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直流微电网多混合储能系统分层协调控制的新方法

2020-04-20    来源:《电工技术学报》
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[ 导读 ]:以含有多个混合储能系统(HESS)的孤岛型直流微电网为研究对象,提出一种基于事件触发机制的HESS分层协调控制方法。并提出一种建立在周期性通信机制上的事件触发控制方法,利用Lyapunov稳定理论详细介绍事件触发函数的推导过程,并通过设定触发函数的预判阈值,进一步减少系统稳态运行时的通信次数。
华北电力大学电气与电子工程学院的研究人员郭伟、赵洪山,在2020年第5期《电工技术学报》上撰文,以含有多个混合储能系统(HESS)的孤岛型直流微电网为研究对象,提出一种基于事件触发机制的HESS分层协调控制方法。并提出一种建立在周期性通信机制上的事件触发控制方法,利用Lyapunov稳定理论详细介绍事件触发函数的推导过程,并通过设定触发函数的预判阈值,进一步减少系统稳态运行时的通信次数。

直流微电网多混合储能系统分层协调控制的新方法

对于众多具有直流特性的分布式电源和直流负载,将其通过DC-DC变换器组成直流微电网是一种高效的能源利用方式。相比于交流微电网,由于省略了AC-DC或DC-AC中间环节,且无需考虑无功功率和谐波等问题,因此,直流微电网具有更高的效率和较低的控制复杂度。

而对于一些偏远低负荷地区的供电,考虑到输电成本较高的原因,可以通过组建孤岛型直流微电网解决当地居民的用电问题。但由于缺少大电网的支撑,需要利用储能系统来稳定直流母线电压。不同于由单一储能介质组成的储能系统,混合储能系统(Hybrid Energy Storage Systems, HESS)兼顾了功率密度高、能量密度大和运行寿命长的特点,近些年得到了广泛的关注。

直流微电网多混合储能系统分层协调控制的新方法
图1 含多混合储能系统的直流微电网

针对混合储能的控制问题,有学者提出了一种无互联通信的分层控制策略,其利用电压变化率作为全局信息载体,实现蓄电池和超级电容的功率分配,并由二次控制对底层控制进行修正补偿。有学者对母线电压进行分级,并利用多滞环控制和积分辅助控制,确定HESS的工作方式。

上述研究主要是围绕HESS内部的功率分配问题,当直流微电网中含有多个HESS时,就涉及HESS间的控制问题。利用集中控制器,通过采集所有HESS的信息并优化得出各自的功率需求,可以实现其协调经济运行,但集中式控制对通信要求较高,且灵活性和可靠性较差。

有学者则提出了一种分散式的HESS控制方法,蓄电池和超级电容分别采用虚拟电阻和虚拟电容下垂控制,根据不同的虚拟参数实现不同和相同储能介质间的功率分配。有学者同样采用分散式控制结构,超级电容采用的是积分下垂控制,其本质上与虚拟电容下垂控制相同,但同样未考虑线路电阻的影响。不同于集中式控制,分布式控制不存在单点失效的风险,具有较高的可靠性。而相比于分散式控制,由于存在通信网络,可以实现协调配合,因此又具有较高的经济性。

有学者增加了二次电压调节,利用相邻蓄电池间的信息,控制其平均电压为额定值以改善线路电阻和虚拟电阻造成的电压偏差。而有学者同样考虑了线路电阻的影响,其利用分布式一致性理论,超级电容控制直流母线电压和自身荷电状态(State of Charge, SOC),蓄电池则负责调控超级电容端电压以及自身的SOC。

分布式控制器之间一般采用传统的通信方式,即时间触发通信,其以固定的周期进行采样和通信,并更新控制器的输出信号。在实际应用中,由于通信带宽有限,希望通信次数尽量的少。此外,为了延长控制器的使用寿命,也应减少控制器更新频率。

近年来,出现了一种非周期采样控制方式——事件触发控制,其在保证控制性能的同时,降低了通信次数,在一定程度上避免了网络拥塞现象的出现。且该控制对于非正常通信情况下的延时、数据丢包均具有较强的鲁棒性,因此是一种较为高效的控制方式。

有学者将事件触发引入到了二次电压控制中,避免了分布式电源间的连续通信。有学者为实现电压调节和电流均分,提出一种非线性的分布式控制器,并将触发函数与非负阈值相结合,改善了稳态触发灵敏度,但其在建立模型时需要提前知道线路参数。

以上研究均采用基于连续通信和检测的触发控制,在得到触发函数后,还需要证明该触发控制系统具有正的最小事件间隔时间(排除Zeno现象),但该证明过程往往较为复杂,特别是当系统存在外部干扰时,可能无法排除该现象。为解决该问题,可以在现有时间触发机制的基础上,周期性地进行事件触发检测,从根本上避免发生Zeno现象。

不同于以上研究,华北电力大学电气与电子工程学院的研究人员以HESS作为一个独立系统,提出一种基于事件触发机制的HESS分层协调控制方法。底层控制采用虚拟电阻下垂控制,利用低通滤波器实现对蓄电池和超级电容的功率分配,并提出基于蓄电池SOC的虚拟电阻调节和基于超级电容SOC的电流补偿策略,实现HESS协调安全运行。分布式控制层为下垂控制层提供电压补偿项,以同时实现对电压调节和电流均分的控制目标。

直流微电网多混合储能系统分层协调控制的新方法
图2 HESS事件触发控制流程

为节约通信资源以及避免事件触发可能存在的Zeno现象,提出了一种基于周期性通信的分布式事件触发控制方法,其利用Lyapunov稳定理论推导出仅含有HESS自身状态偏差量和相邻HESS最近触发时刻状态量的事件触发函数,并通过设定触发函数的预判阈值,进一步减少了系统稳态运行时的通信次数。

以上研究成果发表在2020年第5期《电工技术学报》,论文标题为“基于事件触发机制的直流微电网多混合储能系统分层协调控制方法”,作者为郭伟、赵洪山。
 
 
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