一种基于自适应调节因子的蓄电池荷电状态的均衡方法

1.本发明属于直流组网运行控制技术领域，涉及一种基于自适应调节因子的蓄电池荷电状态的均衡方法。


背景技术：

2.随着全球贸易和航运业的发展，化石能源逐渐枯竭，船舶污染排放问题日益突出。以新能源发电为主的船舶分布式发电技术得到了广泛关注。相比船舶交流组网方式，船舶直流组网成本低且无频率、相位等问题，更适合新能源接入，发展前景日益广阔。由于考虑成本、安全和技术等原因，通常在电力推进船舶上配备多台蓄电池储能单元(besu)，besus通过变换器并联于直流母线为全船提供动力，变换器起到控制输出电压和抑制besus间环流的作用，比如最近下水的“yara birkeland”和“君旅号”等纯电动船舶，均是采用此类技术。然而由于生产过程、存放条件以及使用过程中存在的差异，各besu会出现soc不一致的问题，而soc的不均衡严重时会导致部分besu提前退出运行，加快剩余besu的放电速度，影响储能系统寿命和船舶直流组网的稳定性。因此besus间的功率分配及soc均衡问题得到广泛研究。
3.下垂控制作为对等控制中的一种方法常常用作直流组网的基本控制，为了保证蓄电池安全和实现功率精确分配。在文献
1.中将函数和soc结合，该方法操作难度低，但均流效果差。在文献
2.中通过将soc与指数函数联系起来设置下垂系数来实现soc均衡。该方法通过引入指数n来实现soc均衡，以加速soc的收敛，然后通过增大下垂系数来减弱线路阻抗失配带来的影响。该方法可以实现soc平衡和功率分配，但过大的下垂系数会使母线电压严重偏离给定值，影响系统的稳定性。文献
3.提出的基于反正切函数的自适应下垂控制虽然可以限制下垂系数，但由于反正切函数的特性，需要适当设置初始下垂系数等限制条件，否则反向充电时，下垂系数可能为负，导致soc差值变大。文献
4.提出反余切函数的自适应下垂控制策略，由于函数本身总是大于0小于π，因此可以保证下垂系数限制在一定范围内，最终实现soc的均衡。
4.由于多台besus并联运行，传统下垂控制会导致部分蓄电池提前退出运行，出现“过充过放”现象，使蓄电池能量无法得到充分利用，影响蓄电池的使用寿命。


技术实现要素：

5.为了解决由于多台besus并联运行，传统下垂控制会导致部分蓄电池提前退出运行，出现“过充过放”现象，使蓄电池能量无法得到充分利用，影响蓄电池的使用寿命问题，本发明提供本发明采用的技术方案是：一种基于自适应调节因子的蓄电池荷电状态的均衡控制方法，包括以下步骤：
6.获取多个蓄电池的输出电流，基于安时积分法获得每个蓄电池的荷电状态；
7.利用蓄电池本地荷电状态与其直接相邻蓄电池荷电状态之间的通信，采用改进的一致性算法计算获得所有蓄电池的平均值；
8.结合下垂控制，将所有蓄电池的平均值通过荷电状态均流算法生成下垂系数；
9.将下垂系数与dc/dc变换器输出端的电流求积得到传送到双闭环控制层；
10.将采集到的负载两侧的母线电压与理想电压值求差，得到用于增加电压跌落补偿来维持母线电压稳定的差值i，将得到的差值i传送到双闭环控制层；
11.利用得到下垂系数和dc/dc变换器输出端的电压和电流，通过功率补偿算法，得到用来消除线路阻抗带来的均流误差的功率补偿值，传送到双闭环控制层；
12.将母线输出电压的理想电压和差值i、功率补偿值求和，所求和再与下垂跌落单元与母线电压作差，得到差值ii；
13.所述差值ii经过电压电流控制，得到控制信号i；
14.所述控制信号i经过脉宽调制技术调解，实现稳定输出电压和达到多个蓄电池的荷电状态均衡生成控制信号ii。
15.进一步地，所述下垂系数r
droopi
采用的公式为：
[0016][0017]
其中：r
droopi
表示下垂系数；k
d0
、θ和p为平衡调节因子，soci是besus间soc值，soc
av
是besus间soc的平均值。
[0018]
进一步地，所述用于消除线路阻抗带来的均流误差，具体方法如下所示：
[0019][0020]
其中：为线路阻抗补偿，理想单位输出电压，v
i*
是第i台单位输出电压，k
p
和ki是pi控制器i的pi值。
[0021]
进一步地，所述电压跌落补偿的形式为：
[0022][0023]
其中：v
dci
是变换器理想输出电压，v
dci
是变换器实际输出电压，δvi为期望值和输出电压的偏差，k'
p
和k'i是pi控制器ii的pi值。
[0024]
一种基于自适应调节因子的蓄电池荷电状态的均衡控制单元，包括：
[0025]
荷电状态获取模块：用于获取多个蓄电池的输出电流，基于安时积分法获得每个蓄电池的荷电状态；
[0026]
平均值获取模块：用于利用蓄电池本地荷电状态与其直接相邻蓄电池荷电状态之间的通信，采用改进的一致性算法计算获得所有蓄电池的平均值；
[0027]
下垂系数生成模块：结合下垂控制，将所有蓄电池的平均值通过荷电状态均流算法生成下垂系数；
[0028]
下垂跌落单元模块：用于将下垂系数与dc/dc变换器输出端的电流求积，得到的积值传送到双闭环控制层；
[0029]
电压补偿单元模块：用于将采集到的负载两侧的母线电压与理想电压值求差，得到用于增加电压跌落补偿来维持母线电压稳定的差值i，将得到的差值i传送到双闭环控制层；
[0030]
功率补偿单元模块：利用得到下垂系数和dc/dc变换器输出端的电压和电流，通过功率补偿算法，得到用来消除线路阻抗带来的均流误差的功率补偿值，传送到双闭环控制层；
[0031]
差值计算模块，用于将母线输出电压的理想电压和差值i、功率补偿值求和，求和后和值再与积值及母线电压作差，得到差值ii，
[0032]
双控模块，用于将所述差值ii经过电压和电流控制，得到控制信号i；
[0033]
脉宽调制技术调解模块，用于将所述控制信号i经过脉宽调制技术(pwm)调解，实现稳定输出电压和达到多个蓄电池的荷电状态均衡生成控制信号ii。
[0034]
一种基于自适应调节因子的电力推进船舶蓄电池soc均衡装置，包括：
[0035]
调制电压、稳定母线电压的双向dc/dc变换器单元，所述双向dc/dc变换器单元与直流母线相连接；
[0036]
提供负载和蓄电池所需要的功率的光伏单元；所述光伏单元提供负载和蓄电池所需要的功率，通过dc/dc变换器单元连接到直流母线；
[0037]
当光伏功率不足以维持负载功率消耗时，为负载提供功率，并且起到稳定母线电压的作用的蓄电池单元；所述蓄电池单元通过dc/dc变换器单元连接到直流母线；
[0038]
控制dc/dc变换器单元的关断，达到控制母线电压的目的的均衡控制单元所述均衡控制单元与dc/dc变换器单元及直流母线相连接；
[0039]
放大均衡控制单元信号，控制igbt关断的驱动单元，所述驱动单元与所述dc/dc变换器、均衡控制单元相连接。
[0040]
本发明提供的一种基于自适应调节因子的蓄电池荷电状态的均衡方法，该方法通过改进传统下垂控制的控制结构，使其同时解决荷电状态(soc)不一致和母线电压跌落问题，同时设计了功率补偿和电压补偿环节，实现母线电压恢复的同时，消除线路阻抗不一致对soc均衡精度的影响，引入了动态的改进的一致性算法来估算全局平均信息，各besu仅需通过稀疏通信网络与相邻节点进行交换信息就能实现相关平均信息稳定收敛，释放了通信压力，入荷电状态(soc)均衡策略，确保每个蓄电池能够根据自身soc合理分配自身功率；通过各besu的soc动态变化来自适应调整下垂系数，引用反余切函数解决下垂系数过大引起的母线电压跌落问题，并引入三个soc平衡调整因子加快soc收敛速度，解决传统soc后期均衡较慢问题。
附图说明
[0041]
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。
[0042]
图1是本发明采用的系统整体控制框图；
[0043]
图2是本发明采用的并联系统整体控制框图；
[0044]
图3(a)中的传统的集中式通信拓扑图，(b)本发明采用的环形通信拓扑图搭建动态一致性方法；
[0045]
图4是本发明的采用的直流推进船舶微电网结构图；
[0046]
图5(a)是三台besu的输出电压图，(b)是三台besu的soc图；(c)三台besu的输出电流图；
[0047]
图6(a)是三台besu的输出电压图，(b)三台besu的soc图；(c)三台besu的输出电流图。
具体实施方式
[0048]
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。
[0049]
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。
[0050]
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。
[0051]
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。
[0052]
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。
[0053]
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。
[0054]
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。
[0055]
图1是本发明采用的系统整体控制框图，电力推进船舶直流组网主要由储能设备、电压变换器、推进电机等负载组成，其典型结构如图1所示，电力推进船舶由充电单元进行充电，在运行过程中由蓄电池进行供电，维持母线电压和功率平衡。蓄电池通过dc/dc变换器并联在母线上，每个besu有相对应的控制器，采用分层控制结构，分为一次控制层、二次控制层和通信层。从而满足电力推进船舶的功率需求，保障船舶的安全运行。
[0056]
图2是本发明本发明采用的并联系统整体控制框图，首先初始化参数，判断系统采用是否充放电，设计了一个可变因子p，以加快电流和soc差值较小时的收敛速度。调节因子p不是固定的，而是以每个蓄电池自身soc和平均soc差的绝对值为判定条件。间隔增加，防止持续增加导致下垂系数反向增加。
[0057]
一种基于自适应调节因子的蓄电池荷电状态的均衡方法，包括以下步骤：
[0058]
获取多个蓄电池的输出电流，基于安时积分法获得每个蓄电池的荷电状态；
[0059]
利用蓄电池本地荷电状态与其直接相邻蓄电池荷电状态之间的通信，采用改进的一致性算法计算获得所有蓄电池的平均值；
[0060]
结合下垂控制，将所有蓄电池的平均值通过荷电状态均流算法生成下垂系数；
[0061]
将下垂系数与dc/dc变换器输出端的电流求积得到传送到双闭环控制层；
[0062]
将采集到的负载两侧的母线电压与理想电压值求差，得到用于增加电压跌落补偿来维持母线电压稳定的差值i，将得差值i传送到双闭环控制层；
[0063]
利用得到下垂系数和dc/dc变换器输出端的电压和电流，通过功率补偿算法，得到用来消除线路阻抗带来的均流误差的功率补偿值，传送到双闭环控制层；
[0064]
将母线输出电压的理想电压和差值i、功率补偿值求和，所求和再与下垂跌落单元与母线电压作差，得到差值ii；
[0065]
所述差值ii经过电压电流控制，得到控制信号i；
[0066]
所述控制信号i经过脉宽调制技术调解，实现稳定输出电压和达到多个蓄电池的荷电状态均衡生成控制信号ii。
[0067]
通过安时积分法获得每个蓄电池的荷电状态如下所示：
[0068][0069]
其中：soci(0)和soci(t)是第i个储能单元初始soc值和t时刻的soc值，c
ni
是第i个蓄电池的额定容量，ηi为第i个蓄电池的充放电效率，本技术取1，i
dci
是变换器的输出电流。
[0070]
对两台相同dc/dc变换器(变换器i和变换器ii)进行分析，传统下垂控制下的dc/dc变换器输出电流值比为：
[0071]
[0072]
其中：i
dc1
和i
dc2
是变换器i和变换器ii的理想输出电流，r1和r2是esui和esuii的线路阻抗，r
droop1
和r
droop2
是esui和esuii的下垂系数。
[0073]
蓄电池的输出电压相同，如果忽略变换器的损耗，可以得到以下方程式：
[0074]
p
in-i
＝p
out-i
＝v
dciidci
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0075]
其中：p
in-i
和p
out-i
是第i个变换器的输入和输出功率，v
dci
是第i个变换器的输出电压，结合式子(1)和(3)，安时积分法可以写成：
[0076][0077][0078]
结合(2)和(4)，我们可以得到公式(5)，可以看出soc均衡与变换器线路阻抗和下垂系数以及蓄电池额定容量有关。将soc与下垂系数相结合，提出一种基于soc的自适应下垂控制方法，实现电流均衡目标，改进后的下垂系数如下所示，当蓄电池放电时下垂系数r
droopi
为：
[0079][0080]
当蓄电池进行充电时：
[0081][0082][0083]
为了减小母线电压偏差和线路阻抗偏差，用一种二次母线电压补偿控制，包括功率补偿和电压补偿控制；
[0084]
线路阻抗补偿叠加在每个变换器的参考输出电压上，用来消除线路阻抗带来的均流误差，具体方法如下所示：
[0085][0086]
其中：为线路阻抗补偿，理想单位输出电压，v
i*
是第i台单位输出电压，k
p
和ki是pi控制器i的pi值。
[0087][0088][0089][0090]
其中：是单位平均输出电压，是第n台单位输出电压，i
rate-i
是虚拟单位输出电流，δv
max
是所允许的最大电压偏差，p
out-i
是第i个变换器的输出功率，当(12)满足时，可
以抵消掉不同线路电阻对soc均衡的影响，从而达到功率精确分配的目的。
[0091]
由于采用下垂控制会引起母线电压跌落，导致母线的电压低于其额定值。因此，增加了电压跌落补偿来维持母线电压稳定，电压跌落补偿的形式为：
[0092][0093]
其中：v
dci
是变换器理想输出电压，v
dci
是变换器实际输出电压，δvi为期望值和输出电压的偏差，k'
p
和k'i是pi控制器ii的pi值。
[0094]
综上所述，我们可以推导出新的下垂公式
[0095][0096]
和δvi有效的解决了下垂控制和线路电阻不一致影响soc平衡的问题，可以实现母线电压恢复和负载电流的精确均流。
[0097]
通过使用改进的动态一致性方法从其它单元获取信息，仅使用直接相邻besu之间的通信，并且在本地就能估算出全局平均信息。图3(a)中的传统的集中式通信拓扑图，(b)本发明采用的环形通信拓扑图搭建动态一致性方法。
[0098]
动态一致性算法用于在变量动态变化中获得收敛性。在本文中，使用一种改进的一致性算法，用于实现分布式变换器之间的soc信息共享和协调，改进的一致性算法其数学表达式如下所示:
[0099][0100]
δ
ij
(k 1)＝η
ij
·
(xj(k)-xi(k)) δ
ij
(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0101]
其中x＝[soc,v
*
]，xi(0)是本地的测量数据，xi(k)迭代k次信息状态，ε是代理之间的恒定边缘权重。δ
ij
(k)是两个代理之间的累积误差，开始我们定义δ
ij
(0)等于0。η
ij
表示的是本地控制器i和本地控制器j的连接状态，若连接，则η
ij
＝1，若没有连接则η
ij
＝0。
[0102][0103]
其中l是关于通信网络的拉普拉斯对称矩阵，λ1(l)和λ
n-1
(l)分别是矩阵l的最大特征值和第二小特征值。根据矩阵的特征值，我们可以得到最优ε＝1/3。
[0104]
一种基于自适应调节因子的蓄电池荷电状态的均衡控制单元，包括：
[0105]
荷电状态获取模块：用于获取多个蓄电池的输出电流，基于安时积分法获得每个蓄电池的荷电状态；
[0106]
平均值获取模块：用于利用蓄电池本地荷电状态与其直接相邻蓄电池荷电状态之间的通信，采用改进的一致性算法计算获得所有蓄电池的平均值；
[0107]
下垂系数生成模块：结合下垂控制，将所有蓄电池的平均值通过荷电状态均流算法生成下垂系数；
[0108]
下垂跌落单元模块：用于将下垂系数与dc/dc变换器输出端的电流求积，得到的积值传送到双闭环控制层；
[0109]
电压补偿单元模块：用于将采集到的负载两侧的母线电压与理想电压值求差，得到用于增加电压跌落补偿来维持母线电压稳定的差值i，将得到的差值i传送到双闭环控制层；
[0110]
功率补偿单元模块：利用得到下垂系数和dc/dc变换器输出端的电压和电流，通过功率补偿算法，得到用来消除线路阻抗带来的均流误差的功率补偿值，传送到双闭环控制层；
[0111]
差值计算模块，用于将母线输出电压的理想电压和差值i、功率补偿值求和，求和后和值再与积值及母线电压作差，得到差值ii，
[0112]
双控模块，用于将所述差值ii经过电压和电流控制，得到控制信号i；
[0113]
脉宽调制技术调解模块，用于将所述控制信号i经过脉宽调制技术(pwm)调解，实现稳定输出电压和达到多个蓄电池的荷电状态均衡生成控制信号ii。
[0114]
图4是本发明的采用的直流推进船舶微电网结构图；一种基于自适应调节因子的电力推进船舶蓄电池soc均衡装置，其特征在于：包括：
[0115]
调制电压、稳定母线电压的双向dc/dc变换器单元，所述双向dc/dc变换器单元与直流母线相连接；
[0116]
提供负载和蓄电池所需要的功率的光伏单元；所述光伏单元提供负载和蓄电池所需要的功率，通过dc/dc变换器单元连接到直流母线；
[0117]
当光伏功率不足以维持负载功率消耗时，为负载提供功率，并且起到稳定母线电压的作用的蓄电池单元；所述蓄电池单元通过dc/dc变换器单元连接到直流母线；
[0118]
控制dc/dc变换器单元的关断，达到控制母线电压的目的的均衡控制单元所述均衡控制单元与dc/dc变换器单元及直流母线相连接；
[0119]
放大均衡控制单元信号，控制igbt关断的驱动单元，所述驱动单元与所述dc/dc变换器、均衡控制单元相连接。
[0120]
为了验证本发明的有效性，通过matlab/simulink软件进行仿真验证，图5(a)是三台besu的输出电压图，(b)是三台besu的soc图；(c)三台besu的输出电流图，besus工作在在放电模式，soc较低的besu2和besu3放电电流较大，由于收敛因子p的作用，在t＝6秒和t＝9秒时收敛加快，缩短了均衡时间，在t＝33秒左右soc达到平衡，此时负载电流均匀分配。提出的电压补偿策略可以将母线电压稳定在给定值。
[0121]
图6(a)是三台besu的输出电压图，(b)三台besu的soc图；(c)三台besu的输出电流图，soc较低的besu2和besu3充电电流较大，由于收敛因子p的作用，在t＝12秒和t＝13秒时收敛加快，在t＝33秒左右soc达到平衡并且负载电流均匀分配，母线电压始终稳定在给定值，验证所提算法的有效性。
[0122]
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。
[0123]
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