一种孤岛能量路由器直流微网的协同控制方法及系统与流程

本发明涉及孤岛运行直流微电网及能量路由器控制，具体涉及一种孤岛能量路由器直流微网的协同控制方法及系统。

背景技术：

1、孤岛能量路由器作为独立微电网的核心设备，用于整合光伏、储能等分布式能源，并为本地负荷提供稳定供电。在孤岛运行模式下，系统缺乏大电网的支撑，其电压稳定性完全依赖于本地分布式电源与储能单元。为提高供电可靠性，孤岛能量路由器常采用分布式多储能架构。

2、然而，现有技术主要存在以下缺陷：

3、直流母线惯量不足，电压动态偏差大、稳定性差。传统下垂控制、电压闭环控制、固定虚拟电容控制等方式，系统等效惯量固定或偏小，难以应对光伏随机波动、充电负荷冲击、储能投切扰动，会导致系统内功率瞬时不平衡，引发直流母线电压剧烈波动，影响电能质量。

4、多储能soc差异大、离散加剧、功率分配失衡孤岛能量路由器常采用多储能并联架构提高可靠性，但各储能初始soc不一致、充放电速率差异、响应特性不同，传统等比例或固定下垂控制易出现soc高者长期过放、soc低者长期闲置、部分储能过充过放、部分储能长期欠充，导致储能寿命衰减、系统效率下降、运行经济性差。

5、惯量控制与soc均衡控制相互独立、耦合性差、控制结构复杂。现有惯量增强控制与soc均衡控制多为两套独立控制回路，参数难以协调、易相互干扰、控制结构复杂、工程实现难度大；特别是传统的虚拟惯性控制（如模拟同步电机特性）设计复杂，参数难以整定，且未考虑储能单元soc状态对惯量支撑能力的限制。例如，在soc较低时进行强惯量支撑可能会加剧电池过放风险；而在soc过高时进行充电均衡也可能导致过充。

6、因此，亟须一种能够综合考虑储能soc状态和系统动态功率需求，协调优化soc均衡和电压惯量支撑的控制方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于如何解决孤岛多源直流系统中光伏波动、负荷冲击及多储能soc差异导致的母线电压波动大、功率分配失衡、soc离散加剧等问题。

2、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题：一种孤岛能量路由器直流微网的协同控制方法，包括：

3、采集各分布式储能单元的荷电状态以及各储能单元的输出电流；

4、根据各储能单元的荷电状态计算荷电状态平均值，并根据各储能单元的荷电状态与所述荷电状态平均值的差值，得到各储能单元的荷电状态偏差；

5、针对各储能单元，将该储能单元的荷电状态偏差和输出电流作为双输入双输出模糊控制器的输入量，所述双输入双输出模糊控制器根据预设的模糊规则库输出该储能单元的下垂系数和惯量自适应增益；所述模糊规则库根据输入量的模糊子集构建，所述输入量为荷电状态偏差和输出电流，所述模糊规则库中存储有所述输入量的模糊子集与下垂系数、惯量自适应增益之间的对应关系；

6、根据所述下垂系数，按照预设的下垂控制关系，得到各储能单元的电压参考的基础分量；

7、将所述惯量自适应增益作为一阶高通滤波环节的增益系数，将各储能单元的输出电流输入一阶高通滤波环节，由一阶高通滤波环节输出对应输出电流的高频分量，根据所述高频分量和所述增益系数确定各储能单元的虚拟电容值，并根据虚拟电容值得到各储能单元的惯量补偿电压；

8、将电压参考的基础分量与惯量补偿电压叠加，得到各储能单元的电压参考指令；

9、根据所述电压参考指令生成各储能单元的电流参考值，将各电流参考值送入各储能单元的dc/dc变换器电流环，通过pwm调制实现闭环控制。

10、进一步的，所述双输入双输出模糊控制器的输入量中，所述荷电状态偏差的归一化论域为[-1,1]，其模糊语言变量设为verylow、low、medium、high、veryhigh五档，各档对应的隶属度函数分别为三角形隶属度函数，五档三角形的峰顶点在所述论域[-1,1]内等间隔分布；

11、所述储能单元输出电流的归一化论域为[-1,1]，所述储能单元输出电流的模糊语言变量设为n、p两档，n对应充电状态，p对应放电状态，各档对应的隶属度函数分别为梯形隶属度函数。

12、进一步的，所述模糊规则库中的模糊规则在输出电流为放电状态p时执行：

13、若所述荷电状态偏差的模糊语言变量为high或veryhigh，则输出的下垂系数位于所述归一化论域[-1,1]的负向半区，输出的惯量自适应增益位于所述归一化论域[-1,1]的正向半区；

14、若所述荷电状态偏差的模糊语言变量为medium，则输出的下垂系数及惯量自适应增益均位于所述归一化论域[-1,1]中medium模糊子集的峰顶点处；

15、若所述荷电状态偏差的模糊语言变量为low或verylow，则输出的下垂系数位于所述归一化论域[-1,1]的正向半区，输出的惯量自适应增益位于所述归一化论域[-1,1]的负向半区。

16、进一步的，所述模糊规则库中的模糊规则在输出电流为充电状态n时执行：

17、若所述荷电状态偏差的模糊语言变量为high或veryhigh，则输出的下垂系数位于所述归一化论域[-1,1]的正向半区，输出的惯量自适应增益位于所述归一化论域[-1,1]的正向半区；

18、若所述荷电状态偏差的模糊语言变量为medium，则输出的下垂系数及惯量自适应增益均位于所述归一化论域[-1,1]中medium模糊子集的峰顶点处；

19、若所述荷电状态偏差的模糊语言变量为low或verylow，则输出的下垂系数位于所述归一化论域[-1,1]的负向半区，输出的惯量自适应增益位于所述归一化论域[-1,1]的负向半区。

20、进一步的，所述下垂系数和所述惯量自适应增益的模糊语言变量均设为verysmall、small、medium、large、verylarge五档，所述下垂系数和所述惯量自适应增益的归一化论域均为[-1,1]。

21、进一步的，基于所述下垂系数，通过下垂控制方程得到第个储能单元的调制电压参考值，下垂控制方程表示为：

22、

23、其中，为母线参考电压，为第个储能单元的输出电流，为模糊控制器输出的下垂系数。

24、进一步的，在所述下垂控制方程中引入一阶高通滤波环节，改进后的下垂控制方程为：

25、

26、其中，为引入下垂和高通滤波环节时该储能单元的电压最终指令值，为该储能单元的模糊控制器输出的下垂系数，为该储能单元的输出电流，为一阶高通滤波器传递函数，为惯量自适应增益，为截止频率，为拉普拉斯复频域算子。

27、进一步的，所述虚拟电容的计算公式为：

28、

29、其中，为直流母线实际支撑电容，为蓄电池端口等虚拟电阻。

30、本发明还提供一种孤岛能量路由器直流微网的协同控制系统，包括：

31、数据采集模块，用于采集各分布式储能单元的荷电状态以及各储能单元的输出电流；

32、荷电状态偏差计算模块，用于根据各储能单元的荷电状态计算荷电状态平均值，并根据各储能单元的荷电状态与所述荷电状态平均值的差值，得到各储能单元的荷电状态偏差；

33、模糊控制模块，包括为各储能单元分别配置的双输入双输出模糊控制器，针对任一储能单元，将该储能单元的荷电状态偏差和输出电流作为对应双输入双输出模糊控制器的两个输入量，所述对应双输入双输出模糊控制器根据预设的模糊规则库输出该储能单元的下垂系数和惯量自适应增益；所述模糊规则库根据输入量的模糊子集构建，所述输入量为荷电状态偏差和输出电流，所述模糊规则库中存储有所述输入量的模糊子集与下垂系数、惯量自适应增益之间的对应关系；

34、下垂控制模块，用于根据所述下垂系数，按照预设的下垂控制关系，得到各储能单元的电压参考的基础分量；

35、惯量补偿模块，用于将所述惯量自适应增益作为一阶高通滤波环节的增益系数，将各储能单元的输出电流输入一阶高通滤波环节，由一阶高通滤波环节输出对应输出电流的高频分量，根据所述高频分量和所述增益系数确定各储能单元的虚拟电容值，并根据虚拟电容值得到各储能单元的惯量补偿电压；

36、电压参考指令生成模块，用于将电压参考的基础分量与惯量补偿电压叠加，得到各储能单元的电压参考指令；

37、闭环控制模块，用于根据所述电压参考指令生成各储能单元的电流参考值，将各电流参考值送入各储能单元的dc/dc变换器电流环，通过pwm调制实现闭环控制。

38、本发明还提供一种处理设备，包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行上述方法步骤。

39、本发明的优点在于：

40、1）本发明通过惯量自适应控制，动态生成虚拟电容，等效惯量显著提升，动态偏差减小，抗扰动能力增强，有效解决孤岛直流微网低惯量、电压波动大、稳定性差的问题。

41、2）本发明基于模糊逻辑动态调节下垂系数，精准控制各储能充放电速率，实现多储能soc均衡，提升系统运行经济性与可靠性。

42、3）本发明采用同一双输入双输出模糊控制器同步输出下垂系数和惯量自适应增益，使soc均衡控制与惯量增强控制在同一控制周期内完成决策，无需设置两套独立控制回路，避免了传统分步控制中参数整定困难和控制量相互干扰的问题。

43、4）本发明无需建立孤岛能量路由器直流微网的精确数学模型，仅需常规测量信号，对光伏随机波动、负荷冲击、储能老化等复杂工况适应性强，鲁棒性好，参数整定简单，实际运行效果稳定可靠。

44、5）本发明在抑制直流母线电压波动的同时实现各储能单元soc均衡，兼顾了系统电压稳定性、功率分配均衡性和储能运行安全性。