剩余容量匹配的储能装置负荷分配控制技术研究

2021-06-16赵书强孙科

电子制作 2021年2期

赵书强，孙科

（华北电力大学，河北保定，071003）

0 引言

当前储能器件控制技术在各行业都得到了大力应用，其中包括航天、交通、航海等领域，为了进一步满足其供电容量需求，应该不断加强对优化储能装置技术方案的研究力度。然而传统的均流控制、下垂控制等方法都存在利用率低的弊端，面对这样的问题，有效提升储能装置剩余容量的利用率成为技术创新的重点。

1 负荷分配控制方案设计

很多时候，各个并联运行的储能单元其剩余容量是不一致的，为了最大限度地提升其容量利用效率，应保持其相互之间的充放电极限状态运行时间保持一致，进而剩余容量多的储能单元需要承担更多的负荷电流，而容量少的储能单元承担的也就更少。由于受到并联运行状态的影响，各个储能单元的输出电压可以认为都相等，而同时输出电流的大小也与自身的剩余容量相匹配，因此不论存在怎样的剩余容量差异，都可以有效达到充放电的极限状态[1]。在这样的情况下，负荷电流与剩余容量之间的关系可以通过如下关系式1进行表示：

而将负荷系数kL,n代入其中以后，该关系式2可以表述为：

其中Io,n表示的是电流幅值，而N表示的为储能单元的总数，CR,n为剩余容量。

结合以上的内容进行分析，本文在进行实验的过程中将各个储能单元负荷系数相等作为总体的控制目标，借助互联线结构通信方案的落实来实现单元之间的负荷信息共享。通常情况下，基于互联线的负荷分配方法主要可以分为主从式和对等式两种，但为进一步提升负荷分配方案的灵活性和稳定性，文本选用的为对等式的分配方法，其中相应的储能单元硬件结构框图如图1所示。

从图1中可以看出，通过双向Buck电路作为储能单元的充放电主电路，RE和RL分别为主电路等效内阻与等效电阻，而uout和iout分别为主电路输出端口的电压和电流，同时，图中的两条公共信号母线可以与所有的并联储能单元加以连接，进而有效实现各个储能单元之间的负荷信息共享。

图1 负荷分配方案储能单元硬件结构示意图

2 以剩余容量匹配为基础的储能装置负荷分配控制策略

例如在电压-电流双闭环充放电控制策略的运行过程中，借助最大负荷系数信号kL，max以及最大负荷系数差信号ΔkL，max可以构建有效的负荷分配控制策略，具体的运行流程如图2所示。

图2 负荷分配控制策略运行示意图

结合图2内容，在计算参考负荷系数kL，ref的时候可以应用以下关系式3：

在上式3中B所对应的为调节系数，进而根据调节系数取值的不同可以设计出最大负荷系数、中间负荷系数以及最小负荷系数等不同的负荷分配控制模式。

■2.1 最大负荷系数

在最大负荷系数控制模式下，将B值设定为0，此时kL，ref和kL，max相等，负荷分配控制过程中并不包括母线2。与此同时，除了最大负荷系数储能单元以外，其他单元都会将最大负荷系数作为自身的控制目标，进而通过提升Uout以及iout的手段来提升负荷系数[2]。由于总体的负荷不变，其他储能单元电流增加势必会导致最大负荷系数储能单元电流的降低，因此也会产生新的最大值传送到母线1上。而且在调整的过程中，各个储能单元负荷系数之间的差别会逐渐变小，负荷分配控制与剩余容量的匹配程度将会不断提升，由于Δk值永远≧0，因此要选择比例控制器作为负荷控制器。

■2.2 中间负荷系数

在中间负荷系数控制模式下，将B值设定为0.5，此时kL，ref和 kL，max的关系为 kL，ref=kL，max-0.5ΔkL，max。此时，每一个储能单元都会将中间负荷系数作为自身的控制目标，因此在进行电流调节的过程中相应的中间负荷系数也会在不停发生变化，最终趋于稳定，进而使得所有储能单元的负荷系数都将与中间负荷系数相等，由于ΔkL，n值可以发生正负转换，因此可以选择PI控制器作为负荷控制器。

■2.3 最小负荷系数

在最小负荷系数控制模式下，设定B与A相等，此时可得到kL，ref=kL，min，除了负荷系数最小负荷系数储能单元以外，其他都将最小负荷系数作为控制目标，通过降低Uout以及iout的方法降低负荷系数，进而使得所有的负荷系数都等于最小负荷系数。在此过程中，由于ΔkL，n永远≦0，因此也只能选择比例控制器。

以上三种方法虽然在负荷系数的取值上有所不同，但都是为储能单元提出一个统一的调节标准，但在实际的运行过程中，储能单元实际输出电流会受到最大允许电流等因素的影响，为有效满足负荷分配要求，储能单元可以通过降低负荷系数剩余容量的方法来提升自身的负荷系数，从而最大限度地保证储能装置的稳定运行。

3 柔性热投切控制方法分析

在多个储能单元并联的环境下，为有效实现故障维护、效率优化等功能需求，需要加强对柔性热投切功能的运用，从而有效保证负荷供电的稳定性。在负荷分配控制策略当中主要包括柔性热投入控制方法以及柔性热切除控制方法两种。

■3.1 柔性热投入控制

先对待投入的储能单元设置一个较小的投入容量，进而有效保证在运行以后其输出电流可以与原有的储能单元负荷系数相匹配，因为设置的数值很小，所以需要很短的动态调节时间即可完成，所造成的电流变化幅度也十分有限。到储能单元稳定运行以后，逐步增加数值到实际剩余容量的大小，同时对调节时间加以控制，以有效保证热投入操作的稳定性。

■3.2 柔性热切除控制

相较于柔性热投入控制方法，柔性热切除控制方法的相关流程完全相反，首先逐步减小待切除储能单元的容量数值，在这样的情况下，其输出电流随之降低，而其他储能单元需要负荷的电流则会增加。当这部分负荷电流值满足切除电流值的相关标准之后再完成切除操作，从而最大限度地避免因直接切除导致电流和过电压过大[3]。

4 实验结论的总结与分析

就实验的实际情况来看，相较于储能单元的正常运行其剩余容量的变化速率较慢，因此可以根据储能容量或者实际工况等因素设定一个检测的间隔时间，并不需要对剩余容量进行实时测定。实验表明，在控制器参数合理的情况下，可以在短时间内完成储能单元的动态输出，而剩余容量检测所产生的影响也可以忽略不计。与此同时，在进行负荷系数控制的过程中，由于负荷分配策略的本质仍是调节输出电流，因此在函数的传递方面与现阶段的均流控制是一致的。针对三种不同的控制模式，最大负荷系数控制操作起来简单；中间负荷系数控制模式精度最高；而最小负荷系数则更适用于对过压敏感的负荷。在实验中借助柔性热投切操作不仅完善了对自身负荷系数的调节，还有效抑制了冲击电流与电压的波动。负荷系数控制策略的提出有效满足了不同情况的具体需求，在满足并联储能单元不同负荷分配需求的基础上，针对现阶段使用的均流控制模式也可以借助一定的技术手段完成转化。