改进互联通信荷电状态下垂控制及功率均衡优化
2021-08-28柴秀慧张纯江柴建国赵晓君
柴秀慧 张纯江 柴建国 赵晓君 焦 猛
改进互联通信荷电状态下垂控制及功率均衡优化
柴秀慧1张纯江1柴建国2赵晓君1焦 猛1
（1. 燕山大学电气工程学院 秦皇岛 066004 2. 天津航天机电设备研究所 天津 300457）
作为直流微电网中不可或缺的组成部分，分布式直流储能系统起着平抑系统能量波动、维持系统功率平衡的重要作用。为了提高储能系统工作的可靠性，该文对互联通信荷电状态（SOC）下垂控制策略进行深入研究。首先，对传统互联通信SOC下垂控制的系统性能及存在的问题进行分析，为之后控制策略的改进奠定基础；其次，提出改进互联通信SOC下垂控制策略，即在传统互联通信SOC下垂控制基础上引入变化系数；再次，通过对改进互联通信SOC下垂控制系统性能的分析，得到变化系数参数设计方法，在提高系统功率收敛速度的同时，限制功率输出最大值，从而提高系统可靠性；最后，对由两台储能模块构成的储能系统进行仿真和实验，实验结果验证了改进策略的快速性及对输出功率的限制。
分布式储能系统 互联通信 荷电状态下垂控制 功率均衡
0 引言
随着光伏、风电等分布式发电渗透率的提高，分布式直流储能系统由于其突出的优势，被广泛应用于微电网以稳定直流母线电压和提高系统可靠 性[1-2]，同时通过储能系统吸收或释放功率以起到“削峰填谷”的作用。在分布式直流储能系统中，多台储能模块通过双向DC-DC变换器并联于直流母线[3-4]，由于各储能模块荷电状态（State Of Charge, SOC）存在差异，为了保证系统安全稳定运行，常采用SOC下垂控制来实现功率在各储能模块之间的合理分配[5-7]。目前，SOC下垂控制主要分为无互联通信SOC下垂控制和有互联通信SOC下垂控制两种。
文献[8-9]提出一种两象限SOC下垂控制策略，通过构建下垂系数与SOC的次幂成反比的关系从而实现功率合理分配，但在SOC较小时存在电压跌落较大的问题。为了解决该问题，文献[10]在两象限SOC下垂控制基础上，提出直流母线电压二次控制策略，在提高系统稳定性的同时，增加了系统复杂性。文献[11]提出一种基于SOC自适应下垂系数协同控制策略，在功率按SOC合理分配的前提下，减小母线电压跌落值。文献[12]建立下垂系数与SOC的指数函数关系，在实现功率合理分配的同时，保证母线电压跌落在合理范围之内，从而提高了系统可靠性。以上无互联通信SOC下垂控制策略具有控制简单和可靠性高等特点，但是存在功率均衡速度慢的缺点。
上述互联通信SOC下垂控制策略均可实现储能模块间SOC均衡，并经过不断改进以提高系统的可靠性和控制精度，但仍存在SOC均衡速度较慢的缺点，且在储能模块SOC差值较大时，存在储能模块输出功率超出其额定功率的现象。因此，本文在传统互联通信SOC指数下垂控制策略基础上，引入变化系数，在实现功率合理分配的同时，限制各储能模块最大输出功率，保证其在工程允许范围内，并加快了系统整体收敛速度，使各模块输出功率更快地趋于均衡。
1 传统互联通信SOC指数下垂控制策略
1.1 控制策略的基本原理
传统互联通信SOC指数下垂控制表达式为
其中
图1 两台储能模块并联的等效电路模型
1.2 储能模块之间的功率分配
将式（1）代入式（6），可得传统互联通信SOC指数下垂控制的输出功率比值为
根据式（7），可得储能模块的输出功率分别为
1.3 SOC工作范围的确定
1.4 功率收敛性的分析
图2 功率比值与DSOC的特性曲线
1.5 直流母线电压跌落最大值分析
式中，rate为额定功率。
为了简化分析过程，令，则传统互联通信SOC下垂控制在不同n值下直流母线电压跌落最大值波形如图3所示，随着n值的增大而增大，严重时会导致直流母线电压跌落超过允许范围，从而影响系统的稳定性。
综上所述，传统互联通信SOC指数下垂控制存在如下问题：①SOC均衡速度慢；②储能模块输出功率远远超出额定功率；③直流母线电压跌落最大值较大。
2 改进互联通信SOC指数下垂控制策略
为了解决传统互联通信SOC指数下垂控制策略存在的问题，本文在其控制策略基础上引入变化系数以修正下垂系数与SOC之间的函数关系，在保证输出功率合理分配的同时，限制各储能模块最大输出功率并加快各模块输出功率的整体均衡速度，同时大大降低直流母线电压跌落最大值，提高系统稳定性和可靠性。
改进互联通信SOC指数下垂控制的下垂系数表达式为
将式（15）代入式（6），可得改进互联通信SOC指数下垂控制的输出功率比值为
根据式（7）及式（18），可得改进前后两种SOC下垂控制策略的功率比值特性曲线对比如图4所示。
图4 两种控制策略下功率比值特性曲线对比
3 系统性能分析及变化系数参数设计
3.1 系统稳定性分析
其中
根据式（19），列出劳斯阵列为
3.2 功率最大值限制及参数设计方法
根据式（22），在功率恒值区时储能模块间的功率分配近似如式（23）所示，储能多的模块功率分配大于储能少的模块，通过对前者输出功率表达式中参数进行设计，可限制其输出功率上限，使储能模块工作在工程允许范围内。
3.3 功率收敛性分析及参数设计
在加速区间内，输出功率比值近似为
图7 不同b 值下功率比值与DSOC的特性曲线
3.4 直流母线电压跌落最大值分析
根据功率限制要求，储能模块输出最大功率为
图8 两种控制策略下Dudcmax对比波形
4 仿真和实验验证
4.1 仿真分析
图9 改进互联通信SOC下垂控制框图
图12 改进SOC下垂控制波形
图13 改进SOC下垂控制的充电模式仿真波形
改进SOC下垂控制策略的直流母线电压仿真波形如图14所示，直流母线电压稳定于1 200V，其直流母线电压跌落最大值很小，为1V左右，大大提高了直流母线电压的稳定性。
图14 直流母线电压仿真波形
4.2 实验分析
搭建由两台储能模块构成的分布式储能系统实验平台，其中，变换器采用悬浮交错并联双向DC-DC变换器，实物如图15所示。通过DSP（TMS320F28335）数字控制电路实现并联运行的两个储能模块的输出功率控制。实验参数具体如下：蓄电池电压为40V，直流母线电压为160V，储能单元容量为1.5A·h，母
图15 双向DC-DC变换器实物
图16 n=6时传统SOC下垂控制的放电模式实验波形
图17 n=6时改进SOC下垂控制的放电模式实验波形
图18 n=6时传统SOC下垂控制的充电模式实验波形
图19 n=6时改进SOC下垂控制的充电模式实验波形
5 结论
本文提出一种改进互联通信SOC下垂控制策略，通过在传统互联通信SOC下垂控制基础上引入变化系数以修正下垂系数与SOC之间的函数关系，从而改善了系统性能，并通过仿真和实验验证了改进控制方案的可行性，得出以下结论：
3）大大降低了直流母线电压跌落最大值，无需母线电压二次控制，增加了系统的可靠性。
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Improved Interconnected Communication State of Charge Droop Control and Power Balance Optimization
11211
（1. College of Eletrical Engineering Yanshan University Qinhuangdao 066004 China 2. Institute of Tianjin Aerospace Mechanical and Electrical Equipment Tianjin 300457 China）
As an integral part of the DC microgrid, the distributed energy storage system plays an important role in suppressing system energy fluctuations and maintaining system power balance. In order to improve the reliability of the energy storage system, the interconnected communication state of charge (SOC) droop control strategy is studied. Firstly, the system performance and existing problems of the traditional interconnected communication SOC droop control are analyzed. Secondly, the improved interconnected communication SOC droop control strategy is proposed, that is, a variation coefficient is introduced on the basis of the traditional interconnected communication SOC droop control. Thirdly, through the analysis of the system performance of the improved interconnected communication SOC droop control, the design method of variation coefficient parameters is obtained, which not only improves the power convergence speed of the system, but also limits the maximum power output, thereby improving the reliability of the system. Finally, the energy storage system consisting of two energy storage modules is simulated and tested. The results verify the rapidity of the improved strategy and its limitation on the output power.
Distributed energy storage system, interconnected communication, state of charge droop control, power balance
10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90461
TM464
柴秀慧 女，1984年生，讲师，硕士生导师，研究方向为风力发电变流器及控制技术和储能系统功率流控制等。E-mail: caixiuhuihb@126.com
张纯江 男，1961年生，教授，博士生导师，研究方向为可再生能源分布式发电及控制技术等。E-mail: zhangcj@ysu.edu.cn（通信作者）
2020-07-11
2020-10-01
国家自然科学基金项目（51877187）和河北省博士后科研项目（B2019003024）资助。
（编辑 陈 诚）
