基于二級控制框架的海上風力發電場儲能電站控制方法與流程

本發明涉及海上風力發電主動頻率支撐領域，尤其是一種基于二級控制框架的海上風力發電場儲能電站控制方法。

背景技術：

1、海上風力發電場能夠減少化石能源的消耗，能夠助力我國盡早達成“雙碳”目標。但是風能具有隨機性、波動性的特點，需配備儲能電站削峰填谷，提高風能的消納能力。而儲能電站中的儲能單元應具備即插即用的特性，能夠實現自動的功率均衡分配。儲能電站的分布式的儲能單元可采用集中控制或分散控制，集中控制需建立可靠的通信拓撲，需性能優越的中央處理器。分散控制策略則無法獲知全局信息，易導致部分儲能裝置過充、過放。

技術實現思路

1、針對以上問題，本發明提出了一種基于二級控制框架的海上風力發電場儲能電站控制方法，該方法的一層控制器采用改進的下垂控制策略，二層控制器采用擴散策略對一層控制器的電壓進行補償；若二層控制器發生故障，一層控制器仍舊能夠實現分布式儲能單元的功率分配。

2、本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種基于二級控制框架的海上風力發電場儲能電站控制方法，包括以下步驟：

3、步驟一：構建海上風力發電場直流儲能電站，儲能電站中包含多個分布式儲能單元，且采用即插即用的方式，所述儲能單元由儲能裝置與buck/boost變換器構成，各個儲能裝置采用buck/boost變換器接入直流母線；

4、步驟二：構建二級控制框架，二級控制框架包括一級控制器與二級控制器，一級控制器采用下垂控制器控制儲能單元，二級控制器采用擴散策略以補償由于一級控制器引入的電壓偏差。

5、進一步地，buck/boost變換器采用雙閉環控制策略，雙閉環控制策略的外環為儲能單元輸出電壓控制環，內環為儲能單元輸出電流的控制環；所述buck/boost變換器包括電壓外環控制器pi1和電流內環控制器pi2；電壓外環控制器pi1的輸入為儲能單元輸出電壓參考值與檢測值的差值，輸出為儲能單元的輸出電流參考值，如式(1)所示；電流內環控制器pi2的輸入為儲能單元輸出電流的參考值與檢測值的差值，輸出為占空比，如式(2)所示：

6、iout_ref＝kp1(uout_ref-uout)+ki1∫(uout_ref-uout)dt?(1)

7、d＝kp2(iout_ref-iout)+ki2∫(iout_ref-iout)dt?(2)

8、式中，iout_ref為儲能單元的輸出電流的參考值，iout為儲能單元的輸出電流，uout_ref為儲能單元的輸出電壓的參考值，uout為儲能單元的輸出電壓，d為buck/boost變換器中igbt的導通占空比，kp1、ki1分別為電壓外環控制器pi1的比例系數與積分系數；kp2、ki2分別為電流內環控制器pi2的比例系數與積分系數。

9、進一步地，uout_ref通過下垂控制器確定，實現儲能單元之間的功率分配，下垂控制器主要目的為由儲能單元的空載輸出電壓uout_0、下垂系數r和儲能單元的輸出電流iout確定儲能單元的輸出電壓參考值，輸出電壓參考值uout_ref表示為：

10、uout_ref＝uout_0-r×iout?????(3)

11、式中，uout_0為儲能單元的空載電壓，r為下垂系數。

12、進一步地，采用改進下垂控制策略實現分布式儲能單元之間的均勻分配，改進下垂控制根據儲能單元的容量、soc狀態、充放電狀態確定下垂系數，在第i個儲能裝置充電時的下垂系數ri_c、在第i個儲能裝置放電時的下垂系數ri_d可表示為：

13、

14、式中，cmax為所有儲能單元中容量最大的儲能單元的容量，ci為第i個儲能單元的容量，ri為公式(3)中表示的第i個儲能單元的下垂系數，soci為第i個儲能單元的soc狀態，n為分布式儲能單元soc均衡系數，且n為正整數。

15、由式(4)-(5)可知，在儲能單元充放電過程中，下垂系數隨soc變換，逐漸實現分布式儲能單元soc均衡。

16、進一步地，n根據儲能單元最大充電功率、最大放電功率、soc均衡速度確定，若n較大，則soc均衡速度快，但是儲能單元的充電功率、放電功率大；若n較小，則soc均衡速度慢，儲能單元的充放電功率小。

17、進一步地，下垂控制或改進下垂控制的原理機制為有差控制。且采用下垂控制或改進下垂控制實現分布式儲能單元的功率分配時，儲能單元的輸出電壓受到線路阻抗的影響，以兩個儲能單元為例，其表達式為式(6)：

18、udc_bus＝u1_out_0-(r1+r1_line)×i1_out＝u2_out_0-(r2+r2_line)×i2_out??(6)

19、式中，udc_bus為直流母線電壓、idc_bus為直流母線電流，r1為儲能單元1的下垂系數、r2為儲能單元2的下垂系數，r1_line為儲能單元1與直流母線電壓聯絡線的線路阻抗、r2_line為儲能單元2與直流母線電壓聯絡線的線路阻抗；u1_out為儲能單元1的輸出電壓、u2_out為儲能單元2的輸出電壓，u1_out_0表示儲能單元1的空載電壓、u2_out_0表示儲能單元2的空載電壓；i1_out表示儲能單元1的輸出電流，i2_out表示儲能單元2的輸出電流。

20、由式(6)可知，直流母線電壓受到線路阻抗的影響，會存在一定的波動，而且線路阻抗受到環境的影響，有一定的變化。

21、即采用下垂控制或改進下垂控制時，由于其自身的機制、線路阻抗的影響，儲能單元的輸出電壓將存在電壓差，且各個儲能單元的輸出電壓不相等，易導致儲能單元間出現環流。

22、進一步地，采用二級控制器補償各個儲能單元的輸出電壓差；二級控制器分為兩個部分，第一個部分為補償由于下垂控制、改進下垂控制引入的電壓差，第二個部分為補償儲能單元功率分配不均衡導致的電壓差。

23、進一步地，在各個儲能單元的一級控制器之間建立通信拓撲，實現儲能單元控制器之間的信息交互。

24、進一步地，表述各個儲能單元之間的通信拓撲的鄰接矩陣a中的元素，應滿足式(7)，采用式(8)計算：

25、

26、式中，aij為鄰接矩陣中的元素，n為儲能單元的總數，ni表示與第i個儲能單元互相通信的儲能單元個數、nj表示與第j個儲能單元互相通信的儲能單元個數，nj表示與儲能單元j互相通信的儲能單元的集合。

27、通信拓撲的鄰接矩陣表示為：

28、

29、進一步地，二級控制器采用擴散策略，而擴散策略為優化策略，將由于一級控制器導致的電壓偏差的均方差的最小值作為優化目標，構建第一個電壓補償器；將各個儲能單元的輸出功率與剩余容量的比值的均方差的最小值作為優化目標，構建第二個電壓補償器。

30、進一步地，擴散策略可分為兩步，分別為第一步適應與第二步組合，其中第一步適應可表示為式(10)，第二步組合可表示為式(11)：

31、

32、式中，ji(xi,k-1)為擴散策略的優化目標，xi,k-1表示第i個儲能單元在第k-1次迭代的狀態變量、xi,k分別表示第i個儲能單元在第k次迭代的狀態變量，表示第i個儲能單元在第k次迭代的中間變量，μi為第i個儲能單元的迭代步長，為一個較小的常數；ni表示與第i個儲能單元相互通信的儲能單元集合。

33、進一步地，第一個電壓補償器包含了兩個部分，第一個部分為補償由于采用線路阻抗導致的電壓偏差，第二個部分為補償由于下垂控制策略是有差控制引入的電壓偏差；第一個部分的優化目標可表示為：

34、argminσui2(uavgi)(12)

35、式中，uavgj表示與第j個儲能單元相互通信的所有儲能單元的輸出電壓的平均電壓，可表示為式(13)，σui2(uavgi)表示uavgj的均方差，可表示為是(14)：

36、

37、式中，uoutj表示第j個儲能單元的輸出電壓；

38、因此，第一個電壓補償器在擴散策略迭代過程中的中間變量與狀態量分別為式(15)和(16)：

39、

40、xi1(k)＝uavgi?????(16)

41、σui2(uavgi)在第k次迭代時的梯度可表示為：

42、

43、式中，uavgi(k)表示第k次迭代時，與第i個儲能單元相互通信的所有儲能單元的輸出電壓的平均電壓；uavgj(k)表示第k次迭代時，與第j個儲能單元相互通信的所有儲能單元的輸出電壓的平均電壓；uavgi(k-1)表示第k-1次迭代時，與第i個儲能單元相互通信的所有儲能單元的輸出電壓的平均電壓；uavgj(k-1)表示第k-1次迭代時，與第j個儲能單元相互通信的所有儲能單元的輸出電壓的平均電壓；

44、因此，經過第k次運算后，第k+1次迭代過程中，狀態量可更新為：

45、

46、因此，第一個電壓補償器為了補償各個儲能單元由于線路阻抗不同導致的輸出電壓不均的電壓補償量，可表示為：

47、

48、式中，kpv2為第一個電壓補償器補償由于線路阻抗不同導致的輸出電壓不均的電壓補償量的控制器的比例系數，kiv2為第一個電壓補償器補償由于線路阻抗不同導致的輸出電壓不均的電壓補償量的控制器的積分系數，為根據擴散策略計算的狀態量，可表示為：

49、

50、由于下垂控制策略引入的電壓偏差，可表示為：

51、δuui1(k)＝kpv1(vref-vavgi(k))+kiv1∫(vref-vavgi(k))?(21)

52、式中，kpv1補償由于下垂控制策略引入的電壓偏差的控制器的比例系數，kiv1為補償由于下垂控制策略引入的電壓偏差的控制器的積分系數；uref表示參考電壓。

53、因此，第一個電壓補償器的補償電壓可表示為：

54、δuui(k)＝δuui2(k)+gi·δuui1(k)??????(22)

55、式中，gi表示第i個儲能單元的權重系數。

56、進一步地，第二個電壓補償器主要用于補償功率分配引入的電壓差，其狀態變量可表示為：

57、

58、式中，表示第二個電壓補償器的第i個儲能單元的狀態變量，采用γi表示；pi表示第i個儲能單元輸出功率，可表示為式(25)，ci為第i個儲能單元的容量，si為第i個儲能單元的剩余soc狀態，表示為式(26)－(27)：

59、pi＝ui_out×ii_out?(24)

60、si＝soci-socmin?(25)

61、si＝socmax-soci?(26)

62、式中，ui_out表示第i個儲能單元的輸出電壓，ii_out表示第i個儲能單元的輸出電流，socmin表示儲能單元的荷電狀態最小值，socmax表示儲能單元的荷電狀態最大值；

63、第二個電壓補償器的優化目標為：

64、argminσγi2(27)

65、式中，σγi2可表示為：

66、

67、式中，γavgi表示狀態變量的平均值，可表示為：

68、

69、式中，sj為第j個儲能單元的剩余soc狀態；σγi2表示狀態變量的均方差；

70、則擴散策略在第k次迭代時的中間變量可表示為：

71、

72、式中，pj表示第j個儲能單元輸出功率，cj為第j個儲能單元的容量；

73、式中，可表示為：

74、

75、式中，σγi2(k)表示第k次迭代，第i個儲能單元的狀態變量均方差，σγi2(k-1)表示第k-1次迭代，第i個儲能單元的狀態變量均方差，pi(k)表示第k次迭代，第i個儲能單元的輸出功率，pj(k)表示第k次迭代，第j個儲能單元的輸出功率，pi(k-1)表示第k-1次迭代，第i個儲能單元的輸出功率，pj(k-1)表示第k-1次迭代，第j個儲能單元的輸出功率，si(k)表示第k次迭代，第i個儲能單元的剩余荷電狀態，sj(k)表示第k次迭代，第j個儲能單元的剩余荷電狀態，si(k-1)表示第k-1次迭代，第i個儲能單元的剩余荷電狀態，sj(k-1)表示第k-1次迭代，第j個儲能單元的剩余荷電狀態，ci(k)表示第k次迭代，第i個儲能單元的容量，cj(k)表示第k次迭代，第j個儲能單元的容量，ci(k-1)表示第k-1次迭代，第i個儲能單元的容量，cj(k-1)表示第k-1次迭代，第j個儲能單元的容量；因此，在第k次迭代時，狀態變量可更新為：

76、

77、式中，xi2(k+1)表示第二個電壓補償器的第i個儲能單元在第k+1次迭代時的狀態變量；

78、因此，第二個電壓補償器的補償電壓可表示為：

79、

80、式中，kpγ為第二個電壓補償器的pi控制器的比例系數，kiγ為第二個電壓補償器的pi控制器的積分系數，γi(k)表示第k次迭代時，第i個儲能單元的狀態變量；其中可表示為：

81、

82、進一步地，控制策略包含如下步驟：步驟一：儲能單元采用雙閉環控制器得到igbt的開關信號；步驟二：儲能單元的雙閉環控制器的輸入信號由下垂控制器與補償系統確定；步驟三：補償量分為兩個部分，第一個部分是由于線路阻抗不同導致的輸出電壓不均的電壓補償量，第二個部分是補償功率分配引入的電壓差。

83、有益效果：分布式儲能單元接入電網時，常采用下垂控制策略，但是下垂控制為有差控制導致各個儲能單元與電網的節點電壓各不相等；此外由于線路阻抗的存在，各個儲能單元與電網的節點電壓的偏差進一步擴大。本發明搭建了二層控制框架，構建了2個電壓補償器，分別補償由于下垂控制導致的電壓偏差與由于線路阻抗導致的電壓偏差，使各個儲能單元與電網電壓節點處電壓相等，抑制各個儲能單元之間的環流，提高儲能單元的使用壽命，且保障了各個儲能單元的出力均衡。