电流精确分配的直流微网储能单元SOC均衡控制策略

樊重阳，何 山,2*

(1. 新疆大学 电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；2.新疆大学 可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心，新疆 乌鲁木齐 830047)

可再生能源及微网，为解决能源危机及环境污染问题提供了有效途径.与交流电网相比，直流电网不用考虑频率、谐波及无功问题，且供电可靠性更高[1]，但太阳能和风能等可再生能源的输出功率具有间歇性和随机性，大规模接入直流电网会造成系统稳定性下降[2-3]，故需在微网中增加储能单元，以减轻功率波动、提高电能质量、维持系统稳定[4].可再生能源及储能设备通过电力电子变换器接入直流微网，下垂控制在直流微网中广泛应用[5-6].典型的直流微网包含光伏、风力发电单元、储能单元、变换器及负载.不同储能单元具有不同充放电特性及初始荷电状态(state of charge，简称SOC)，导致储能单元充放电功率存在差异.传统下垂控制中各储能单元按照固定下垂系数充放电，不能实现SOC均衡.针对SOC均衡，科研人员开展了大量研究工作.文献[7]通过SOC幂指数函数实现自适应下垂控制，能使储能单元SOC均衡.文献[8]设计模糊控制器调节下垂系数，实现了SOC均衡.文献[9]选取对数形式的参数，实现了母线电压无偏移的SOC均衡控制.文献[10]提出多模式切换方案，实现了储能单元输出功率的自适应控制.文献[11]提出主动测量法获取精确的线路电阻，并将其注入下垂系数，实现了电流的精确分配.文献[12]提出导数电压控制，提高了电流的分配精度，但未完全消除线路电阻对电流分配精度的影响.文献[13]提出瞬时下垂控制，根据输出电压偏差计算瞬时虚拟下垂系数，实现了电流的精确分配，但计算过程较复杂.文献[14]采用低带宽通信，实现了电流按比例分配，但下垂系数取值固定，输出电流不能根据负载变化动态调整.上述文献不能同时实现电流的精确分配和储能单元的SOC均衡.针对上述问题，该文提出电流精确分配的直流微网储能单元SOC均衡控制策略.通过仿真实验验证所提策略的有效性.

1 直流微网下垂控制

要使直流变换器的输出电压与直流母线电压相同，则需通过下垂控制进行功率调整.通过在直流母线电压中引入下垂系数(虚拟电阻)，达到改变储能单元输出电压的目的[15].

传统下垂控制的I-V表达式为

Voi=Vref-RiIoi，

(1)

其中：Voi为第i个储能单元的输出电压，Vref为母线电压参考值，Ri为第i个储能单元的下垂系数，Ioi为第i个储能单元的输出电流.为保证系统稳定运行，下垂系数应满足[16]

(2)

其中：ΔVmax为直流母线电压的最大偏差，Imax为储能单元的最大输出电流.

为分析储能单元间的电流分配，建立如图1所示的直流微网等效模型.图1中，ESUi(i=1,2,…,n)为储能单元；Rli(i=1,2,…,n)为线路电阻；Rloi(i=1,2,…,n)为本地负载；Pload为公共负载；IL为公共负载的电流，且IL=Io1+Io2+…+Ioi+…+Ion.

图1 直流微网等效模型

在线路电阻和本地不平衡负载均未考虑的理想状态下，各储能单元输出电压的关系为

Vo1=Vo2=…=Voi=…=Von.

(3)

由式(1)，(3)可得

(4)

考虑实际线路中的线路电阻和本地负载后，以图1中两个初始下垂系数相同(R1=R2)的储能单元ESU1，ESU2为例，ESU1，ESU2的输出电压分别为

(5)

其中：Vref为直流母线参考电压；R′l1,R′l2为本地负载投入运行后的不匹配线路电阻.

由式(5)可得

(6)

由式(6)可知，输出电流由初始下垂系数和不匹配等效线路电阻(R′l1,R′l2)决定.传统下垂控制的储能单元ESU1，ESU2的电流特性曲线如图2所示.由图2可知：当本地负载未投入运行、只有不匹配线路电阻时，ESU1，ESU2在Vt1处的电流特性曲线为L1，L2，此时两储能单元的输出电流偏差为ΔI；当本地负载投入运行时，ESU1，ESU2输出电流增加，ESU1，ESU2在Ut2处的电流特性曲线为L′1,L′2,此时两储能单元的输出电流偏差为ΔI′,输出电流偏差进一步增大，不能实现式(4)要求的电流精确分配.

图2 传统下垂控制的储能单元ESU1，ESU2的电流特性曲线

2 电流精确分配的储能单元SOC均衡控制策略

为实现直流微网储能单元SOC均衡，在传统下垂控制基础上采用SOC主动均衡控制模块，调节各储能单元的充放电电流.

使用库仑计数法估算得到储能单元SOC[17]的表达式为

(7)

其中：SOCi为当前时刻第i个储能单元的荷电状态；SOC0i为第i个储能单元初始荷电状态；Cei为第i个储能单元的储能容量；Ioi为第i个储能单元的输出电流.

储能单元SOC均衡控制模型为

Voi=Vref-RSOCiIoi,

(8)

其中：RSOCi=RiKSOCi,Ri为初始下垂系数，KSOCi的表达式为

(9)

对式(7)求导，可得

(10)

联立式(6),(8)，(10),可得

(11)

由式(11)可知，线路电阻和本地负载扰动导致SOC均衡控制性能降低，因此必须降低线路电阻和本地负载扰动对分流精度的影响.为提高分流精度，引入等效参考输出电流，通过PI(proportional integral)控制器生成电压补偿量调节直流母线参考电压Vref，消除SOC均衡偏差.各储能单元输出电流间的关系为

(12)

储能单元等效参考输出电流为

(13)

第i个储能单元Vref的补偿量为

(14)

其中：KP1,KI1为等效电流PI控制器参数.通过对Vref的精确补偿，以实现式(4)要求的电流精确分配.从图3可见，经ΔVri(ΔVr1，ΔVr2)补偿后，L′1，L′2分别从A′，B′移至C，此时储能单元输出电流大小相同.

图3 参考电压补偿下的储能单元电流特性曲线

为将母线电压保持在合理范围，需增加母线电压补偿量

(15)

其中：KP2,KI2为母线电压补偿PI控制器参数.

由图4可知，通过增加ΔVi使C移至C′,可保持母线电压稳定.该操作只调整了直流电压，储能单元输出电流不变，因此电流分配精度不受影响.

图4 母线电压补偿量

基于上述分析，该文提出电流精确分配的储能单元SOC均衡控制模型为

Voi=Vref-RSOCiIoi+ΔVri+ΔVi.

(16)

该文提出的电流精确分配的储能单元SOC均衡控制框图如图5所示.

图5 电流精确分配的储能单元SOC均衡控制框图

3 仿真结果及分析

为验证该文控制策略的有效性，在Matlab/Simulink中搭建包含储能单元ESU1，ESU2，ESU3的直流微网仿真模型(如图6所示)，分别在公共负载扰动、本地负载及线路电阻扰动工况下进行仿真实验.直流微网的参数如下：Vref=700 V，母线最大电压偏差为35 V，R1=R2=R3=0.7 Ω，储能单元最大输出电流为50 A，SOC1=52%，SOC2=50%，SOC3=47%，Ce1∶Ce2∶Ce3=5∶4∶4，SOC均衡系数为6，Rl1=0.3 Ω，Rl2=0.5 Ω，Rl3=1 Ω，Rlo1=980 Ω，Rlo2=612 Ω，Rlo3=490 Ω，KP1=5，KI1=80，KP2=0.9，KI2=15.

图6 直流微网仿真模型

(1) 公共负载扰动(工况1)

工况1的设置如下：可再生能源以34 kW的恒定功率输出，公共负载0～30 s时为30 Ω，30～80 s时为12.9 Ω;0～30 s时输出功率大于负载所需功率,储能单元处于充电状态，吸收多余功率；30～80 s时负载突增，输出功率无法满足负载运行的需要，储能单元迅速切换为放电状态，为系统提供功率支撑.

图7为两种控制策略的电流波形.由图7(a)可知，电流未精确分配的SOC均衡控制策略的各储能单元输出电流之比为Io1∶Io2∶Io3=1.42∶1.18∶1，未满足Io1∶Io2∶Io3=5∶4∶4的条件，故未实现电流的精确分配.由图7(b)可知，该文控制策略的各储能单元输出电流之比为Io1∶Io2∶Io3=5∶4∶4，故实现了电流的精确分配.相对于电流未精确分流的SOC均衡控制策略，该文控制策略储能单元输出电流Io1，Io2，Io3的分流精度分别提高了4.2%，7.8%，8.5%.

图7 两种控制策略的电流波形

图8为两种控制策略储能单元的SOC波形.由图8(a)可知，电流未精确分配的SOC均衡控制策略的3个储能单元SOC并不均衡；各储能单元SOC波形开始有均衡的趋势，但随后线路电阻的扰动导致SOC3>SOC2>SOC1，且该现象随放电过程持续进行愈明显，80 s的SOC最大值与最小值偏差达1.2%.由图8(b)可知，该文控制策略的3个储能单元的SOC逐渐收敛，最终实现了储能单元的SOC均衡.

图8 两种控制策略储能单元的SOC波形

由上述分析可知，在工况1下电流未精确分配的SOC均衡控制策略没有实现电流的精确分配及储能单元的SOC均衡，而该文控制策略能实现电流的精确分配及储能单元的SOC均衡.

(2) 本地负载及线路电阻扰动(工况2)

在工况1的基础上加入本地负载及线路电阻，以验证在本地负载及线路电阻扰动时该文策略的性能.设置如下：10～30 s接入本地负载Rlo1，20～80 s接入本地负载Rlo2，35～70 s接入本地负载Rlo3；在15 s时Rl1变为1 Ω，40 s时Rl3变为3 Ω，Rl2保持不变.图9～11分别为3个ESU的输出电流、SOC及直流母线电压波形.

图9 输出电流波形 图10 储能单元SOC波形 图11 直流母线电压波形

由图9可知，尽管本地负载和线路电阻发生变化，ESU1，ESU2，ESU3的电流仍能按各自下垂系数分配，各输出电流之比为Io1∶Io2∶Io3=5∶4∶4，表明电流实现了精确分配.由图10可知，线路电阻和本地负载的扰动并未对SOC均衡产生影响，储能单元SOC仍能保持均衡.由图11可知，本地负载及线路电阻发生变化时，母线电压仅发生微小波动，表明该文控制策略能有效调节母线电压.

综上可知，在工况2下该文控制策略仍能实现电流的精确分配、储能单元的SOC均衡.

4 结束语

针对不匹配线路电阻和本地不平衡负载造成的储能单元分流精度过低及SOC不能均衡问题，提出了电流精确分配的直流微网储能单元SOC均衡控制策略.引入等效参考输出电流，利用PI控制器产生电压补偿量，提高分流精度.通过动态调整下垂系数，改变输出电流，使SOC逐渐均衡.Matlab/Simulink仿真结果表明：该文控制策略在系统存在不匹配线路电阻和本地不平衡负载时，能有效提高储能单元分流精度、实现SOC均衡，提高了储能单元的稳定性.