1.本发明涉及水电站柴油发电机组控制
技术领域：
：，具体涉及一种应用于水电站柴油发电机黑启动的混合储能系统功率优化分配控制方法。
背景技术：
：：2.目前设计水电站柴油发电机组的调速系统时，依然大多采用传统pid控制，通过对比例放大系数kp、积分系数ki以及微分系数kd的调整实现快速调速的功能。但是采用传统pid控制方法作为柴油机调速系统的控制方法，一旦确定下来kp、ki以及kd三个系数之后，无法在系统运行时根据不同的需求进行改变，导致调节速度以及超调量不能得到很好的控制。3.现在有越来越多的专家学者们开始把模糊控制的思想加入到柴油发电机组的转速调节控制中。不过，传统模糊pid控制方法，依旧只是针对柴油调速系统自身的调速性能做出了改进，当干扰过大时，无法达到有效的控制，特别是应用于水电站黑启动时，由于调速器液压系统、水导油循环系统以及高压油系统等各系统油泵电机启停，厂用电负载功率会随时变化，因此，如果直接仅单一采用传统模糊pid控制方式，黑启动情况下，在负载启停时，厂用电系统的电压和频率势必会出现较大的波动。技术实现要素：4.为解决上述技术问题，本发明提供一种应用于水电站柴油发电机黑启动的混合储能系统功率优化分配控制方法，旨在利用混合储能系统，并采用混合储能系统功率优化分配控制方法，从外部加强系统调节功能，并检测蓄电池和超级电容的soc，通过功率优化分配控制策略改变蓄电池和超级电容的充放电功率，在黑启动情况下，当负载启停时，减小厂用电系统的电压和转速的调节时间和超调量，提高系统电压频率的控制性能。5.本发明采取的技术方案为：6.一种应用于水电站柴油发电机黑启动的混合储能系统，包括：7.蓄电池、超级电容、第一双向dc/dc变换器、第二双向dc/dc变换器、双向pwm变换器、8.蓄电池两极连接第一双向dc/dc变换器的一侧；9.超级电容两端连接第二双向dc/dc变换器的一侧；10.第一双向dc/dc变换器的另一侧并联连接电容c1两端；11.第二双向dc/dc变换器的另一侧并联连接电容c1两端，电容c1起到稳压滤波作用。12.双向pwm变换器的一侧并联连接电容c1两端；13.双向dc/ac变换器另一侧连接变压器一侧；14.变压器另一侧连接柴油发电机组。15.所述第一双向dc/dc变换器、第二双向dc/dc变换器均采用buck/boost型双向dc/dc变换器。16.当柴油发电机系统处于稳定工作状态时，混合储能系统停机，此时柴油发电机系统、混合储能系统和三相负载依然满足式(1)关系；但当柴油发电机系统发生波动时：17.δp＝pdiesel+phess-pload(3)；18.式中：phess为混合储能功率，pdiesel为柴油发电机输出功率；pload为负载功率，△p为系统功率变化量。19.当负载突卸，即pload减小时，此时pdiesel＞pload，△p＞0，可令phess＜0负向增大，吸收整个系统包括柴油发电机系统、混合储能系统和三相负载功率的增加量，从而减小三相交流电电压的上升、频率的增大；20.当负载突加，即pload增大时，此时pdiesel＜pload，△p＜0，可令phess＞0正向增大，补充整个系统包括柴油发电机系统、混合储能系统和三相负载功率的不足，从而抑制三相交流电电压的下降、频率的减小。21.双向dc/dc变换器策略如下：22.设：ibat_ref为蓄电池指令电流，ibat为蓄电池实际电流，isc_ref为超级电容指令电流，isc为超级电容实际电流，dbat为蓄电池支路的第一双向dc/dc变换器占空比，dsc为超级电容支路的第二双向dc/dc变换器占空比。23.通过功率分配后，将指令功率分别除以电压，得到相应的指令电流，通过pi后得到占空比。24.比较器的作用是改变工作模式，比较器1工作、比较器2不工作时，双向dc/dc变换器工作在boost状态；比较器1不工作、比较器2工作时，双向dc/dc变换器工作在buck状态；蓄电池指令电流通过pi和比较器后控制第一双向dc/dc变换器；超级电容指令电流通过pi和比较器后控制第二双向dc/dc变换器。25.当指令电流＞0，此时混合储能系统工作在boost状态，发出功率；当指令电流＜0时，此时混合储能系统工作在boost状态，吸收功率。26.同时由于柴油发电机组在没有波动的情况下工作时，也不可能保证实际转速与参考转速100％一致，所以为了防止第一、第二双向dc/dc变换器频繁工作，当实际转速与参考转速误差较小，即指令电流较小时，第一、第二双向dc/dc变换器处于停机状态。27.双向pwm变换器控制策略为电压外环、电流内环的双环控制，其解耦后的控制方法如下：28.设：udc_ref为直流母线电压的参考值，udc为直流母线电压的实际值，id_ref为d轴电流的指令值，id为d轴电流的实际值，iq_ref为q轴电流的指令值，iq为q轴电流的实际值，ωl为滤波电感等效阻抗，ud_ref为d轴电压的指令值，ud为d轴电压的实际值，uq_ref为q轴电压的指令值，uq为q轴电压的实际值。29.当混合储能系统处于放电模式时，直流母线电容电压升高，udc_ref－udc＜0，指令电流id_ref＜0，故双向pwm变换器处于逆变模式，向柴油发电机组的发出功率；30.当混合储能系统处于充电模式时，直流母线电容电压降低，udc_ref－udc＞0，指令电流id_ref＞0，故双向pwm变换器处于整流模式，从柴油发电机组吸收功率。31.当混合储能系统总功率一定时，通过检测蓄电池和超级电容的soc以及系统充放电状态，改变pi控制器参数以及lpf中的时间常数τ，32.设定soc的放电死区阈值为socmin，即当soci(i＝bat(蓄电池)或sc(超级电容))＜socmin时，蓄电池和超级电容只能充电，不能放电；33.设定soc的放电减缓区阈值为soclow，即当socmin＜soci＜soclow时，蓄电池和超级电容正常充电，放电功率减小；34.设定soc的充电死区阈值为socmax，即当socmax＜soci时，蓄电池和超级电容不能充电，只能放电；35.设定soc的充电减缓区阈值为sochigh，即当sochigh＜soci＜socmax时，蓄电池和超级电容充电功率减小，正常放电；36.当soclow＜soci＜sochigh时，蓄电池和超级电容正常充放电。37.混合储能系统的功率优化分配控制方法如下：38.phess_ref为混合储能系统总指令功率，pbat_ref为蓄电池指令功率，psc_ref为超级电容指令功率。39.(1)当socbat＜socmin且phess_ref＞0时，关闭蓄电池的第一双向dc/dc变换器开关，使其处于停机状态，同时减小pi参数，令psc_ref＝phess_ref；40.(2)当socsc＜socmin且phess_ref＞0时，关闭超级电容的第二双向dc/dc变换器开关，使其处于停机状态，同时减小pi参数，令pbat_ref＝phess_ref；41.(3)当socmin＜socbat、socsc＜soclow且phess_ref＞0时，减小pi参数，τ不变；42.(4)当socmin＜socbat＜soclow，socsc＞soclow且phess_ref＞0时，pi参数不变，减小τ；43.(5)当socmin＜socsc＜soclow，socbat＞soclow且phess_ref＞0时，pi参数不变，增大τ；44.(6)当sochigh＜socsc＜socmax，socbat＜sochigh且phess_ref＜0时，pi参数不变，增大τ；45.(7)当sochigh＜socbat＜socmax，socsc＜sochigh且phess_ref＜0时，pi参数不变，减小τ；46.(8)当sochigh＜socbat、socsc＜socmax且phess_ref＜0时，减小pi参数，τ不变；47.(9)当socmax＜socbat且phess_ref＜0时，关闭蓄电池的双向dc/dc开关使其处于停机状态，同时减小pi参数，令psc_ref＝phess_ref；48.(10)当socmax＜socsc且phess_ref＜0时，关闭超级电容的双向dc/dc开关使其处于停机状态，同时减小pi参数，令pbat_ref＝phess_ref；49.当然，当负载没有波动时，可以关闭双向pwm变换器、以及混合储能系统功率分配，给定指令功率，此时满足：50.pbat_ref+psc_ref＝0(6)。51.混合储能系统的功率优化分配控制方法：52.①：当socbat＜socmin，且socsc＞sochigh时，令psc_ref＞0，即超级电容放电，此时pbat_ref＜0，蓄电池充电，使蓄电池脱离放电死区。53.②：当socsc＜socmin，且socbat＞sochigh时，令pbat＞0，即蓄电池放电，此时psc_ref＜0，超级电容充电，使超级电容脱离放电死区。54.③：当socbat＞socmax，且socsc＜soclow时，令pbat＞0，即蓄电池放电，此时psc_ref＜0，超级电容充电，使蓄电池脱离充电死区。55.④：当socsc＞socmax，且socbat＜soclow时，令psc_ref＞0，即超级电容放电，此时pbat_ref＜0，蓄电池充电，使超级电容脱离充电死区。56.本发明一种应用于水电站柴油发电机黑启动的混合储能系统功率优化分配控制方法，技术效果如下：57.1)本发明提出应用于柴油发电机组的混合储能系统功率优化分配控制策略方法，通过加入混合储能系统，从外部通过功率控制的方法加强系统调节功能，提高系统电压频率的控制性能。58.2)本发明方法采集蓄电池和超级电容的soc，采用混合储能系统的功率优化分配控制策略，通过改变pi控制器参数以及lpf中的时间常数τ，可以改变蓄电池和超级电容的充放电功率分配。59.3)仿真分析证明，在突加突卸50％的额定负载时，采用混合储能系统后，相对传统柴油发电机组的超调量及超调时间减少30％以上，采用本发明所述的混合储能的功率优化分配控制方法后，可以根据不同工况改变蓄电池和超级电容的充放电功率，证明了此方法的有效性与可靠性。附图说明60.图1是本发明一种应用于水电站柴油发电机黑启动的fuzzypid与混合储能系统协同控制系统结构图。61.图2是柴油发电机组结构图。62.图3是柴油机及其调速系统数学模型图。63.图4是混合储能系统拓扑图。64.图5是buck/boost型双向dc/dc变换器拓扑图。65.图6是混合储能系统功率分配框图。66.图7是双向dc/dc变换器控制策略框图。67.图8是双向pwm变换器拓扑图。68.图9是双向pwm变换器控制框图。69.图10是充放电阈值结构框图。70.图11是加入混合储能系统的柴油发电机组模型71.图12是柴油发电机转速对比波形图。72.图13是混合储能系统充放电功率波形图。73.图14是柴油发电机转速对比波形图。74.图15是工况1下混合储能系统充放电功率波形图。75.图16(a)是工况2下混合储能系统充放电功率波形图；76.图16(b)是工况3下混合储能系统充放电功率波形图。77.图16(c)是工况4混合储能系统充放电功率波形图。78.图16(d)是工况5混合储能系统充放电功率波形图。具体实施方式79.一种应用于水电站柴油发电机黑启动的模糊pid与混合储能系统协同控制系统结构图如图1所示，应用于水电站柴油发电机黑启动的fuzzypid与混合储能系统协同控制系统由柴油发电机组、混合储能系统、母线和三相负载组成。80.柴油发电机组结构图如图2所示。鉴于柴油发电机组的内部构造过于繁琐，为方便电气特性仿真起见，需要对其内部结构进行适当简化处理，如：1)把柴油的燃烧时间、气体的流动时间等用一阶滞后环节代替；2)忽略柴油燃烧时的温度变化产生的影响；3)忽略各组成部件之间信号传递的延时等。通过对柴油机调速系统中各个部分进行简化处理后，推导出其转速和转矩的简化方程式，并转化成传递函数，建立其传递函数形式的数学模型，柴油机及其调速系统数学模型如图3所示，它包括主控制器、放大单元、执行器、柴油机组、积分单元、机组延迟(单元)几个关键性部件，现将它们的模型分别进行解释说明。81.主控制器和放大单元构成了柴油机及其调速系统的调速控制器，它是整个调速系统的核心部分，且基于传统pid控制方法的传递函数g1(s)为：[0082][0083]式中，e(s)为调速控制器的输入，即转速误差；u(s)为调速控制器的输出，即油门控制信号；kp为调速控制器的比例放大系数；ki为调速控制器的积分系数；kd为调速控制器的微分系数。[0084]虽然采用基于fuzzypid与混合储能系统协同控制时，其调速控制器的传递函数与式(1)相同，不过，它们的显著区别在于：传统pid控制的比例系数kp、积分系数ki、微分系数kd是固定的，而采用fuzzypid与混合储能系统协同控制时，比例系数kp、积分系数ki、微分系数kd则是可以自动调整，其工作原理于后文进行详细分析。[0085]柴油发电机调速系统的执行器采用直流伺服电机，其功能为根据输入的油门控制信号，通过直流伺服电机的电磁铁改变喷油泵齿杆位移，确保柴油机喷油量实时改变。执行器的运动增量方程为：[0086][0087]式中，y为喷油泵齿杆的位移；m为执行器滑动杆的质量；d为系统的阻力系数；ks为执行器弹簧的刚度；△fm为执行器电磁力的变化。[0088]电磁机构的运动方程为：[0089]δfm＝kuδu-kxδx(3)[0090]式中，ku为执行器的放大系数；kx为执行器的位移增益和弹簧刚度之和；△u为油门控制信号的变化；△x为喷油泵齿杆的位移变化量。[0091]联合式(2)与(3)且进行拉氏变换后得到：[0092]ms2δx+dsδx+kxδx＝kuδu-kxδx(4)[0093]将(4)化简可得执行器的传递函数g2(s)为：[0094][0095]式中，u(s)为执行器的输入，即油门控制信号；△x(s)为执行器的输出，即喷油泵齿杆的位移变化；ξη为执行器的无阻尼自然振荡角频率；ωη为执行器的阻尼因子。[0096]仿真采用的参数设置为：ku＝1、ξη＝1.414、ωη＝35.355。[0097]根据达朗倍尔原理可得柴油机的运动方程为：[0098][0099]式中，j为柴油机组的转动惯量；ω为柴油机组的曲轴角速度；md为柴油机组发出的转矩；mc为柴油机组的阻力矩。[0100]用增量形式可将式(6)表示为：[0101][0102]化简式(7)并忽略负载力矩的影响，可得转速与喷油泵齿杆位移方程，并将其等效为一阶比例惯性环节，因此，柴油机组运动方程的传递函数g3(s)为:[0103][0104]式中，kη为柴油机的放大系数；ta为柴油机的加速时间常数；tg为柴油机的自稳定系数。[0105]仿真采用的参数设置为：kη＝1、ta＝0.0384、kη＝1。[0106]柴油机及其调速系统的输出部分由图3所示的积分单元、机组延迟单元、乘积单元组成。其功能是将柴油机组输出的转速转变成机械功率，作为同步发电机的输入量。[0107]仿真采用的参数设置为：机组延迟时间td＝0.024。[0108]由图3可得，当柴油发电机系统处于稳定工作状态时，满足表达式：[0109]pdiesel＝pload(1)[0110]式中pdiesel为柴油发电机输出功率；pload为负载功率。[0111]当负载波动时：[0112]δp＝pdiesel-pload(2)[0113]式中：△p为系统功率变化量。[0114]当负载突卸，即pload减小时，此时pdiesel＞pload，△p＞0，多出的功率，会使三相交流电电压上升，频率增大；当负载突加，即pload增大时，此时pdiesel＜pload，△p＜0，功率不足，会使三相交流电电压下降，频率减小。[0115]由于目前励磁系统发展较为成熟，电压有效值调节相对迅速，而柴油机调速系统的转速调节较慢，所以通过加入混合储能系统进行功率控制，从而改进柴油发电机组的转速调节能力。[0116]由图3可得，三相交流电产生波动时，产生较大的转速差，通过调速控制器对整个系统进行调节。但是调速控制器只能对波动产生的转速差进行调节，而并没有从产生波动的原因，即功率变化的角度进行控制。[0117]为此，加入混合储能系统，从减小功率变化的方面改善柴油发电机系统的转速调节能力，并研究其功率优化分配控制的策略。[0118]考虑到混合储能系统工作在直流环境中，而柴油发电机组为主电网提供的是三相交流电，于是本发明按照图4所示的混合储能系统开展研究。在图4中，两个双向dc/dc变换器分别作为蓄电池和超级电容的充放电管理、双向pwm变换器则是在蓄电池和超级电容的直流工作环境与柴油发电机组的交流工作环境之间进行功率的转换。[0119]当柴油发电机系统处于稳定工作状态时，混合储能系统停机，此时系统依然满足式(1)关系；但当系统发生波动时：[0120]δp＝pdiesel+phess-pload(3)[0121]式中：phess为混合储能功率。[0122]当负载突卸，即pload减小时，此时pdiesel＞pload，△p＞0，可令phess＜0，吸收系统功率的增加量，从而减小三相交流电电压的上升、频率的增大；当负载突加，即pload增大时，此时pdiesel＜pload，△p＜0，可令phess＞0，补充系统功率的不足，从而抑制三相交流电电压的下降、频率的减小。[0123]buck/boost型双向dc/dc变换器，如图5所示。[0124]混合储能系统功率分配框图如图6所示。在图6中，ωref为柴油发电机组参考转速，ω为柴油发电机组实际转速，phess_ref为混合储能系统总指令功率，pbat_ref为蓄电池指令功率，psc_ref为超级电容指令功率。[0125]由图6及前文分析可知，当ω＞ωref时，说明pdiesel＞pload，△p＞0。令phess＜0，吸收系统功率的增加量；当ω＜ωref时，说明pdiesel＜pload，△p＜0。可令phess＞0，补充系统功率的不足。[0126]同时根据蓄电池和超级电容的特性，将总指令功率通过lpf(low-passfilter，低通滤波器)后作为蓄电池指令功率，其余的作为超级电容指令功率。[0127]于是混合储能系统的功率关系为：[0128][0129]psc＝phess-pbat(5)；[0130]式中：τ为低通滤波器的时间常数。[0131]双向dc/dc变换器控制策略如图7所示。在图7中，ibat_ref为蓄电池指令电流，ibat为蓄电池实际电流，isc_ref为超级电容指令电流，isc为超级电容实际电流，dbat为蓄电池支路双向dc/dc占空比，dsc为超级电容支路双向dc/dc占空比。通过功率分配后，将指令功率分别除以电压，得到相应的指令电流，通过pi后得到占空比。[0132]在图7中，比较器的作用是改变工作模式。比较器1工作、比较器2不工作时，双向dc/dc工作在boost状态；比较器1不工作、比较器2工作时，双向dc/dc工作在buck状态。[0133]当指令电流＞0，此时混合储能系统工作在boost状态，发出功率；当指令电流＜0时，此时混合储能系统工作在boost状态，吸收功率。[0134]同时由于柴油发电机组在没有波动的情况下工作时，也不可能保证实际转速与参考转速100％一致，所以为了防止双向dc/dc频繁工作，当实际转速与参考转速误差较小，即指令电流较小时，双向dc/dc处于停机状态。[0135]双向pwm变换器拓扑图如图8所示，在图8中，c_dc为直流母线电容，d1到d6为igbt，l为滤波电感，c为滤波电容。[0136]双向pwm变换器控制策略为电压外环、电流内环的双环控制，其解耦后的控制框图如图9所示。在图9中，udc_ref为直流母线电压的参考值，udc为直流母线电压的实际值，id_ref为d轴电流的指令值，id为d轴电流的实际值，iq_ref为q轴电流的指令值，iq为q轴电流的实际值，ωl为滤波电感等效阻抗，ud_ref为d轴电压的指令值，ud为d轴电压的实际值，uq_ref为q轴电压的指令值，uq为q轴电压的实际值。[0137]当混合储能系统处于放电模式时，直流母线电容电压升高，udc_ref－udc＜0，指令电流id_ref＜0，故双向pwm变换器处于逆变模式，向柴油发电机组的发出功率；当混合储能系统处于充电模式时，直流母线电容电压降低，udc_ref－udc＞0，指令电流id_ref＞0，故双向pwm变换器处于整流模式，从柴油发电机组吸收功率。[0138]在传统混合储能系统的结构里，pi控制器参数是恒定的，这样的方法在参数整定以后无需修改、快捷方便，但是缺点同样十分突出，即当蓄电池的socbat和超级电容的socsc较低时，无法发出足够的功率；当socbat和socsc较高时，无法吸收大量的功率。如果没有改变，就会使导致系统发生紊乱。[0139]与此同时，分析式(4)、(5)可得，当混合储能能总功率一定时，可以通过改变lpf中的时间常数τ时来对蓄电池和超级电容的功率进行分配。于是本发明采用优化分配改善上述问题，即通过检测蓄电池和超级电容的soc以及系统充放电状态，改变pi控制器参数以及lpf中的时间常数τ。[0140]设定soc的放电死区阈值为socmin，即当soci(i＝bat(蓄电池)或sc(超级电容))＜socmin时，蓄电池和超级电容只能充电，不能放电；设定soc的放电减缓区阈值为soclow，即当socmin＜soci＜soclow时，蓄电池和超级电容正常充电，放电功率减小；设定soc的充电死区阈值为socmax，即当socmax＜soci时，蓄电池和超级电容不能充电，只能放电；设定soc的充电减缓区阈值为sochigh，即当sochigh＜soci＜socmax时，蓄电池和超级电容充电功率减小，正常放电；当soclow＜soci＜sochigh时，蓄电池和超级电容正常充放电。其阈值结构如图10所示。[0141]混合储能系统的功率优化分配控制方法如下：[0142](1)当socbat＜socmin且phess_ref＞0时，关闭蓄电池的双向dc/dc开关使其处于停机状态，同时减小pi参数，令psc_ref＝phess_ref；[0143](2)当socsc＜socmin且phess_ref＞0时，关闭超级电容的双向dc/dc开关使其处于停机状态，同时减小pi参数，令pbat_ref＝phess_ref；[0144](3)当socmin＜socbat、socsc＜soclow且phess_ref＞0时，减小pi参数，τ不变；[0145](4)当socmin＜socbat＜soclow，socsc＞soclow且phess_ref＞0时，pi参数不变，减小τ；[0146](5)当socmin＜socsc＜soclow，socbat＞soclow且phess_ref＞0时，pi参数不变，增大τ；[0147](6)当sochigh＜socsc＜socmax，socbat＜sochigh且phess_ref＜0时，pi参数不变，增大τ；[0148](7)当sochigh＜socbat＜socmax，socsc＜sochigh且phess_ref＜0时，pi参数不变，减小τ；[0149](8)当sochigh＜socbat、socsc＜socmax且phess_ref＜0时，减小pi参数，τ不变；[0150](9)当socmax＜socbat且phess_ref＜0时，关闭蓄电池的双向dc/dc开关使其处于停机状态，同时减小pi参数，令psc_ref＝phess_ref；[0151](10)当socmax＜socsc且phess_ref＜0时，关闭超级电容的双向dc/dc开关使其处于停机状态，同时减小pi参数，令pbat_ref＝phess_ref；[0152]当然，当负载没有波动时，可以关闭双向pwm开关及混合储能系统功率分配，给定指令功率，此时满足：[0153]pbat_ref+psc_ref＝0(6)[0154][0155]因此，可以使蓄电池和超级电容之间进行充放电开展，现将功率分配控制方法简述如下：[0156](1)当socbat＜socmin，且socsc＞sochigh时，令psc_ref＞0，即超级电容放电，此时pbat_ref＜0，蓄电池充电，使蓄电池脱离放电死区。[0157](2)当socsc＜socmin，且socbat＞sochigh时，令pbat＞0，即蓄电池放电，此时psc_ref＜0，超级电容充电，使超级电容脱离放电死区。[0158](3)当socbat＞socmax，且socsc＜soclow时，令pbat＞0，即蓄电池放电，此时psc_ref＜0，超级电容充电，使蓄电池脱离充电死区。[0159](4)当socsc＞socmax，且socbat＜soclow时，令psc_ref＞0，即超级电容放电，此时pbat_ref＜0，蓄电池充电，使超级电容脱离充电死区。[0160]为了验证应用于柴油发电机组的混合储能系统功率优化分配控制策略，采用matlab/simulink仿真软件搭建加入混合储能系统的柴油发电机组的仿真模型，如图11所示，它由柴油机及其调速系统、励磁系统、同步发电机、混合储能系统、混合储能控制以及三相负载几个环节组成。。为阐释方便起见，将关键性仿真参数小结于表1中。[0161]表1关键性仿真参数列表[0162]tab.1keysimulationparametertable[0163][0164]现将仿真设置说明如下：当15s时突卸50％的额定负载、20s时突加50％的额定负载，对比传统柴油发电机组和加入混合储能以后的柴油发电机组转速的变化情况，如图12所示。在图12中，红色曲线为传统柴油发电机组的转速变化；蓝色为加入混合储能系统的柴油发电机组的转速变化。[0165]此时混合储能系统充放电功率如图13所示。在图13中，红色曲线为蓄电池的功率波形；蓝色为超级电容的功率波形。[0166]对比分析图12、图13可得：当突加突卸50％的额定负载时，传统柴油发电机组的超调量大于0.037、调节时间大于3.5s。加入混合储能后，混合储能通过充放电使柴油发电机转速的超调量减小到0.02以下，同时调节时间缩减到1.5s以下。[0167]由混合储能的功率优化分配控制策略的分析可知，pi参数调整的情况较多，定义工况1为：当sochigh＜socbat、socsc＜socmax且phess_ref＜0时，以工况1例进行分析，因为此时pi参数减小，但τ不变，便于分析pi参数对系统的影响。对应工况为系统15s时突卸50％的额定负载，转速对比图如图14所示。在图14中，红色曲线为正常情况下，加入混合储能系统的柴油发电机组的转速波形；蓝色为工况1时，加入混合储能系统的柴油发电机组的转速波形。此时混合储能系统充放电功率如图15所示。在图15中，红色曲线为蓄电池的功率波形；蓝色为超级电容的功率波形。[0168]对比分析图12～图15可得：当pi参数减小时，混合储能系统总功率减小，导致转速调节能力有所降低，此时超调量增大到0.028，同时调节时间延长到2s。[0169]由混合储能的功率优化分配控制策略的分析可知，τ参数调整的情况较多，以两个工况2和3进行分析：[0170](1)工况2：当sochigh＜socbat＜socmax，socsc＜sochigh且phess_ref＜0时，pi参数不变，但τ减小；[0171](2)工况3：当sochigh＜socsc＜socmax，socbat＜sochigh且phess_ref＜0时，pi参数不变，增大τ。[0172]因为这两个工况下pi参数不变，便于分析τ参数对系统的影响。两个工况均为系统15s时突卸50％的额定负载。[0173]由于此时pi参数不变，所以转速变化曲线相同，此时混合储能系统充放电功率如图16(a)、图16(b)所示。在图16(a)、图16(b)中，红色曲线为蓄电池的功率波形；蓝色为超级电容的功率波形。[0174]对比分析图13和图16(a)、图16(b)可得，混合储能的总指令功率不变时，当τ减小时，蓄电池充放电功率减小，超级电容充放电功率增大；当τ增大时，蓄电池充放电功率增大，超级电容充放电功率减小。[0175]由混合储能的功率优化分配控制策略的分析可知，系统可以关闭双向pwm开关及混合储能系统功率分配，给定指令功率，使蓄电池和超级电容之间进行充放电管理，以两个工况4和5进行分析：[0176](1)工况4：当socbat＞socmax，且socsc＜soclow时，令pbat＞0，即蓄电池放电，此时psc_ref＜0，超级电容充电。[0177](2)工况5：当socsc＞socmax，且socbat＜soclow时，令psc_ref＞0，即超级电容放电，此时pbat_ref＜0，蓄电池充电。[0178]此时混合储能系统充放电功率如图16(c)、图16(d)所示，在图16(c)、图16(d)中，红色曲线为蓄电池的功率波形；蓝色为超级电容的功率波形。分析图16(c)、图16(d)可得，当给定指令功率时，混合储能系统可以完成内部的功率转换。[0179]通过分析图12～图15，以及图16(a)～图16(d)可得，在加入混合储能系统后，通过混合储能系统的充放电，达到减小柴油发电机组转速超调量和调节时间的目的。同时，采用混合储能的功率优化分配控制策略后，达到根据不同的工况调整蓄电池和超级电容充放电功率的目的。当前第1页12当前第1页12
技术特征：1.一种应用于水电站柴油发电机黑启动的混合储能系统，其特征在于，包括：蓄电池、超级电容、第一双向dc/dc变换器、第二双向dc/dc变换器、双向pwm变换器、蓄电池两极连接第一双向dc/dc变换器的一侧；超级电容两端连接第二双向dc/dc变换器的一侧；第一双向dc/dc变换器的另一侧并联连接电容c1两端；第二双向dc/dc变换器的另一侧并联连接电容c1两端，电容c1起到稳压滤波作用；双向pwm变换器的一侧并联连接电容c1两端；双向dc/ac变换器另一侧连接变压器一侧；变压器另一侧连接柴油发电机组。2.根据权利要求1所述一种应用于水电站柴油发电机黑启动的混合储能系统，其特征在于：所述第一双向dc/dc变换器、第二双向dc/dc变换器均采用buck/boost型双向dc/dc变换器。3.根据权利要求1或2所述混合储能系统，其特征在于：当柴油发电机系统处于稳定工作状态时，混合储能系统停机，此时柴油发电机系统、混合储能系统和三相负载依然满足式(1)关系；但当柴油发电机系统发生波动时：δp＝p
diesel
+p
hess-p
load
(3)；式中：p
hess
为混合储能功率，p
diesel
为柴油发电机输出功率；p
load
为负载功率，
△
p为系统功率变化量；当负载突卸，即p
load
减小时，此时p
diesel
＞p
load
，
△
p＞0，可令p
hess
＜0负向增大，吸收整个系统包括柴油发电机系统、混合储能系统和三相负载功率的增加量，从而减小三相交流电电压的上升、频率的增大；当负载突加，即p
load
增大时，此时p
diesel
＜p
load
，
△
p＜0，可令p
hess
＞0正向增大，补充整个系统包括柴油发电机系统、混合储能系统和三相负载功率的不足，从而抑制三相交流电电压的下降、频率的减小。4.根据权利要求1或2所述混合储能系统，其特征在于：双向dc/dc变换器策略如下：设：i
bat_ref
为蓄电池指令电流，i
bat
为蓄电池实际电流，i
sc_ref
为超级电容指令电流，i
sc
为超级电容实际电流，d
bat
为蓄电池支路的第一双向dc/dc变换器占空比，d
sc
为超级电容支路的第二双向dc/dc变换器占空比；通过功率分配后，将指令功率分别除以电压，得到相应的指令电流，通过pi后得到占空比；比较器的作用是改变工作模式，比较器1工作、比较器2不工作时，双向dc/dc变换器工作在boost状态；比较器1不工作、比较器2工作时，双向dc/dc变换器工作在buck状态；蓄电池指令电流通过pi和比较器后控制第一双向dc/dc变换器；超级电容指令电流通过pi和比较器后控制第二双向dc/dc变换器；当指令电流＞0，此时混合储能系统工作在boost状态，发出功率；当指令电流＜0时，此时混合储能系统工作在boost状态，吸收功率；为防止第一、第二双向dc/dc变换器频繁工作，当实际转速与参考转速误差较小，即指令电流较小时，第一、第二双向dc/dc变换器处于停机状态。
5.根据权利要求1或2所述混合储能系统，其特征在于：双向pwm变换器控制策略为电压外环、电流内环的双环控制，其解耦后的控制方法如下：设：u
dc_ref
为直流母线电压的参考值，u
dc
为直流母线电压的实际值，i
d_ref
为d轴电流的指令值，i
d
为d轴电流的实际值，i
q_ref
为q轴电流的指令值，i
q
为q轴电流的实际值，ωl为滤波电感等效阻抗，u
d_ref
为d轴电压的指令值，u
d
为d轴电压的实际值，u
q_ref
为q轴电压的指令值，u
q
为q轴电压的实际值；当混合储能系统处于放电模式时，直流母线电容电压升高，u
dc_ref
－u
dc
＜0，指令电流i
d_ref
＜0，故双向pwm变换器处于逆变模式，向柴油发电机组的发出功率；当混合储能系统处于充电模式时，直流母线电容电压降低，u
dc_ref
－u
dc
＞0，指令电流i
d_ref
＞0，故双向pwm变换器处于整流模式，从柴油发电机组吸收功率；当混合储能系统总功率一定时，通过检测蓄电池和超级电容的soc以及系统充放电状态，改变pi控制器参数以及lpf中的时间常数τ，设定soc的放电死区阈值为soc
min
，即当soc
i
(i＝bat(蓄电池)或sc(超级电容))＜soc
min
时，蓄电池和超级电容只能充电，不能放电；设定soc的放电减缓区阈值为soc
low
，即当soc
min
＜soc
i
＜soc
low
时，蓄电池和超级电容正常充电，放电功率减小；设定soc的充电死区阈值为soc
max
，即当soc
max
＜soc
i
时，蓄电池和超级电容不能充电，只能放电；设定soc的充电减缓区阈值为soc
high
，即当soc
high
＜soc
i
＜soc
max
时，蓄电池和超级电容充电功率减小，正常放电；当soc
low
＜soc
i
＜soc
high
时，蓄电池和超级电容正常充放电。6.根据权利要求1或2所述混合储能系统的功率优化分配控制方法，其特征在于：p
hess_ref
为混合储能系统总指令功率，p
bat_ref
为蓄电池指令功率，p
sc_ref
为超级电容指令功率；(1)当soc
bat
＜soc
min
且p
hess_ref
＞0时，关闭蓄电池的第一双向dc/dc变换器开关，使其处于停机状态，同时减小pi参数，令p
sc_ref
＝p
hess_ref
；(2)当soc
sc
＜soc
min
且p
hess_ref
＞0时，关闭超级电容的第二双向dc/dc变换器开关，使其处于停机状态，同时减小pi参数，令p
bat_ref
＝p
hess_ref
；(3)当soc
min
＜soc
bat
、soc
sc
＜soc
low
且p
hess_ref
＞0时，减小pi参数，τ不变；(4)当soc
min
＜soc
bat
＜soc
low
，soc
sc
＞soc
low
且p
hess_ref
＞0时，pi参数不变，减小τ；(5)当soc
min
＜soc
sc
＜soc
low
，soc
bat
＞soc
low
且p
hess_ref
＞0时，pi参数不变，增大τ；(6)当soc
high
＜soc
sc
＜soc
max
，soc
bat
＜soc
high
且p
hess_ref
＜0时，pi参数不变，增大τ；(7)当soc
high
＜soc
bat
＜soc
max
，soc
sc
＜soc
high
且p
hess_ref
＜0时，pi参数不变，减小τ；(8)当soc
high
＜soc
bat
、soc
sc
＜soc
max
且p
hess_ref
＜0时，减小pi参数，τ不变；(9)当soc
max
＜soc
bat
且p
hess_ref
＜0时，关闭蓄电池的双向dc/dc开关使其处于停机状态，同时减小pi参数，令p
sc_ref
＝p
hess_ref
；(10)当soc
max
＜soc
sc
且p
hess_ref
＜0时，关闭超级电容的双向dc/dc开关使其处于停机状态，同时减小pi参数，令p
bat_ref
＝p
hess_ref
；
当然，当负载没有波动时，可以关闭双向pwm变换器、以及混合储能系统功率分配，给定指令功率，此时满足：p
bat_ref
+p
sc_ref
＝0(6)。7.根据权利要求1或2所述混合储能系统的功率优化分配控制方法，其特征在于：
①
：当soc
bat
＜soc
min
，且soc
sc
＞soc
high
时，令p
sc_ref
＞0，即超级电容放电，此时p
bat_ref
＜0，蓄电池充电，使蓄电池脱离放电死区；
②
：当soc
sc
＜soc
min
，且soc
bat
＞soc
high
时，令p
bat
＞0，即蓄电池放电，此时p
sc_ref
＜0，超级电容充电，使超级电容脱离放电死区；
③
：当soc
bat
＞soc
max
，且soc
sc
＜soc
low
时，令p
bat
＞0，即蓄电池放电，此时p
sc_ref
＜0，超级电容充电，使蓄电池脱离充电死区；
④
：当soc
sc
＞soc
max
，且soc
bat
＜soc
low
时，令p
sc_ref
＞0，即超级电容放电，此时p
bat_ref
＜0，蓄电池充电，使超级电容脱离充电死区。
技术总结一种应用于水电站柴油发电机黑启动的混合储能系统功率优化分配控制方法，包括混合储能系统，该系统包括蓄电池、超级电容、第一双向DC/DC变换器、第二双向DC/DC变换器、双向PWM变换器、柴油发电机组。本发明控制方法采集蓄电池和超级电容的SOC，采用混合储能系统的功率优化分配控制策略，通过改变PI控制器参数以及LPF中的时间常数τ，可以改变蓄电池和超级电容的充放电功率分配。本发明通过加入混合储能系统，从外部通过功率控制的方法加强系统调节功能，提高系统电压频率的控制性能。提高系统电压频率的控制性能。提高系统电压频率的控制性能。
技术研发人员：王波 涂勇 李维波 赵远 余翔
受保护的技术使用者：中国长江电力股份有限公司
技术研发日：2022.07.01
技术公布日：2022/11/1
