一种基于电化学状态感知的PCS下垂控制方法与流程

本发明涉及储能变流器控制，尤其涉及一种基于电化学状态感知的pcs下垂控制方法。

背景技术：

1、pcs（power conversion system，储能变流器）作为电池储能系统与电网之间的接口设备，其控制性能直接影响储能系统的运行可靠性和电网支撑能力。在多机并联运行的储能系统中，下垂控制（droop control）是实现各pcs单元之间功率分配的核心控制策略。传统下垂控制通过模拟同步发电机的有功-频率（p-f）和无功-电压（q-u）下垂特性，实现多台pcs并联运行时的功率均分。

2、然而，现有下垂控制策略仍存在以下技术缺陷：

3、（一）传统下垂控制无法区分稳态调度与暂态扰动。当电网发生频率扰动或负荷突变时，各pcs按照下垂特性自动承担扰动功率，这一过程不受ems（energy managementsystem，能量管理系统）直接干预。已有部分方案将soc引入下垂控制以实现电池电量均衡，但这些方案均针对稳态功率分配，未解决暂态扰动场景下的下垂控制自适应问题。

4、（二）固定下垂系数导致暂态扰动下老化电池易逼近sop（state of power，功率状态）上限。在采用固定下垂系数的传统方案中，当电网频率发生偏移时，所有并联pcs按同一比例均摊扰动功率。以两台pcs为例：pcs-a连接健康电池（soh良好，sop上限较高），pcs-b连接老化电池（soh衰减，sop上限较低）。ems下发稳态指令后，当电网频率骤降需要各pcs额外增发功率时，固定下垂系数使两台pcs各承担相同增量功率，导致老化pcs的总输出逼近甚至超过sop上限，触发bms（battery management system，电池管理系统）保护性跳闸，严重时引发系统连锁脱网。

5、（三）现有自适应下垂方案未将sop动态裕度纳入暂态控制。已有技术尝试将soh作为功率分配的权重因子，或在传统下垂控制基础上动态调整下垂系数以避免过充过放，但这些方案均未区分"稳态功率调度"与"暂态扰动响应"两个不同时间尺度的控制需求，也未将bms实时下发的sop动态裕度作为下垂系数调整的依据，导致暂态扰动下仍存在老化电池过载的风险。

6、（四）bms与pcs在暂态时间尺度上缺乏协同。现有技术中，ems依据bms提供的sop进行分钟级稳态调度，而pcs在毫秒级暂态响应中缺乏sop约束，bms计算的sop信息未直接参与pcs的暂态响应决策，存在信息断层。

7、因此，需要对现有技术进行改进。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于电化学状态感知的pcs下垂控制方法，以解决现有技术中存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：

3、一种基于电化学状态感知的pcs下垂控制方法，所述方法包括：

4、s1、实时获取各pcs所连接电池簇的电化学状态参数与功率状态边界信息；其中，所述电化学状态参数包括电池荷电状态soc、电池健康状态soh、电池直流内阻rbat、电池当前实时输出功率pout和电池温度tbat，所述功率状态边界信息包括电池当前可用充放电功率上限sopmax；

5、s2、根据所述电池当前可用充放电功率上限sopmax和所述电池当前实时输出功率pout计算各pcs的动态功率裕度系数κi；

6、s3、根据各电池簇的电池直流内阻rbat和所述动态功率裕度系数κi，构建各pcs的综合调节因子δi；

7、s4、实时检测电网频率偏差δf，根据所述电网频率偏差δf判断系统运行模式；当判定为稳态时，各pcs采用额定下垂系数m0计算各pcs的暂态扰动功率；当判定为暂态扰动状态时，根据所述综合调节因子δi对各pcs的下垂系数进行自适应修正，并计算各pcs的暂态扰动功率；

8、s5、实时校验各pcs的暂态扰动功率是否超出sop的上限，若超出则执行安全保护措施。

9、进一步地，所述基于电化学状态感知的储能pcs下垂控制方法中，在所述s2中，动态功率裕度系数κi的计算公式为：

10、；

11、其中，κi∈[0,1]，表示第i台pcs在当前运行点应对后续功率扰动的剩余能力，κi越接近1，则裕度越大；κi越接近0，则已逼近sop上限，应对扰动的能力越弱；sopmax,i表示第i台pcs所连接电池簇的电池当前可用充放电功率上限sopmax，pout,i表示第i台pcs所连接电池簇的电池当前实时输出功率pout；

12、当系统处于充电状态时，sopmax,i取最大充电功率上限的绝对值，pout,i取当前充电功率的绝对值。

13、进一步地，所述基于电化学状态感知的储能pcs下垂控制方法中，所述s3包括：

14、s31、根据各电池簇的电池直流内阻rbat，计算所有并联运行的pcs的电池直流内阻平均值ravg：

15、；

16、其中,n为并联运行的pcs的数量，rbat,i表示第i台pcs所连接电池簇的电池直流内阻rbat；

17、s32、构建第i台pcs的综合调节因子δi：

18、；

19、其中，ε为预设的正小数，用于防止除零错误；δi越大表示pcs老化越严重、动态裕度越小，在暂态扰动中应承担越少的额外功率。

20、进一步地，所述基于电化学状态感知的储能pcs下垂控制方法中，所述s4包括：

21、s41、实时检测电网频率偏差δf=|f-f0|，其中，f为电网实时频率，f0为额定频率；

22、s42、当δf≤δfth时，判定系统处于稳态，各pcs采用额定下垂系数m0，确保ems下发的稳态功率调度指令精准执行；其中，δfth表示预设的频率偏差阈值；

23、s43、当δf>δfth时，判定系统处于暂态扰动状态，各pcs的下垂系数根据所述综合调节因子δi进行自适应修正：

24、mi=m0×δi；

25、其中，mi表示自适应修正后的下垂系数；

26、s44、在相同的电网频率偏差δf下，按照以下计算公式，计算各pcs的暂态扰动功率δpi，以实现不同pcs之间暂态扰动功率的差异化分配：

27、。

28、进一步地，所述基于电化学状态感知的储能pcs下垂控制方法中，在所述s42中，当δf从小于或等于δfth上升至大于δfth+δfhys)时，系统由稳态切换为暂态扰动状态；其中，δfhys表示滞回宽度；

29、在所述s43中，当δf从大于δfth下降至小于或等于δfth-δfhys时，系统由暂态扰动状态切换为稳态。

30、进一步地，所述基于电化学状态感知的储能pcs下垂控制方法中，所述s5包括：

31、s51、实时校验各pcs的暂态扰动功率是否超出sop的上限sopmax,i：

32、若是放电方向，则校验是否pout,i+δpi≤sopmax,i；

33、若是充电方向，则校验是否|pout,i+δpi|≤|sopmax,i|；

34、s52、若校验通过，则维持所述s4自适应修正后的下垂系数；

35、s53、若校验不通过，则强制将对应pcs的综合调节因子δi向1收敛，使其下垂系数恢复至m0或高于m0，降低其扰动功率承担量；

36、s54、若经所述s53调整后仍超出sop上限，则触发协同降额模式，将所有并联运行的pcs的总扰动功率需求按各pcs的sop裕度比例重新分配；

37、s55、若经协同降额后系统总扰动支撑能力仍无法满足电网需求，则触发限功率运行模式，主动将功率指令限制在sopmax,i以内，并向ems上报功率受限状态信号。

38、进一步地，所述基于电化学状态感知的储能pcs下垂控制方法中，在所述s5之后，所述方法还包括：

39、s6：返回执行所述s1-s5，动态更新所述综合调节因子δi与各pcs的下垂系数。

40、进一步地，所述基于电化学状态感知的储能pcs下垂控制方法中，所述s6包括：

41、s61、采用事件触发与周期更新的双重更新机制，返回执行所述s1-s5，动态更新所述综合调节因子δi与各pcs的下垂系数；

42、s62、各pcs的下垂系数通过一阶惯性滤波进行平滑更新：

43、；

44、其中，mi(t)表示第i台pcs在当前时刻t实际投入使用的下垂系数；t表示当前时刻；α表示滤波系数；δt表示控制周期；mi,target表示目标下垂系数。

45、进一步地，所述基于电化学状态感知的储能pcs下垂控制方法中，所述事件触发的条件包括以下至少一种：

46、任一电池簇的电池荷电状态soc的变化量超过预设的soc阈值δsocth；

47、任一电池簇的电池健康状态soh的变化量超过预设的soh阈值δsohth；

48、任一电池簇的电池当前可用充放电功率上限sopmax的变化量超过预设的sopmax阈值δsopth；

49、任一电池簇的电池直流内阻rbat的变化量超过预设的rbat阈值δrth；

50、系统充放电状态发生切换。

51、进一步地，所述基于电化学状态感知的储能pcs下垂控制方法中，所述周期更新为每隔固定时间间隔tupdate。

52、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

53、1、填补了ems稳态调度与pcs暂态响应之间的控制空白。本发明首次将bms的sop动态裕度引入pcs的暂态下垂控制，通过动态功率裕度系数实时反映各pcs逼近sop上限的程度，实现了全时间尺度的电池能力感知与控制适配，从根本上解决了“稳态有约束、暂态无约束”的控制盲区问题。

54、2、实现了暂态扰动下的差异化分配，避免老化电池过载。通过综合调节因子融合电池内阻（反映老化程度）和动态裕度（反映逼近sop上限的程度），使健康电池在暂态扰动中多出力、老化电池少出力，消除了并联系统中的“木桶效应”隐患。

55、3、稳态与暂态分模式控制，互不干扰。在稳态下保持固定下垂系数，确保ems调度指令精准执行；在暂态下自适应调整下垂系数，实现智能化扰动分配。两种模式通过滞回机制平滑切换，既保证了稳态精度，又实现了暂态优化。

56、4、sop硬约束实时校验，确保绝对安全。在自适应调整的基础上，增设sop上限实时校验机制，在任何情况下均确保pcs暂态功率不超出bms给定的sop硬限制，避免了传统方案中“先越限、后跳闸”的被动保护模式。

57、5、实现了bms与pcs在暂态时间尺度上的协同。将bms的sop信息从“仅用于ems稳态调度”拓展为“同时用于pcs暂态控制”，打通了bms→pcs的直接控制通道，实现了电池管理系统与变流器控制系统在暂态时间尺度的深度协同。

58、6、有效延长电池寿命，提升系统全生命周期价值。在电池状态不利时主动降低该pcs的暂态扰动承担量，减少高倍率冲击和过度应力对电池的影响，有效减缓电池老化速度，延长储能系统的有效服役周期。

59、7、量化效果验证表明，采用本发明后，在相同频率跌落场景下，老化pcs的sop裕度可保持在安全范围内，成功避免跳闸风险，系统持续稳定运行。

60、8、工程兼容性好，实施成本低。本发明不依赖对储能变流器主电路或电池系统硬件拓扑的改动，仅需在pcs控制器中增加相应的软件算法模块，具备良好的工程兼容性和可移植性。