本發(fā)明涉及一種混合儲能系統(tǒng)充放電切換過程動態(tài)優(yōu)化控制方法。

背景技術(shù)：

在目前的分布式電網(wǎng)中，風(fēng)能、太陽能等可再生能源的比重越來越大。由于這些能源的電源輸出功率受環(huán)境因素影響具有間歇性和隨機性，將導(dǎo)致其并網(wǎng)后對電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性造成諸多不利影響。通常給可再生能源配置一定比例的靜態(tài)無功補償器可以快速補償其無功功率，維持接入電網(wǎng)處電壓穩(wěn)定，而對于有功功率補償，需要在可再生能源電源側(cè)配置一定容量的儲能系統(tǒng)。通過優(yōu)化控制儲能系統(tǒng)和這些能源電源的運行(即儲能系統(tǒng)的功率配置)，平抑可再生能源電源注入電力系統(tǒng)的功率波動，使其輸出功率滿足電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的要求。同時，為使儲能系統(tǒng)具備大容量和大功率性能，通常采用能量型儲能介質(zhì)(如蓄電池)和功率型儲能介質(zhì)(如超級電容)混合組成儲能系統(tǒng)。其中，能量型儲能介質(zhì)(如蓄電池)的能量密度大、功率密度??；相反，功率型儲能介質(zhì)(如超級電容)的能量密度小、功率密度大，且高倍率充-放電不會損害其性能。因此，在優(yōu)化控制儲能系統(tǒng)和這些能源電源的運行過程中，需要給出有效的優(yōu)化控制策略以實現(xiàn)儲能系統(tǒng)合理、有效的充放電功率配置。

經(jīng)過對現(xiàn)有的關(guān)于混合儲能系統(tǒng)充放電切換控制技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，根據(jù)不同儲能介質(zhì)的互補特性，提出了超級電容與蓄電池混合儲能系統(tǒng)，并從理論上證明了混合儲能系統(tǒng)具有更高的功率輸出能力和減少蓄電池的充放電次數(shù)。采用自動狀態(tài)機控制方法實現(xiàn)風(fēng)能、太陽能等發(fā)電系統(tǒng)的混合儲能控制，采用多滯環(huán)PID調(diào)節(jié)控制策略，研究了適用于微網(wǎng)的蓄電池和超級電容混合儲能系統(tǒng)，結(jié)果表明混合儲能系統(tǒng)在應(yīng)對微網(wǎng)中頻繁快速的功率和能量變化方面具有很好的技術(shù)經(jīng)濟性。進一步，在儲能介質(zhì)離散時間數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，研究功率型儲能介質(zhì)組成的儲能系統(tǒng)，利用模糊控制策略實現(xiàn)儲能優(yōu)化控制。這些成果通常側(cè)重于儲能過程機理分析，同時在儲能功率分配控制器設(shè)計中不能明確考慮各種儲能單元的功率輸入輸出限制、最小和最大荷電量范圍，以及各個儲能單元的充放電過程的不同電氣特性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有的混合儲能系統(tǒng)充放電切換過程控制方式的使用復(fù)雜、實用性較差的不足，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種思路簡單、使用方便、實用性良好的混合儲能系統(tǒng)充放電切換過程動態(tài)優(yōu)化控制方法，基于切換系統(tǒng)的共同控制Lyapunov函數(shù)工具，構(gòu)造一個解析的切換狀態(tài)反饋控制器，其中控制器的參數(shù)反映了混合儲能系統(tǒng)充放電的速率，再考慮混合儲能系統(tǒng)的各種限制條件和最佳充放電性能函數(shù)，根據(jù)各個儲能單元不同的充放電過程，對切換控制器進行動態(tài)優(yōu)化再設(shè)計，使混合儲能系統(tǒng)的充放電過程始終滿足限制條件和最佳充放電性能，實現(xiàn)混合儲能系統(tǒng)的充放電切換過程的動態(tài)優(yōu)化控制。

本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：

一種混合儲能系統(tǒng)充放電切換過程動態(tài)優(yōu)化控制方法，包括以下步驟：

步驟一、考慮混合儲能系統(tǒng)中的第i個儲能單元，以儲能單元的剩余荷電量的變化表示充放電過程，應(yīng)用能量守恒定理，建立該儲能單元的充放電過程的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，見式(1)和(2)

其中，n表示混合儲能系統(tǒng)中的儲能單元總數(shù)，式(1)表示第i個儲能單元的充電過程動態(tài)模型，式(2)表示第i個儲能單元的放電過程動態(tài)模型，t表示充放電的時間，單位min，Q_i表示第i個儲能單元的剩余荷電量，單位MW，P_i表示第i個儲能單元的充放電功率，單位MW/min，σ_c,i表示第i個儲能單元的充電過程的自放電率，單位％/min，η_c,i表示第i個儲能單元的充電效率，單位％，σ_d,i表示第i個儲能單元的放電過程的自放電率，單位％/min，η_d,i表示第i個儲能單元的放電效率，單位％；

步驟二、考慮實際混合儲能系統(tǒng)的充放電情況，對混合儲能系統(tǒng)充放電過程動態(tài)模型進行變換設(shè)計，定義變量x_i＝Q_i和u_i＝P_i，其中i＝1,…,n，定義混合儲能系統(tǒng)的向量和根據(jù)公式(1)和(2)，分別定義混合儲能系統(tǒng)的充放電過程的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，見式(3)和(4)

其中，式(3)表示混合儲能系統(tǒng)的充電過程動態(tài)模型，式(4)表示混合儲能系統(tǒng)的放電過程動態(tài)模型，t表示充放電的時間，單位min，x表示儲能系統(tǒng)中儲能器件的荷電量，單位MW，u表示充放電功率，單位MW/min)；

步驟三、考慮超級儲能單元充放電變換模型式(3)和(4)，定義矩陣

求解不等式方程組，見式(5)

其中P是未知變量；利用一元二次不等式方程組求解式(5)的未知變量P，得到式(5)的解，見式(6)

下標(biāo)n×n表示P是n行n列的矩陣，在采樣時刻t，測量混合儲能系統(tǒng)當(dāng)前荷電量x(t)，構(gòu)造充電過程輸入函數(shù)u_c(t)，見式(7)

和放電過程輸入函數(shù)u_d(t)，見式(8)

其中，和未知參數(shù)θ₁、θ₂、θ₃和θ₄；

步驟四、考慮混合儲能系統(tǒng)荷電量約束和功率輸入輸出約束，設(shè)定參數(shù)θ₁、θ₂、θ₃和θ₄的取值范圍D，混合儲能系統(tǒng)充電性能目標(biāo)函數(shù)l_c(x,u)，見式(9)

和混合儲能系統(tǒng)放電性能目標(biāo)函數(shù)l_d(x,u)，見式(10)

其中，x_i,c是第i個儲能單元的充電目標(biāo)，x_i,d是第i個儲能單元的放電目標(biāo)，q_c,i和q_d,i是調(diào)試參數(shù)，i＝1,…,n，對混合儲能系統(tǒng)充電過程，應(yīng)用坐標(biāo)輪換法求解優(yōu)化問題，見式(11)

得到參數(shù)最優(yōu)值θ₁^*和θ₂^*；對混合儲能系統(tǒng)放電過程，應(yīng)用坐標(biāo)輪換法求解優(yōu)化問題，見式(12)

得到參數(shù)最優(yōu)值θ₃^*和θ₄^*，其中，X表示混合儲能系統(tǒng)荷電量約束限制，U表示混合儲能系統(tǒng)充放電過程的功率輸入輸出約束限制，T表示優(yōu)化時域，J_c(x)表示優(yōu)化時域內(nèi)的累加充電過程性能函數(shù)，J_d(x)表示優(yōu)化時域內(nèi)的累加放電過程性能函數(shù)，將參數(shù)最優(yōu)值(θ₁^*,θ₂^*)和(θ₃^*,θ₄^*)分別代入式(7)和式(8)，得混合儲能系統(tǒng)充電過程優(yōu)化控制器和放電過程優(yōu)化控制器，在下一個采樣時間到達后，再次重復(fù)求解式(11)或式(12)，得混合儲能系統(tǒng)充電過程動態(tài)優(yōu)化控制器和放電過程動態(tài)優(yōu)化控制器。

進一步，所述動態(tài)優(yōu)化控制方法還包括以下步驟：步驟五、在混合儲能系統(tǒng)充放電過程切換控制計算機上運行實施，分為3個階段：

5.1參數(shù)設(shè)置，包括模型參數(shù)和充放電過程目標(biāo)參數(shù)，在模型導(dǎo)入界面中，分別輸入各個儲能單元充電和放電過程的自放電率σ_c,i和σ_d,i，單位％/min，充電效率為η_c,i，放電效率η_d,i；在控制參數(shù)設(shè)置界面中，分別輸入各個儲能單元的初始荷電量，未知參數(shù)的取值范圍D，儲能單元的充電目標(biāo)x_i,c，儲能單元的放電目標(biāo)x_i,d，荷電量約束限制X，功率輸入輸出約束限制U，優(yōu)化時域T，輸入?yún)?shù)確認(rèn)后，由控制計算機將設(shè)置數(shù)據(jù)送入計算機存儲單元RAM中保存；

5.2離線調(diào)試，混合儲能充放電控制系統(tǒng)進入控制器調(diào)試階段，分別考慮充電過程和放電過程，調(diào)整組態(tài)界面中設(shè)定可調(diào)參數(shù)q_c,i和q_d,i的取值，觀測混合儲能系統(tǒng)各個儲能單元的荷電和充放電功率的控制效果，由此確定一組能良好控制混合儲能系統(tǒng)充放電過程的控制器參數(shù)值，參數(shù)q_c,i和q_d,i的取值規(guī)則：q_c,i和q_d,i為正實數(shù)，即q_c,i＞0和q_d,i＞0，參數(shù)q_c,i和q_d,i的調(diào)整規(guī)則：增大q_c,i的值將縮短充電過程的過渡時間，但增大充電過程的儲能單元荷電量變化和功率值，增加對充電過程擾動的敏感性，增大q_d,i的值將縮短放電過程的過渡時間，但增大放電過程的儲能單元荷電量變化和功率值，增加對放電過程擾動的敏感性；相反，減小q_c,i的值將延長充電過程的過渡時間，但減小充電過程的儲能單元荷電量變化和功率值，降低對充電過程擾動的敏感性，減小q_d,i的值將延長放電過程的過渡時間，但減小放電過程的儲能單元荷電量變化和功率值，降低對放電過程擾動的敏感性。因此，實際調(diào)試控制器參數(shù)q_c,i和q_d,i時，應(yīng)在充放電過程的過渡時間、儲能單元荷電量變化和功率值容許的范圍內(nèi)綜合權(quán)衡；

5.3在線運行，啟動混合儲能系統(tǒng)充放電過程切換控制計算機的CPU讀取混合儲能系統(tǒng)充放電過程模型參數(shù)和最佳控制器參數(shù)，并執(zhí)行“混合儲能系統(tǒng)放電切換過程優(yōu)化控制程序”，通過在線測量混合儲能系統(tǒng)中各儲能單元的實際荷電量，控制混合儲能系統(tǒng)的充電和放電過程的充入功率和放出功率，實現(xiàn)混合儲能系統(tǒng)充放電過程的有效控制。

本發(fā)明的有益效果為：先通過儲能系統(tǒng)機理建立混合儲能系統(tǒng)充放電模型，再通過給定數(shù)據(jù)，求得共同Lyapunov函數(shù)正定對稱矩陣，進一步求得切換控制器，再結(jié)合系統(tǒng)約束和性能指標(biāo)實現(xiàn)了切換控制器的動態(tài)優(yōu)化再設(shè)計，進一步將其代入合儲能充放電模型，用于其充放電控制，此設(shè)計方法簡潔、易用，可用于指導(dǎo)實際的、充放電控制過程。

附圖說明

圖1是實施例混合儲能系統(tǒng)充放電切換控制電荷狀態(tài)曲線圖。

圖2是實施例混合儲能系統(tǒng)充放電切換功率輸入函數(shù)曲線圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。

參照圖1和圖2，一種混合儲能系統(tǒng)充放電切換過程動態(tài)優(yōu)化控制方法，包括以下步驟：

步驟一、考慮由2個儲能單元組成的混合儲能系統(tǒng)。以儲能單元的剩余荷電量的變化表示充放電過程，應(yīng)用能量守恒原理，建立儲能系統(tǒng)中儲能單元的充放電過程的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，見式(1)和(2)

其中，2表示混合儲能系統(tǒng)由2個儲能單元組成，式(1)表示第i個儲能單元的充電過程動態(tài)模型，式(2)表示第i個儲能單元的放電過程動態(tài)模型，t表示充放電的時間(min)，Q_i表示第i個儲能單元的剩余荷電量(MW)，P_i表示第i個儲能單元的充放電功率(MW/min)，σ_c,i表示第i個儲能單元的充電過程的自放電率(％/min)，η_c,i表示第i個儲能單元的充電效率(％)，σ_d,i表示第i個儲能單元的放電過程的自放電率(％/min)，η_d,i表示第i個儲能單元的放電效率(％)。

步驟二、考慮儲能系統(tǒng)的充放電實際情況，定義變量x_i＝Q_i和u_i＝P_i，其中i＝1,2，定義混合儲能系統(tǒng)的向量和根據(jù)公式(1)和(2)，分別定義混合儲能系統(tǒng)的充放電過程的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，見式(3)和(4)

其中，式(3)表示混合儲能系統(tǒng)的充電過程動態(tài)模型，式(4)表示混合儲能系統(tǒng)的放電過程動態(tài)模型，t表示充放電的時間(min)，x表示儲能系統(tǒng)中儲能器件的荷電量(MW)，u表示充放電功率(MW/min)。

步驟三、考慮混合儲能系統(tǒng)充放電變換模型式(3)和(4)，定義矩陣求解不等式方程組，見式(5)

其中P是未知變量。利用一元二次不等式方程組求解式(5)的未知變量P，得到式(5)的解，見式(6)

在采樣時刻t，測量混合儲能系統(tǒng)當(dāng)前荷電量x(t)，構(gòu)造充電過程輸入功率函數(shù)u_c(t)，見式(7)

和放電過程輸入函數(shù)u_d(t)，見式(8)

其中和未知參數(shù)θ₁、θ₂、θ₃和θ₄。

步驟四、考慮混合儲能系統(tǒng)荷電量約束和功率輸入輸出約束，設(shè)定參數(shù)θ₁、θ₂、θ₃和θ₄的取值范圍D，混合儲能系統(tǒng)充電性能目標(biāo)函數(shù)l_c(x,u)，見式(9)

和混合儲能系統(tǒng)放電性能目標(biāo)函數(shù)l_d(x,u)，見式(10)

其中，x_1,c和x_2,c是2個儲能單元的充電目標(biāo)，x_1,d和x_2,d是2個儲能單元的放電目標(biāo)，q_c,1、q_c,2、q_d,1和q_d,2是調(diào)試參數(shù)。對混合儲能系統(tǒng)充電過程，應(yīng)用坐標(biāo)輪換法求解優(yōu)化問題，見式(11)

得到參數(shù)最優(yōu)值θ₁^*和θ₂^*；對混合儲能系統(tǒng)放電過程，應(yīng)用坐標(biāo)輪換法求解優(yōu)化問題，見式(12)

得到參數(shù)最優(yōu)值θ₃^*和θ₄^*，其中，X表示混合儲能系統(tǒng)荷電量約束限制，U表示混合儲能系統(tǒng)充放電過程的功率輸入輸出約束限制，T表示優(yōu)化時域，J_c(x)表示優(yōu)化時域內(nèi)的累加充電過程性能函數(shù)，J_d(x)表示優(yōu)化時域內(nèi)的累加放電過程性能函數(shù)，將參數(shù)最優(yōu)值(θ₁^*,θ₂^*)和(θ₃^*,θ₄^*)分別代入式(7)和式(8)，得混合儲能系統(tǒng)充電過程優(yōu)化控制器和放電過程優(yōu)化控制器，在下一個采樣時間到達后，再次重復(fù)求解式(11)或式(12)，得混合儲能系統(tǒng)充電過程動態(tài)優(yōu)化控制器和放電過程動態(tài)優(yōu)化控制器。

步驟五、混合儲能系統(tǒng)充放電的執(zhí)行，在混合儲能系統(tǒng)充放電控制計算機上運行實施，可以大致分為3個階段：

5.1參數(shù)設(shè)置，包括模型參數(shù)和充放電過程目標(biāo)參數(shù)，在模型導(dǎo)入界面中，分別輸入各個儲能單元充電和放電過程的自放電率σ_c,i和σ_d,i(％/min)，充電效率為η_c,i，放電效率η_d,i；在控制參數(shù)設(shè)置界面中，分別輸入各個儲能單元的初始荷電量，未知參數(shù)的取值范圍D，儲能單元的充電目標(biāo)x_i,c，儲能單元的放電目標(biāo)x_i,d，荷電量約束限制X，功率輸入輸出約束限制U，優(yōu)化時域T，輸入?yún)?shù)確認(rèn)后，由控制計算機將設(shè)置數(shù)據(jù)送入計算機存儲單元RAM中保存；

5.2離線調(diào)試，點擊組態(tài)界面中的“調(diào)試”按鈕，混合儲能充放電控制系統(tǒng)進入控制器調(diào)試階段；分別考慮充電過程和放電過程，調(diào)整組態(tài)界面中設(shè)定可調(diào)參數(shù)q_c,i和q_d,i的取值，觀測混合儲能系統(tǒng)各個儲能單元的荷電和充放電功率的控制效果，由此確定一組能良好控制混合儲能系統(tǒng)充放電過程的控制器參數(shù)值，參數(shù)q_c,i和q_d,i的取值規(guī)則：q_c,i和q_d,i為正實數(shù)，即q_c,i＞0和q_d,i＞0，參數(shù)q_c,i和q_d,i的調(diào)整規(guī)則：增大q_c,i的值將縮短充電過程的過渡時間，但增大充電過程的儲能單元荷電量變化和功率值，增加對充電過程擾動的敏感性，增大q_d,i的值將縮短放電過程的過渡時間，但增大放電過程的儲能單元荷電量變化和功率值，增加對放電過程擾動的敏感性；相反，減小q_c,i的值將延長充電過程的過渡時間，但減小充電過程的儲能單元荷電量變化和功率值，降低對充電過程擾動的敏感性，減小q_d,i的值將延長放電過程的過渡時間，但減小放電過程的儲能單元荷電量變化和功率值，降低對放電過程擾動的敏感性。因此，實際調(diào)試控制器參數(shù)q_c,i和q_d,i時，應(yīng)在充放電過程的過渡時間、儲能單元荷電量變化和功率值容許的范圍內(nèi)綜合權(quán)衡；

5.3在線運行，點擊組態(tài)界面“運行”按鈕，啟動混合儲能系統(tǒng)充放電控制計算機的CPU讀取混合儲能系統(tǒng)充放電過程模型參數(shù)、充放電過程目標(biāo)參數(shù)和最佳控制器參數(shù)，并執(zhí)行“混合儲能系統(tǒng)放電切換過程優(yōu)化控制程序”，通過在線測量混合儲能系統(tǒng)中不同儲能單元的實際荷電量，控制充電和放電過程的充入功率和放出功率，實現(xiàn)混合儲能系統(tǒng)充放電過程的有效控制。

下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明做進一步說明：

為了驗證所建模型的性能，需要對模型進行擬合和校驗。選取儲能單元1的最大荷電量Q_1max＝0.75(MW)，充電過程自放電率σ_c1＝0.01(％/min)，放電過程自放電率σ_d1＝0.01(％/min)，充電效率為η_c1＝0.95和放電效率η_d1＝0.95；儲能單元2的最大荷電量Q_2max＝1.5(MW)，充電過程自放電率σ_c2＝0.01(％/min)，放電過程自放電率σ_d2＝0.01(％/min)，充電效率為η₂＝0.90和放電效率η_d2＝0.90。在混合儲能系統(tǒng)處于充電過程中，儲能單元1的充電過程控制目標(biāo)是x_c,1＝0.95Q_1max和儲能單元2的充電過程控制目標(biāo)是x_c,2＝0.9Q_2max；在混合儲能系統(tǒng)處于放電過程中，儲能單元1的放電過程控制目標(biāo)是x_d,1＝0.25Q_1max和儲能單元2的放電過程控制目標(biāo)是x_d,2＝0.2Q_2max；混合儲能系統(tǒng)荷電量約束限制X＝[0.2Q_1max,Q_1max]×[0.15Q_2max,Q_2max]，功率輸入輸出約束限制U＝[-2,2]×[-4,4]，優(yōu)化時域T＝3.5分鐘，采樣周期0.7分鐘，未知參數(shù)的取值范圍D＝[0.1 1]×[0.5,5]。設(shè)置混合儲能系統(tǒng)的初始剩余荷電量，儲能單元1為0.6Q_1max和儲能單元2為0.55Q_2max，混合儲能系統(tǒng)充電過程結(jié)束后將切換到放電過程。

通過離線調(diào)試，設(shè)置參數(shù)q_c,1＝50、q_c,2＝50、q_d,1＝1和q_d,2＝1，將其帶入式(9)和式(10)，求得混合儲能系統(tǒng)充電過程和放電過程的功率輸入輸出函數(shù)，得到如圖2所示。之后將該函數(shù)帶入公式(3)和公式(4)，得到如圖1所示，混合儲能系統(tǒng)中儲能單元1和儲能單元2的充放電過程的剩余荷電量的變化結(jié)果。

上述實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出的任何修改，都落入本發(fā)明的保護范圍。