一种多储能单元并联运行的SoC均衡控制方法

一种多储能单元并联运行的soc均衡控制方法
技术领域
1.本发明属于直流微电网运行控制领域，涉及一种多储能单元并联运行的soc均衡控制方法。

背景技术：

2.近年来，“双碳”目标的提出推动全球电力系统向绿低碳转型，这为微电网技术的发展带来了新机遇。相比于交流微电网，直流微电网无需考虑频率控制、无功补偿、谐波抑制等问题，已广泛应用于新能源分布式发电场景。由于太阳能、风能等分布式电源具有间歇性、随机性和波动性的特征，必须配备多个分布式储能单元来保障可再生能源的高效消纳。
3.考虑到安全性和冗余性，多个分布式储能单元通常以并联的方式接入直流微电网中，而多并联储能单元荷电状态(state of charge,soc)均衡控制一直是直流微电网运行控制领域的一个难点，主要原因在于：(1)不同容量的储能单元初始soc往往不一致，难以在运行过程中实现soc均衡控制；(2)相同容量的储能单元因制造工艺、安装方式、测量结果等存在差异而导致其初始soc不一致，即便是初始soc一致，也会因各储能变换器输出端到直流母线之间的线路阻抗不同而导致soc逐渐发散；(3)下垂控制法常被用作多并联储能单元的电流分配方法，但传统的下垂控制方法未考虑soc信息，无法实现并联储能单元运行过程中的soc均衡。并联储能单元之间的soc不均衡容易产生以下两个问题：(1)若未设置soc临界阈值，将会导致部分储能单元过度充电或深度放电，从而缩短储能单元的使用寿命；(2)若设置了soc临界阈值，达到soc临界阈值的储能单元将会被迫从直流微电网中退出运行，从而加重剩余储能单元的带载负担，加速其性能退化，并可能导致系统失稳。
4.为了实现并联储能单元在运行过程中的soc动态均衡，文献
1.《double-quadrant state-of-charge-based droop control method for distributed energy storage systems in autonomous dc microgrids》将下垂系数设计为与soc的n次幂在放电/充电时分别成正/反比来实现soc动态均衡，并通过改变n的大小来调节soc均衡速度，但该方法会导致严重的母线电压降；文献
2.《distributed secondary level control for energy storage management in dc microgrids》则将soc与指数函数相关联，利用指数函数的快速收敛特性来调整下垂系数，实现soc快速平衡，但该方法未考虑储能单元容量不一致的情况；文献
3.《改进soc下垂控制的分布式储能系统负荷电流分配方法》将指数函数与幂函数相结合，进一步加快各储能单元的soc收敛速度，但该方法需要调节的均衡参数较多，增加了控制算法的复杂性；文献
4.《基于自适应下垂控制的直流微电网多储能soc动态均衡策略》则通过将soc与反正切函数相结合来自适应调节下垂系数，利用反正切函数的限幅特性避免下垂系数变化范围过大，但会降低soc均衡速度；文献
5.《n.zhi,k.ding,l.du,and h.zhang.an soc-based virtual dc machine control for distributed storage systems in dc microgrids》将每个储能单元的soc作为模糊控制器的输入来自适应调节下垂系数，以实现soc动态均衡，但模糊规则的复杂度随着并联储能单元数量的增加而显著
提升，难以应用于实际；文献
6.则定义了soc不平衡度函数，并将其作为平均soc的幂指数，通过自适应调节下垂系数来实现soc均衡，但该方法soc均衡速度较慢。
5.以上几种soc均衡控制方法的共性还在于：在均衡前期具有较快的soc均衡速度，但在均衡后期其soc均衡速度非常慢。这是因为soc均衡前期各储能单元的soc差异较大，利用上述soc均衡控制方法能够通过放大这种差异来调节各储能单元的下垂系数，不同的下垂系数则会使各储能单元的变换器的输出电流不同，进而影响各储能单元soc变化的快慢程度。然而，在soc均衡后期各储能单元的soc逐渐收敛，利用上述soc均衡控制方法难以继续通过放大soc均衡差异来调节下垂系数，导致各储能单元下垂系数及变换器输出电流趋于一致，soc均衡过程陷入瓶颈，最终难以获得精确的soc均衡效果。因此，如何设计简单有效的控制方法确保均衡前期和后期均具有快速的soc均衡速度成为了多并联储能单元soc均衡控制研究的关键。

技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提供本发明采用的技术方案是：种多储能单元并联运行的soc均衡控制方法，包括以下步骤：
7.s1:测量并采集第i个储能单元的电池输出电流，利用安时积分法估算第i个储能单元的soc；
8.s2:各储能单元通过低带宽通信线路将估算的soc传输到其他储能单元，并通过低带宽通信线路获取其他储能单元估算的soc，在本地计算n个并联运行储能单元平均soc；
9.s3:基于第i个储能单元的soc及平均soc，利用soc均衡控制算法自适应调节下垂系数，得到第i个储能单元的动态修正下垂系数；
10.s4:结合下垂控制技术，将第i个储能单元的变换器输出电流与动态修正的下垂系数相乘，得到第i个储能单元的母线电压降，并将额定母线电压与第i个储能单元的母线电压降作差，得到第i个储能单元的变换器参考输出电压；
11.s5:将第i个储能单元的变换器参考输出电压与第i个储能单元的变换器输出电压作差后，采用电压环pi控制方法，得到第i个储能单元的变换器参考输出电流；
12.s6:将第i个储能单元的变换器参考输出电流与第i个储能单元的变换器电感电流作差后，采用电流环pi控制方法，得到第i个储能单元的变换器开关管占空比；
13.s7:将第i个储能单元的占空比基于脉宽调制生成技术，得到一对互补脉冲信号，各储能单元变换器通过互补脉冲信号控制各自开关管的动作，实现各并联运行的储能单元soc均衡。
14.进一步地:所述利用安时积分法对第i个储能单元的soc进行估算采用下列公式：
[0015][0016]
式中，soci为第i个储能单元的当前soc，soc
i0
为第i个储能单元的初始soc，c
bati
为第i个储能单元的额定容量，i
bati
为第i个储能单元的输出电流。
[0017]
进一步地:所述计算n个并联运行储能单元的平均soc的公式如下：
[0018][0019]
式中，soc
avg
为并联储能单元的平均soc，n为并联储能单元的个数。
[0020]
进一步地:所述基于第i个储能单元的soc及平均soc输入soc均衡控制模块，利用本发明的soc均衡控制算法自适应调节下垂系数，得到第i个储能单元的动态修正下垂系数；具体过程如下：
[0021]
将第i个储能单元的下垂系数设计为包含soc均衡控制算法的自适应变化量：
[0022][0023]
式中，r
vdi
为第i个储能单元的自适应下垂系数，r
vi
为各储能单元的初始下垂系数，δsoci为第i个储能单元的soc均衡差异，δsoci＝soc
avg-soci，m为小于1的均衡调速因子，i
dci
》0表示放电过程，i
dci
《0表示充电过程。
[0024]
当储能单元放电时，以两个储能单元并联为例，变换器输出电流与下垂系数的关系为：
[0025][0026]
式中，i
dc1
为第一个储能单元变换器的输出电流，i
dc2
为第二个储能单元变换器的输出电流，r
vd1
为第一个储能单元的自适应下垂系数，r
vd2
为第二个储能单元的自适应下垂系数，r
v1
为第一个储能单元的初始下垂系数，r
v2
为第二个储能单元的初始下垂系数，δsoc1为第一个储能单元的soc均衡差异，δsoc2为第二个储能单元的soc均衡差异；
[0027]
当储能单元充电时，以两个储能单元并联为例，变换器输出电流与下垂系数的关系为：
[0028][0029]
式中，i
dc1
为第一个储能单元变换器的输出电流，i
dc2
为第二个储能单元变换器的输出电流，r
vd1
为第一个储能单元的自适应下垂系数，r
vd2
为第二个储能单元的自适应下垂系数，r
v1
为第一个储能单元的初始下垂系数，r
v2
为第二个储能单元的初始下垂系数，δsoc1为第一个储能单元的soc均衡差异，δsoc2为第二个储能单元的soc均衡差异。
[0030]
进一步地:所述结合下垂控制技术，计算第i个储能单元的变换器参考输出电压：
[0031]urefi
＝u
nom-r
vdiidci
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0032]
式中，u
refi
为第i个储能单元的变换器参考输出电压，u
nom
为额定母线电压。
[0033]
进一步地:所述计算第i个储能单元的变换器参考输出电流：
[0034][0035]
式中，i
refi
为第i个储能单元的变换器参考输出电流，u
dci
为第i个储能单元变换器输出电压，k
pu
为电压环pi控制器的比例系数，k
iu
为电压环pi控制器的积分系数，1/s表示积分。
[0036]
进一步地:所述计算第i个储能单元的变换器开关管占空比：
[0037][0038]
式中，di为第i个储能单元变换器开关管占空比，i
li
为第i个储能单元变换器电感电流，k
pi
为电流环pi控制器的比例系数，k
ii
为电流环pi控制器的积分系数。
[0039]
进一步地:所述第i个储能单元的占空比输入基于脉宽调制生成器技术，得到一对互补脉冲信号，各储能单元变换器通过互补脉冲信号控制各自开关管的动作，实现各并联运行的储能单元soc均衡具体包括：
[0040]
各储能单元变换器通过互补脉冲信号控制开关管的动作，使得soc较高的储能单元在放电过程中的放电电流较大，在充电过程中的充电电流较小；soc较低的储能单元在放电过程中的放电电流较小，在充电过程中的充电电流较大，直至各并联运行的储能单元的变换器输出电流按其额定容量成比例分配，最终实现各并联运行的储能单元soc均衡。
[0041]
一种多储能单元并联运行的soc均衡控制装置，包括以下步骤：
[0042]
采集模块:用于测量并采集第i个储能单元的电池输出电流，利用安时积分法估算第i个储能单元的soc；
[0043]
平均soc计算模块:用于各储能单元通过低带宽通信线路将估算的soc传输到其他储能单元，并通过低带宽通信线路获取其他储能单元估算的soc，在本地计算n个并联运行储能单元平均soc；
[0044]
soc均衡控制模块:用于基于第i个储能单元的soc及平均soc，利用soc均衡控制算法自适应调节下垂系数，得到第i个储能单元的动态修正下垂系数；
[0045]
下垂控制模块:用于结合下垂控制技术，将第i个储能单元的变换器输出电流与动态修正的下垂系数相乘，得到第i个储能单元的母线电压降，并将额定母线电压与第i个储能单元的母线电压降作差，得到第i个储能单元的变换器参考输出电压；
[0046]
电压环pi控制器模块:用于将第i个储能单元的变换器参考输出电压与第i个储能单元的变换器输出电压作差后，采用电压环pi控制方法，得到第i个储能单元的变换器参考输出电流；
[0047]
电流环pi控制器孔明:用于将第i个储能单元的变换器参考输出电流与第i个储能单元的变换器电感电流作差后，采用电流环pi控制方法，得到第i个储能单元的变换器开关管占空比；
[0048]
脉宽调制生成器模块:用于将第i个储能单元的占空比基于脉宽调制生成技术，得到一对互补脉冲信号，各储能单元变换器通过互补脉冲信号控制各自开关管的动作，实现各并联运行的储能单元soc均衡。
[0049]
本发明提供的一种多储能单元并联运行的soc均衡控制方法，具有以下优点：
[0050]
(1)本发明的soc均衡控制方法在soc均衡前期和后期均能够实现多并联储能单元soc快速均衡；
[0051]
(2)本发明的soc均衡控制方法中引入的均衡调速因子m仅在soc均衡后期起主要作用，其避免了在soc均衡前期与soc均衡状态差异一同对soc均衡速度产生耦合影响；
[0052]
(3)本发明的soc均衡控制方法能够实现各并联储能单元变换器输出电流按各自储能单元额定容量成比例分配，并能够实现各并联储能单元的soc精确均衡。
附图说明
[0053]
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
[0054]
图1是本发明的实现步骤流程图；
[0055]
图2是本发明的直流微电网结构图；
[0056]
图3是本发明的第i个储能单元变换器控制框图；
[0057]
图4(a)是本发明的实施例一储能单元soc，(b)是本发明的实施例一输出电流仿真波形图；
[0058]
图5(a)是本发明的实施例二储能单元soc，(b)是本发明的实施例二输出电流仿真波形图；
[0059]
图6(a)是本发明的实施例三储能单元soc，(b)是本发明的实施例三输出电流仿真波形图。
具体实施方式
[0060]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0061]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
[0062]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0063]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明
书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0064]
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
[0065]
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0066]
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0067]
图1是本发明的实现步骤流程图，提供了一种多储能单元并联运行的soc均衡控制方法，包括以下步骤：
[0068]
s1:测量并采集第i个储能单元的电池输出电流，利用安时积分法估算第i个储能单元的soc；
[0069]
s2:各储能单元通过低带宽通信线路将估算的soc传输到其他储能单元，并通过低带宽通信线路获取其他储能单元估算的soc，在本地计算n个并联运行储能单元平均soc；
[0070]
s3:基于第i个储能单元的soc及平均soc，利用soc均衡控制算法自适应调节下垂系数，得到第i个储能单元的动态修正下垂系数；
[0071]
s4:结合下垂控制技术，将第i个储能单元的变换器输出电流与动态修正的下垂系数相乘，得到第i个储能单元的母线电压降，并将额定母线电压与第i个储能单元的母线电压降作差，得到第i个储能单元的变换器参考输出电压；
[0072]
s5:将第i个储能单元的变换器参考输出电压与第i个储能单元的变换器输出电压作差后，采用电压环pi控制方法，得到第i个储能单元的变换器参考输出电流；
[0073]
s6:将第i个储能单元的变换器参考输出电流与第i个储能单元的变换器电感电流作差后，采用电流环pi控制方法，得到第i个储能单元的变换器开关管占空比；
[0074]
s7:将第i个储能单元的占空比基于脉宽调制生成技术，得到一对互补脉冲信号，各储能单元变换器通过互补脉冲信号控制各自开关管的动作，实现各并联运行的储能单元soc均衡。
[0075]
本发明的上述实施例所述的一种多储能单元并联运行的soc均衡控制方法，各储
能单元在本地采集其电池输出电流，结合安时积分法估算当前soc值，并通过低带宽通信线路获取其他储能单元的soc值，在本地计算出所有储能单元的平均soc值，再利用本发明的soc均衡控制算法自适应调节下垂系数，结合下垂控制技术和电压电流双闭环控制技术，通过pwm控制变换器开关管的动作，从而实现各并联储能单元的soc均衡。所述一种多储能并联运行的soc均衡控制方法无论各并联储能单元的额定容量是否一致，均能在均衡前期和后期实现soc快速均衡，当各并联储能单元的额定容量相同时，能够实现各并联储能单元变换器输出电流均分；当各并联储能单元的额定容量不同时，能够实现各并联储能单元变换器输出电流按储能单元额定容量比例合理分配。
[0076]
其中，:所述利用安时积分法对第i个储能单元的soc进行估算采用下列公式：
[0077]
式中，soci为第i个储能单元的当前soc，soc
i0
为第i个储能单元的初始soc，c
bati
为第i个储能单元的额定容量，i
bati
为第i个储能单元的输出电流。
[0078]
其中，所述所述计算n个并联运行储能单元的平均soc的公式如下：
[0079][0080]
式中，soc
avg
为并联储能单元的平均soc，n为并联储能单元的个数。
[0081]
其中，所述步骤s3具体包括:将第i个储能单元的下垂系数设计为包含soc均衡控制算法的自适应变化量：
[0082][0083]
式中，r
vdi
为第i个储能单元的自适应下垂系数，r
vi
为各储能单元的初始下垂系数，δsoci为第i个储能单元的soc均衡差异，δsoci＝soc
avg-soci，m为小于1的均衡调速因子，i
dci
》0表示放电过程，i
dci
《0表示充电过程；
[0084]
当储能单元放电时，以两个储能单元并联为例，变换器输出电流与下垂系数的关系为：
[0085][0086]
式中，i
dc1
为第一个储能单元变换器的输出电流，i
dc2
为第二个储能单元变换器的输出电流，r
vd1
为第一个储能单元的自适应下垂系数，r
vd2
为第二个储能单元的自适应下垂系数，r
v1
为第一个储能单元的初始下垂系数，r
v2
为第二个储能单元的初始下垂系数，δsoc1为第一个储能单元的soc均衡差异，δsoc2为第二个储能单元的soc均衡差异。
[0087]
假设上式r
v1
＝r
v2
且soc1《soc2，则在储能单元放电过程中，soc较高的第2个储能单元的soc均衡差异δsoc2《0，其下垂系数r
vd2
较小，故其变换器输出电流i
dc2
较大；soc较低的
第1个储能单元的soc均衡差异δsoc1》0，其下垂系数r
vd1
较大，故其变换器输出电流i
dc1
较小；
[0088]
当储能单元充电时，以两个储能单元并联为例，变换器输出电流与下垂系数的关系为：
[0089][0090]
式中，i
dc1
为第一个储能单元变换器的输出电流，i
dc2
为第二个储能单元变换器的输出电流，r
vd1
为第一个储能单元的自适应下垂系数，r
vd2
为第二个储能单元的自适应下垂系数，r
v1
为第一个储能单元的初始下垂系数，r
v2
为第二个储能单元的初始下垂系数，δsoc1为第一个储能单元的soc均衡差异，δsoc2为第二个储能单元的soc均衡差异。
[0091]
假设上式r
v1
＝r
v2
且soc1《soc2，则在储能单元充电过程中，soc较高的第2个储能单元的soc均衡差异δsoc2《0，其下垂系数r
vd2
较大，故其变换器输出电流i
dc2
较小；soc较低的第1个储能单元的soc均衡差异δsoc1》0，其下垂系数r
vd1
较小，故其变换器输出电流i
dc1
较大；
[0092]
公式(4)和公式(5)还表明，在soc均衡前期，|δsoci|远大于零，m对soc均衡速度的影响较小，该阶段的soc均衡速度主要由|δsoci|决定；在soc均衡后期，|δsoci|趋于零，m对soc均衡速度的影响较大，该阶段的soc均衡速度主要由m决定。
[0093]
其中，所述步骤s4具体包括:结合下垂控制技术，计算第i个储能单元的变换器参考输出电压：
[0094]urefi
＝u
nom-r
vdiidci
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0095]
式中，u
refi
为第i个储能单元的变换器参考输出电压，u
nom
为额定母线电压。
[0096]
其中，所述步骤s5具体包括:计算第i个储能单元的变换器参考输出电流：
[0097][0098]
式中，i
refi
为第i个储能单元的变换器参考输出电流，u
dci
为第i个储能单元变换器输出电压，k
pu
为电压环pi控制器的比例系数，k
iu
为电压环pi控制器的积分系数，1/s表示积分。
[0099]
其中，所述步骤s6具体包括:计算第i个储能单元的变换器开关管占空比：
[0100][0101]
式中，di为第i个储能单元变换器开关管占空比，i
li
为第i个储能单元变换器电感电流，k
pi
为电流环pi控制器的比例系数，k
ii
为电流环pi控制器的积分系数。
[0102]
其中，所述第i个储能单元的占空比输入基于脉宽调制生成器技术，得到一对互补脉冲信号，各储能单元变换器通过互补脉冲信号控制各自开关管的动作，实现各并联运行的储能单元soc均衡具体包括：
[0103]
:各储能单元变换器通过互补脉冲信号控制开关管的动作，使得soc较高的储能单
元在放电过程中的放电电流较大，在充电过程中的充电电流较小；soc较低的储能单元在放电过程中的放电电流较小，在充电过程中的充电电流较大，直至各并联运行的储能单元的变换器输出电流按其额定容量成比例分配，最终实现各并联运行的储能单元soc均衡。
[0104]
一种多储能单元并联运行的soc均衡控制装置，包括以下步骤：
[0105]
采集模块:用于测量并采集第i个储能单元的电池输出电流，利用安时积分法估算第i个储能单元的soc；
[0106]
平均soc计算模块:用于各储能单元通过低带宽通信线路将估算的soc传输到其他储能单元，并通过低带宽通信线路获取其他储能单元估算的soc，在本地计算n个并联运行储能单元平均soc；
[0107]
soc均衡控制模块:用于基于第i个储能单元的soc及平均soc，利用soc均衡控制算法自适应调节下垂系数，得到第i个储能单元的动态修正下垂系数；
[0108]
下垂控制模块:用于结合下垂控制技术，将第i个储能单元的变换器输出电流与动态修正的下垂系数相乘，得到第i个储能单元的母线电压降，并将额定母线电压与第i个储能单元的母线电压降作差，得到第i个储能单元的变换器参考输出电压；
[0109]
电压环pi控制器模块:用于将第i个储能单元的变换器参考输出电压与第i个储能单元的变换器输出电压作差后，采用电压环pi控制方法，得到第i个储能单元的变换器参考输出电流；
[0110]
电流环pi控制器孔明:用于将第i个储能单元的变换器参考输出电流与第i个储能单元的变换器电感电流作差后，采用电流环pi控制方法，得到第i个储能单元的变换器开关管占空比；
[0111]
脉宽调制生成器模块:用于将第i个储能单元的占空比基于脉宽调制生成技术，得到一对互补脉冲信号，各储能单元变换器通过互补脉冲信号控制各自开关管的动作，实现各并联运行的储能单元soc均衡。
[0112]
图2是本发明的直流微电网结构图，主要包括：第一储能单元电池1、第二储能单元电池2、第三储能单元电池3、第一储能单元变换器4、第二储能单元变换器5、第三储能单元变换器6、第一线路阻抗7、第二线路阻抗8、第三线路阻抗9、可控负载电阻10和可控直流电源11；
[0113]
所述第一储能单元变换器4包括：第一电感l1、第一电容c1、第一开关管s1和第二开关管s2；
[0114]
所述第二储能单元变换器5包括：第二电感l2、第二电容c2、第三开关管s3和第四开关管s4；
[0115]
所述第三储能单元变换器6包括：第三电感l3、第三电容c3、第五开关管s5和第六开关管s6；
[0116]
所述各储能单元通过储能单元变换器以并联的方式连接到直流母线上所述可控负载电阻10用于模拟直流微电网中的用电设备电阻；
[0117]
所述可控直流电源11用于模拟直流微电网中的分布式电源。
[0118]
所述第一储能单元电池1与所述第一储能单元变换器4一端相连接，所述第一储能单元变换器4另一端与第一线路阻抗7一端相连接，所述第一线路阻抗7另一端与所述可控负载电阻10、所述可控直流电源11相连接；
[0119]
所述第一储能单元电池2与所述第一储能单元变换器5一端相连接，所述第一储能单元变换器5另一端与第一线路阻抗8一端相连接，所述第一线路阻抗8另一端与所述可控负载电阻10、所述可控直流电源11相连接；
[0120]
所述第一储能单元电池3与所述第一储能单元变换器6一端相连接，所述第一储能单元变换器6另一端与第一线路阻抗9一端相连接，所述第一线路阻抗9另一端与所述可控负载电阻10、所述可控直流电源11相连接；
[0121]
图3是本发明的第i个储能单元变换器控制框图，下面将对其工作原理进行阐述：将测得的储能单元电池输出电流i
bati
输入soc估算模块，利用安时积分法估算出soci，将soci及通过低带宽通信线路获取的其他储能单元的soc输入平均soc计算模块，计算出soc
avg
，将soci和soc
avg
输入soc均衡控制环，并利用本发明的公式(3)自适应调节下垂系数，得到动态修正的r
vdi
，然后结合下垂控制技术和电压电流双闭环控制技术，得到互补的pwm脉冲信号si和sj，通过pwm控制变换器开关管的动作，最终实现各并联运行的储能单元soc动态均衡。所述各储能单元变换器的控制原理简单易实现，soc均衡控制算法能够很方便地嵌入到传统下垂控制器和电压电流双闭环控制器中，并确保各并联运行的储能单元在均衡前期和后期均具有较快的soc均衡速度。
[0122]
实施例一
[0123]
为了验证本发明一种多储能单元并联运行的soc均衡控制方法的可行性和有效性，基于matlab/simulink软件搭建了如图2所示的仿真模型。各并联储能单元变换器采用图3所示的控制结构。系统仿真参数如表1所示：
[0124]
表1系统仿真参数
[0125][0126]
图4(a)是本发明的实施例一储能单元soc，(b)是本发明的实施例一输出电流仿真波形图；
[0127]
三个储能单元的初始soc分别为80％、70％和60％，额定容量均为10ah，初始下垂系数均为3ω，负载需求功率为20kw，可控直流电源输出功率为0。在整个仿真过程中，负载需求功率由三个储能单元共同提供，各储能单元工作于放电模式。通过本发明所提控制方法的调节，三个储能单元的soc逐渐收敛，并在第17s左右实现soc均衡和输出电流均分。实施例一的仿真结果表明本发明所提控制方法能够确保各并联储能单元在放电过程中实现soc均衡，在均衡前期和后期均具有较快的soc均衡速度，且soc均衡精度较高。
[0128]
图5(a)是本发明的实施例二储能单元soc，(b)是本发明的实施例二输出电流仿真波形图；
[0129]
三个储能单元的初始soc分别为50％、40％和30％，额定容量均为10ah，初始下垂系数均为3ω，负载需求功率为20kw，可控直流电源输出功率为40kw。在整个仿真过程中，可控直流电源提供负载需求功率后仍有盈余，该部分盈余功率由三个储能单元共同吸收，各储能单元工作于充电模式。通过本发明所提控制方法的调节，三个储能单元的soc逐渐收敛，并在第19s左右实现soc均衡和输出电流均分。实施例二的仿真结果表明本发明所提控制方法能够确保各并联储能单元在充电过程中实现soc均衡，在均衡前期和后期均具有较快的soc均衡速度，且soc均衡精度较高。
[0130]
图6(a)是本发明的实施例三储能单元soc，(b)是本发明的实施例三输出电流仿真波形图。
[0131]
三个储能单元的初始soc均为50％，额定容量分别为15ah、10ah和5ah，初始下垂系数分别为1ω、1.5ω和3ω，负载初始需求功率为20kw，在15s时上升为50kw，可控直流电源输出功率为40kw。在0～5s时，采用传统下垂控制对变换器进行控制，由于传统下垂控制的下垂系数是固定的，未考虑储能单元soc信息和额定容量比例，故各储能单元的输出电流一致，导致soc逐渐发散；在第5s时，变换器控制方法由传统下垂控制切换为本发明所提控制方法，各储能单元的soc逐渐收敛，并在第12s左右实现soc均衡和输出电流按储能单元额定容量以3:2:1的比例分配；在第15s时，负载需求功率上升，各储能单元由充电模式切换为放电模式，仍能维持soc均衡和输出电流比例分配。实施例三的仿真结果表明本发明所提控制方法能够确保容量不一致的储能单元在充/放电过程中实现soc快速精确均衡，并使其输出电流按各储能单元额定容量比例分配，进一步验证了本发明所提控制方法的有效性和优越性。
[0132]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
[0133]
[1]x.lu,k.sun,j.m.guerrero,j.c.vasquez,and l.huang.double-quadrant state-of-charge-based droop control method for distributed energy storage systems in autonomous dc microgrids[j].ieee transactions on smart grid,2015,6(1):147-157.
[0134]
[2]t.r.oliveira,w.w.a.g.silva,and p.f.d.garcia.distributed secondary level control for energy storage management in dc microgrids[j].ieee transactions on smart grid,2017,8(6):2597-2607.
[0135]
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[0136]
[4]张赟,王琛,王毅,韩冰.基于自适应下垂控制的直流微电网多储能soc动态均衡策略[j].华北电力大学学报(自然科学版),2020,47(5):21-29.
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[5]n.l.diaz,t.dragicevic,j.c.vasquez,and j.m.guerrero.intelligent distributed generation and storage units for dc microgrids—a new concept on cooperative control without communications beyond droop control[j].ieee transactions on smart grid,2014,5(5):2476-2485.
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技术特征：

1.一种多储能单元并联运行的soc均衡控制方法，其特征在于：包括以下步骤：s1:测量并采集第i个储能单元的电池输出电流，利用安时积分法估算第i个储能单元的soc；s2:各储能单元通过低带宽通信线路将估算的soc传输到其他储能单元，并通过低带宽通信线路获取其他储能单元估算的soc，在本地计算n个并联运行储能单元平均soc；s3:基于第i个储能单元的soc及平均soc，利用soc均衡控制算法自适应调节下垂系数，得到第i个储能单元的动态修正下垂系数；s4:结合下垂控制技术，将第i个储能单元的变换器输出电流与动态修正的下垂系数相乘，得到第i个储能单元的母线电压降，并将额定母线电压与第i个储能单元的母线电压降作差，得到第i个储能单元的变换器参考输出电压；s5:将第i个储能单元的变换器参考输出电压与第i个储能单元的变换器输出电压作差后，采用电压环pi控制方法，得到第i个储能单元的变换器参考输出电流；s6:将第i个储能单元的变换器参考输出电流与第i个储能单元的变换器电感电流作差后，采用电流环pi控制方法，得到第i个储能单元的变换器开关管占空比；s7:将第i个储能单元的占空比基于脉宽调制生成技术，得到一对互补脉冲信号，各储能单元变换器通过互补脉冲信号控制各自开关管的动作，实现各并联运行的储能单元soc均衡。2.根据权利要求1所述的一种多储能并联运行的soc均衡控制方法，其特征在于:所述利用安时积分法对第i个储能单元的soc进行估算采用下列公式：式中，soc
i
为第i个储能单元的当前soc，soc
i0
为第i个储能单元的初始soc，c
bati
为第i个储能单元的额定容量，i
bati
为第i个储能单元的输出电流。3.根据权利要求1所述的一种多储能并联运行的soc均衡控制方法，其特征在于:所述计算n个并联运行储能单元的平均soc的公式如下：式中，soc
avg
为并联储能单元的平均soc，n为并联储能单元的个数。4.根据权利要求1所述的一种多储能并联运行的soc均衡控制方法，其特征在于:所述基于第i个储能单元的soc及平均soc输入soc均衡控制模块，利用本发明的soc均衡控制算法自适应调节下垂系数，得到第i个储能单元的动态修正下垂系数；具体过程如下：将第i个储能单元的下垂系数设计为包含soc均衡控制算法的自适应变化量：式中，r
vdi
为第i个储能单元的自适应下垂系数，r
vi
为各储能单元的初始下垂系数，δ
soc
i
为第i个储能单元的soc均衡差异，δsoc
i
＝soc
avg-soc
i
，m为小于1的均衡调速因子，i
dci
>0表示放电过程，i
dci
<0表示充电过程。当储能单元放电时，以两个储能单元并联为例，变换器输出电流与下垂系数的关系为：式中，i
dc1
为第一个储能单元变换器的输出电流，i
dc2
为第二个储能单元变换器的输出电流，r
vd1
为第一个储能单元的自适应下垂系数，r
vd2
为第二个储能单元的自适应下垂系数，r
v1
为第一个储能单元的初始下垂系数，r
v2
为第二个储能单元的初始下垂系数，δsoc1为第一个储能单元的soc均衡差异，δsoc2为第二个储能单元的soc均衡差异；当储能单元充电时，以两个储能单元并联为例，变换器输出电流与下垂系数的关系为：式中，i
dc1
为第一个储能单元变换器的输出电流，i
dc2
为第二个储能单元变换器的输出电流，r
vd1
为第一个储能单元的自适应下垂系数，r
vd2
为第二个储能单元的自适应下垂系数，r
v1
为第一个储能单元的初始下垂系数，r
v2
为第二个储能单元的初始下垂系数，δsoc1为第一个储能单元的soc均衡差异，δsoc2为第二个储能单元的soc均衡差异。5.根据权利要求1所述的一种多储能并联运行的soc均衡控制方法，其特征在于:所述结合下垂控制技术，计算第i个储能单元的变换器参考输出电压：u
refi
＝u
nom-r
vdi
i
dci
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)式中，u
refi
为第i个储能单元的变换器参考输出电压，u
nom
为额定母线电压。6.根据权利要求1所述的一种多储能并联运行的soc均衡控制方法，其特征在于:所述计算第i个储能单元的变换器参考输出电流：式中，i
refi
为第i个储能单元的变换器参考输出电流，u
dci
为第i个储能单元变换器输出电压，k
pu
为电压环pi控制器的比例系数，k
iu
为电压环pi控制器的积分系数，1/s表示积分。7.根据权利要求1所述的一种多储能并联运行的soc均衡控制方法，其特征在于:所述计算第i个储能单元的变换器开关管占空比：式中，d
i
为第i个储能单元变换器开关管占空比，i
li
为第i个储能单元变换器电感电流，k
pi
为电流环pi控制器的比例系数，k
ii
为电流环pi控制器的积分系数。8.根据权利要求1所述的一种多储能并联运行的soc均衡控制方法，其特征在于:所述第i个储能单元的占空比输入基于脉宽调制生成器技术，得到一对互补脉冲信号，各储能单元变换器通过互补脉冲信号控制各自开关管的动作，实现各并联运行的储能单元soc均衡
具体包括：各储能单元变换器通过互补脉冲信号控制开关管的动作，使得soc较高的储能单元在放电过程中的放电电流较大，在充电过程中的充电电流较小；soc较低的储能单元在放电过程中的放电电流较小，在充电过程中的充电电流较大，直至各并联运行的储能单元的变换器输出电流按其额定容量成比例分配，最终实现各并联运行的储能单元soc均衡。9.一种多储能单元并联运行的soc均衡控制装置，其特征在于：包括以下步骤：采集模块:用于测量并采集第i个储能单元的电池输出电流，利用安时积分法估算第i个储能单元的soc；平均soc计算模块:用于各储能单元通过低带宽通信线路将估算的soc传输到其他储能单元，并通过低带宽通信线路获取其他储能单元估算的soc，在本地计算n个并联运行储能单元平均soc；soc均衡控制模块:用于基于第i个储能单元的soc及平均soc，利用soc均衡控制算法自适应调节下垂系数，得到第i个储能单元的动态修正下垂系数；下垂控制模块:用于结合下垂控制技术，将第i个储能单元的变换器输出电流与动态修正的下垂系数相乘，得到第i个储能单元的母线电压降，并将额定母线电压与第i个储能单元的母线电压降作差，得到第i个储能单元的变换器参考输出电压；电压环pi控制器模块:用于将第i个储能单元的变换器参考输出电压与第i个储能单元的变换器输出电压作差后，采用电压环pi控制方法，得到第i个储能单元的变换器参考输出电流；电流环pi控制器孔明:用于将第i个储能单元的变换器参考输出电流与第i个储能单元的变换器电感电流作差后，采用电流环pi控制方法，得到第i个储能单元的变换器开关管占空比；脉宽调制生成器模块:用于将第i个储能单元的占空比基于脉宽调制生成技术，得到一对互补脉冲信号，各储能单元变换器通过互补脉冲信号控制各自开关管的动作，实现各并联运行的储能单元soc均衡。

技术总结

本发明一种多储能单元并联运行的SoC均衡控制方法，包括以下步骤：利用安时积分法估算第i个储能单元的SoC；通过低带宽通信线路获取其他储能单元估算的SoC，在本地计算n个并联运行储能单元平均SoC；利用SoC均衡控制算法自适应调节下垂系数，得到第i个储能单元的动态修正下垂系数；得到第i个储能单元的变换器参考输出电压，采用电压环PI控制方法，得到第i个储能单元的变换器参考输出电流；采用电流环PI控制方法，得到第i个储能单元的变换器开关管占空比；各储能单元变换器通过互补脉冲信号控制各自开关管的动作，实现各并联运行的储能单元SoC均衡，本发明的SoC均衡控制方法能够各并联储能单元的SoC精确均衡。储能单元的SoC精确均衡。储能单元的SoC精确均衡。