器性能不稳定等问题，对直流配电网的安全稳定运行有良好的促进作用。用。用。


技术研发人员：王世斌 田旭 刘飞 张祥成 张桂红 刘联涛 许德操 白左霞 李积泰 彭飞 张君 梁国勇 刘安誉 朱晓荣 马英乔
受保护的技术使用者：华北电力大学（保定）
技术研发日：2021.12.07
技术公布日：2022/3/8