光储荷直流微电网协调荷电状态功率分配策略研究

2021-06-02杨宇行卢闻州

通信电源技术 2021年3期

杨宇行，卢闻州

（江南大学物联网工程学院，江苏无锡 214122）

0 引言

在资源紧缺和环境保护的压力下，光伏微电网受到了广泛关注[1]。光伏供电的间歇性和随机性会引发一系列的问题，常常需要通过增加储能装置来使直流母线电压稳定[2]。光储荷微电网系统往往由多个蓄电池构成储能装置，如何制定合理的功率分配方式显得尤为重要。

目前对于储能装置功率分配的研究主要集中在SOC平衡方面[3]。文献[4]建立了基于自适应电源管理的策略，通过对燃料电池-超级电容模块进行下垂控制，动态分配了不同模块的输出能量，但未分析多个蓄电池内部SOC问题。文献[5]考虑了蓄电池容量和充放电循环带来的经济损失问题，通过对约束条件进行设定求解，降低了微电网的运行维护成本，但牺牲了直流电网的稳定性。文献[6]提出了一种高可靠性的均衡充电控制方式，令蓄电池组的充电深度保持相同，但增加了蓄电池内部的充放电次数，减少了系统的使用寿命。

为了解决光储荷微电网系统中储能装置内多电池SOC不均衡的问题，文章首先分析了光储荷微电网的组成，其次提出了一种变阶段的协调SOC功率分配策略，该策略对储能装置内处于不同SOC的蓄电池分配不同的吸收/放出功率值，令多个蓄电池的SOC值差异在系统运行时逐步减小，最后通过MATLAB/Simulink仿真验证了分配策略的有效性。

1 协调SOC功率分配

1.1 光储荷微电网工作模式

典型的光储荷微电网系统通常包含光伏模块、储能模块、直流负荷、BOOST变换器以及双向DC-DC变换器。图1为光储荷微电网的总体框图，其中光伏模块通过BOOST变换器将能量传递给储能装置和负荷，由多个蓄电池构成的储能装置则分别通过双向DC-DC变换器与直流母线相连，接收和输送电能。

图1 直流微电网总体框图

1.2 储能装置功率分配

储能装置负责补充系统功率差额，在含有多个蓄电池的情况下，合理的功率分配方式将大大增加系统的工作稳定性。储能装置SOC控制结构如图2所示，n个蓄电池联合构成储能装置，每个蓄电池都单独通过一套双向DC-DC变换器来与直流母线连接。

图2 储能装置SOC控制结构图

每个蓄电池均有一个SOC值，第n个蓄电池的荷电值为SOCn，则有：

式中，SOCm为n个接入光储荷微电网的蓄电池的SOC平均荷电状态值。

考虑到不同蓄电池的SOC含量不同，所应承担的功率需求也不同，因此制定了图3的功率分配方式。

图3 功率分配因子函数图

图3中的SOCmax与SOCmin为设定的最大与最小SOC值，当蓄电池SOC值处于最大或最小值时，参考充/放电功率为0。SOCa与SOCb为功率分配因子曲线的拐点，当蓄电池SOC处于SOCmin～SOCa阶段时，若蓄电池处于放电状态，则放电参考值会随SOC值的减小而快速减小。反之，当蓄电池SOC处于SOCb～SOCmax阶段时，若蓄电池处于充电状态，则充电参考值会随SOC值的增大而快速减小。

由于储能装置为光储荷微电网提供的功率是实时变化的，而储能装置中各个蓄电池所分配的功率占总功率的比例在一段时间内不变，因此需要先求出每个蓄电池分配的功率占比，再根据总体功率值求出每个蓄电池实际分配的功率值。

设定蓄电池SOC值为50%时的功率分配因子为1，根据图3有：

式中，min表示吸收功率，mout表示输出功率，k1和k2为充放电功率参考系数，即图3充放电曲线各个阶段的斜率。

根据式（2）和式（3）可知第n个蓄电池的功率参考值Pnbat为：

1.3 k值调整

微电网中，功率差额可能有很大变化，可以通过改变功率分配因子中的k1、k2值来减小蓄电池在大功率下输出和输入功率的差异。

以放电模式为例，如图4所示。k值调整前，功率分配因子曲线在SOCa～SOCb区间内斜率较大，不同蓄电池输出功率差异较大；k值调整后，曲线在SOCa～SOCb区间内斜率较小，不同蓄电池输出功率差异减小。

图4 k值调整

光储荷微电网内部蓄电池的型号相同，标准输出电流均为Iaa，设定蓄电池输入输出容忍度为Ktor，则蓄电池最大输出电流为：

该微电网蓄电装置最大输出功率为：

式中，Pm为标准情况下的输出功率。

由图4可知，当SOCa与SOCb确定时，k2值随k1值的变化而变化，因此只需要设定k1值的变化方式，即：

式中，Pbat为蓄电池模块实际分配功率值，1/(0.5-SOCmin)为斜率因子，用于保证k1与k2值为正且k2≥k1。由此可以确定k2值为：

2 仿真验证

2.1 仿真参数

为验证协调功率分配策略的可行性，用MATLAB/Simulink进行仿真，仿真参数如表1所示。仿真系统涉及到的模型包括光伏电池、蓄电池、直流负荷、双向DC-DC变换器以及Boost变换器5部分。储能装置使用3个蓄电池模块进行供能，仿真时间共2 s，第0～1 s系统为负荷1供能，第1～2 s系统为负荷1和负荷2供能。

表1 仿真主要参数

2.2 协调SOC功率分配仿真

系统仿真结果如图5所示，从图5（a）可知，系统在0.5 s后即保持600 V的稳定电压状态，1 s时负荷突增，系统经过短暂调整仍维持电压稳定。

在改进后的功率分配方式下，图5（b）中SOC值更高的蓄电池1在放电时会释放更多的电能，在充电时则会吸收较少的电能；蓄电池3由于本身的SOC值较小，在放电时所释放的电能较少，充电时获得更多电能。由此可知，使用协调SOC功率分配策略可以减少系统运行中蓄电池之间SOC值的差异，达到SOC均衡的目的。

图5 斜坡改进型功率分配仿真结果

2.3 变k值仿真

为验证k值改变对功率分配的影响，分别以k1=1、k2=7和k1=k2=2.5进行对比仿真，仿真结果如图6所示。

蓄电池模块的SOC值分别为0.9、0.4及0.1。由此可知，k1取值较小时，在总功率需求相同的情况下，不同SOC值的蓄电池模块分配功率差异较小，而k1值较大时，不同SOC值的蓄电池模块分配功率差异较大。通过合理改变k值，可以有效调节不同SOC蓄电池输入输出分配的功率，从而更加灵活地应对不同功率差额。