適用于直流分布式儲能系統(tǒng)的控制策略

師長立，韋統(tǒng)振，霍群海，何俊強(qiáng)，張桐碩

（1中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190；2中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190）

近年來，電力電子技術(shù)與新能源技術(shù)取得了長足發(fā)展，光伏電池和燃料電池等可再生能源均為直流電，通常需要經(jīng)過DC/DC和DC/AC兩級變換才能注入傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)。風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的交流電，通常也是需要經(jīng)過AC/DC與DC/AC兩級變換才能注入交流配電網(wǎng)。與此同時，負(fù)荷的用電形式發(fā)生了很大變化，很多電氣設(shè)備如個人電腦、手機(jī)、電動汽車等采用直流供電，必須通過AC/DC環(huán)節(jié)才能從交流配電網(wǎng)中獲得能量。由于電力電子變頻技術(shù)在空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等電器的廣泛應(yīng)用，在交流配電網(wǎng)中，需要經(jīng)過AC/DC/AC環(huán)節(jié)才能達(dá)到變頻效果[1-2]。與此同時，交流配電系統(tǒng)面臨分布式電源大量接入，負(fù)荷多樣化，潮流控制復(fù)雜化等一系列問題。與交流配電系統(tǒng)相比，直流配電系統(tǒng)具有線路成本低、輸電損耗小、供電可靠性高、不存在頻率與相位問題等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。直流配電系統(tǒng)中接入儲能系統(tǒng)可以顯著減小新能源發(fā)電對電網(wǎng)的沖擊，提高新能源利用率，同時，儲能系統(tǒng)還可以慣性阻尼，提供負(fù)荷供電可靠性[5]。相比于集中式儲能，分布式儲能存在利用率更高、配置靈活、可進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。

分布式儲能單元之間的負(fù)荷分配是其核心問題。下垂控制策略是一種典型的無互聯(lián)線控制技術(shù)，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)針對此策略進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[8]提出了改進(jìn)型下垂控制策略，該策略采集儲能單元的SOC狀態(tài)，調(diào)整給定的下垂系數(shù)，使SOC狀態(tài)較低的儲能單元提供較少的功率，使SOC狀態(tài)較高的儲能單元承擔(dān)較重的負(fù)荷。該方法可以使分布式儲能系統(tǒng)中各儲能單元的SOC趨于一致，但是控制目標(biāo)單一，工作方式不夠靈活。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于一致性算法的新型下垂控制策略，各控制節(jié)點(diǎn)僅與鄰近節(jié)點(diǎn)交換實(shí)時狀態(tài)信息，通過算法迭代評估全網(wǎng)電壓，并實(shí)時尋找滿足要求的虛擬電阻，該控制策略不需要中央控制器，提高了系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性，但該控制策略過于復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[10-11]提出了基于虛擬電阻的下垂控制策略，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的即插即用，但由于線路阻抗分布不均，該策略控制精度較低，因此，該策略通過中央控制器采集全網(wǎng)狀態(tài)信息，來進(jìn)行二次調(diào)整，由于存在中央控制器，該控制策略可靠性以及可擴(kuò)展性較差。文獻(xiàn)[12]基于分布式算法，提出了自適應(yīng)下垂控制策略，實(shí)現(xiàn)了均流及調(diào)壓目的，但采用了簡單的多機(jī)并聯(lián)模型，并且使用連續(xù)時間模型分析系統(tǒng)性能，沒有考慮采樣和通信延時的因素，缺乏實(shí)際應(yīng)用的支撐。

電壓型下垂控制策略受線路之間阻抗的影響，控制精度較差，造成儲能單元之間負(fù)荷分配效果不夠理想。為解決傳統(tǒng)下垂控制算法控制效果不佳的問題，本文提出了新型電流型下垂控制策略，實(shí)現(xiàn)了分布式儲能系統(tǒng)中線路阻抗的解耦控制，提高了負(fù)荷分配的精度，并提出了該控制策略的具體實(shí)現(xiàn)方法以及關(guān)鍵控制參數(shù)的約束條件及計(jì)算方法。最后，搭建仿真和實(shí)驗(yàn)平臺并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。

1 下垂控制策略原理分析

電壓下垂控制受儲能單元輸出電壓以及線路阻抗影響，儲能單元之間的耦合度很高，造成系統(tǒng)負(fù)荷分配的控制效果較差。

圖1 電流型下垂控制的功率分配原理圖Fig.1 Schematic chart of load distribution based on the current droop control algorithm

為解決電壓型下垂控制策略存在的問題，提高負(fù)荷分配精度，本文提出電流型下垂控制策略，其控制機(jī)理如圖1所示，負(fù)荷兩端電壓如式（1）所示，儲能單元輸出電壓如式（2）與式（3）所示，儲能單元輸出功率如式（4）與式（5）所示。由式（4）與式（5）可知，儲能單元輸出的功率取決于負(fù)荷大小與儲能單元與負(fù)荷之間的線路阻抗，不受其他儲能單元及線路阻抗的影響，提高了負(fù)荷的分配精度，實(shí)現(xiàn)了儲能單元之間的解耦控制，負(fù)荷分配精度更高。

式中，U0為負(fù)荷兩端電壓；I1為儲能單元1輸出電流；I2為儲能單元2輸出電流；R0為等效負(fù)荷；R1為儲能單元1等效線路阻抗；R2為儲能單元2等效線路阻抗；U1為儲能單元1實(shí)際輸出電壓；U2為儲能單元2實(shí)際輸出電壓；P1為儲能單元1輸出功率；P2為儲能單元2輸出功率。

2 控制策略實(shí)現(xiàn)方法及控制原理

式中，Ioutref為給定電流參考值；Uoutref為給定電壓參考值；U為實(shí)際電壓值；ΔU為電壓偏移量；K為電流下垂系數(shù)。

控制策略原理如圖2所示，以分布式儲能系統(tǒng)中包含兩個儲能單元為例，儲能單元的電流±I1、±I2與電壓偏移量±ΔU之間具有下垂特性。當(dāng) ΔU為正值時，±ΔU越大，儲能單元輸出電流 -I1、-I2越大。當(dāng)ΔU為負(fù)值時，-ΔU越小，儲能單元的輸入電流±I1、±I2越大。根據(jù)這一特性可以實(shí)現(xiàn)儲能單元之間的負(fù)荷分配。儲能單元下垂控制原理圖如圖3所示，由公式(6)可知，儲能單元電流Ioutref取決于輸出電壓偏移量±ΔU與下垂系數(shù)K。當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時，輸出電壓U會相應(yīng)的發(fā)生變化，偏離電壓參考值Uref產(chǎn)生電壓偏移量±ΔU，分布式儲能系統(tǒng)根據(jù)±ΔU控制實(shí)際電流±I1、±I2增加或者減少，最終達(dá)到新的平衡。

圖2 電流下垂控制策略原理示意圖Fig.2 Output characteristic curves of the current droop control strategy

圖3 電流下垂控制策略控制框圖Fig.3 The control structure of the current droop control strategy

3 關(guān)鍵控制參數(shù)計(jì)算方法分析

以分布式儲能系統(tǒng)中含有兩個儲能單元為例，設(shè)定直流負(fù)荷R所需功率由P表示，儲能單元1提供的功率由P1表示，儲能單元2提供的功率由P2表示，負(fù)荷電壓由U表示，儲能單元之間的功率比由N表示，儲能單元提供功率與負(fù)荷所需功率的關(guān)系見式（7）與式（8）

儲能單元1與儲能單元2電流分別為

式中，ΔU為電壓偏移量；Ioutref1為儲能單元1電流參考值；Ioutref2為儲能單元2電流參考值；K1為儲能單元1電流下垂系數(shù)；K2為儲能單元2電流下垂系數(shù)。

儲能單元分擔(dān)功率如式（11）與式（12）所示。

將式（7）、式（8）、式（11）與式（12），可得式（13）與（14）。

設(shè)定直流負(fù)荷額定功率為Pmax，此時，直流電壓偏移量為±ΔUmax，由式（13）與式（14）可得公式（15）與公式（16）

為降低線路阻抗對控制效果的影響，應(yīng)滿足公式（17）與公式（18）所示關(guān)系

由式（15）～（18）可得，電流下垂系數(shù)K1與K2取值范圍如式（19）與式（20）所示，下垂系數(shù)的選取既不能太大也不能太小，否則無法達(dá)到預(yù)期的負(fù)荷分配效果。由于儲能單元實(shí)現(xiàn)了解耦控制，雖然所提方法以含有兩臺變換器為例得出，當(dāng)分布式儲能系統(tǒng)中含有多個儲能單元時，該關(guān)鍵控制參數(shù)確定方法仍然適用。

基于Buck/Boost變換器，在MATLAB/Simulink中搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺，當(dāng)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)電壓型下垂策略時，分布式儲能系統(tǒng)各單元輸出電流波形如圖4所示，0.25 s之前，儲能單元線路阻抗一致時，儲能單元輸出電流一致，負(fù)荷平均分配，0.25 s之后，儲能單元2線路阻抗發(fā)生變化，儲能單元1輸出電流變?yōu)?6.5 A，儲能單元2輸出電流變?yōu)?4.5 A，兩者相差8 A，儲能單元電流之間出現(xiàn)較大偏差，系統(tǒng)功率分配效果變差。當(dāng)分布式儲能系統(tǒng)采用電流型下垂控制策略時，儲能單元輸出電流波形如圖5所示，當(dāng)儲能單元2的線路阻抗在0.25 s發(fā)生變化時，由于儲能單元之間實(shí)現(xiàn)了解耦控制，儲能單元1的輸出電流維持在40.1 A不變，儲能單元2的輸出電流雖然略有變化，變?yōu)?0.5 A，兩者相差0.4 A。與電壓下垂控制相比，控制效果得到明顯提升。由此可以說明，電流下垂控制策略的負(fù)荷分配效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)電壓下垂控制策略。

圖4 采用電壓下垂控制策略時輸出電流波形Fig.4 Output current waveform using voltage droop control strategy

圖5 采用電流下垂控制策略時輸出電流波形Fig.5 Output current waveform using current droop control strategy

4 電流型下垂控制策略實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證以上理論分析的正確性及所提控制策略的合理性，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，分布式儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，儲能單元采用Buck/Boost雙向變換器，控制策略采用輸出電流外環(huán)，輸入電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制，實(shí)驗(yàn)平臺參數(shù)如表1所示。

如圖7所示，分布式儲能系統(tǒng)采用電流型下垂控制策略時，初始時刻，儲能單元2未工作，儲能單元1提供所需全部功率，儲能單元2投入工作后，各儲能單元輸出電流波形重合，說明分布式儲能單元之間有很好的負(fù)荷分配效果。當(dāng)負(fù)荷變化時，分布式儲能單元輸出電流波形仍然重合。由此可知，分布式儲能系統(tǒng)采用電流型下垂控制策略時可以很好的實(shí)現(xiàn)負(fù)荷在分布式儲能單元之間的分配。

表1 實(shí)驗(yàn)平臺參數(shù)表Table1 Main parameters of experimental platform

圖6 基于電流下垂控制的分布式儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The distributed energy storage system with the current droop control strategy

圖7 分布式儲能系統(tǒng)負(fù)荷分配波形Fig.7 The load distribution waveform of distributed energy storage system

充電時，分布式儲能系統(tǒng)采用電流型下垂控制算法時功率分配效果如圖8所示，初始時刻，全部功率給儲能單元1充電，投入儲能單元2后，儲能單元之間的充電電流一致，儲能單元之間實(shí)現(xiàn)了很好的功率分配。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提新型電流型下垂控制策略具體很好的控制效果，證明該控制策略實(shí)現(xiàn)了分布式儲能系統(tǒng)的線路阻抗解耦控制，負(fù)荷分配效果優(yōu)于現(xiàn)有下垂控制策略。

圖8 充電時分布式儲能系統(tǒng)負(fù)荷分配波形Fig.8 The load distribution waveform of distributed energy storage system is charged

5 結(jié) 論

本文針對采用電壓型下垂控制策略后，分布式儲能系統(tǒng)各個單元之間耦合程度高、易受線路阻抗的影響、均流效果差的問題，提出了電流型下垂控制策略，實(shí)現(xiàn)了儲能單元之間的線路解耦，與現(xiàn)有下垂控制相比，控制效果更好。本文深入研究了新型電流下垂控制工作原理，并提出了具體實(shí)現(xiàn)方法，給出了關(guān)鍵控制參數(shù)的計(jì)算方法，確保所提控制算法具有較好的控制效果，并進(jìn)行了相關(guān)仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提電流型下垂控制策略的控制效果優(yōu)于電壓型下垂控制策略。為拓展新型電流型下垂控制策略適用范圍，未來將進(jìn)一步開展其應(yīng)用研究。