光儲荷直流微電網協調荷電狀態功率分配策略研究

楊宇行，盧聞州

（江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122）

0 引 言

在資源緊缺和環境保護的壓力下，光伏微電網受到了廣泛關注[1]。光伏供電的間歇性和隨機性會引發一系列的問題，常常需要通過增加儲能裝置來使直流母線電壓穩定[2]。光儲荷微電網系統往往由多個蓄電池構成儲能裝置，如何制定合理的功率分配方式顯得尤為重要。

目前對于儲能裝置功率分配的研究主要集中在SOC平衡方面[3]。文獻[4]建立了基于自適應電源管理的策略，通過對燃料電池-超級電容模塊進行下垂控制，動態分配了不同模塊的輸出能量，但未分析多個蓄電池內部SOC問題。文獻[5]考慮了蓄電池容量和充放電循環帶來的經濟損失問題，通過對約束條件進行設定求解，降低了微電網的運行維護成本，但犧牲了直流電網的穩定性。文獻[6]提出了一種高可靠性的均衡充電控制方式，令蓄電池組的充電深度保持相同，但增加了蓄電池內部的充放電次數，減少了系統的使用壽命。

為了解決光儲荷微電網系統中儲能裝置內多電池SOC不均衡的問題，文章首先分析了光儲荷微電網的組成，其次提出了一種變階段的協調SOC功率分配策略，該策略對儲能裝置內處于不同SOC的蓄電池分配不同的吸收/放出功率值，令多個蓄電池的SOC值差異在系統運行時逐步減小，最后通過MATLAB/Simulink仿真驗證了分配策略的有效性。

1 協調SOC功率分配

1.1 光儲荷微電網工作模式

典型的光儲荷微電網系統通常包含光伏模塊、儲能模塊、直流負荷、BOOST變換器以及雙向DC-DC變換器。圖1為光儲荷微電網的總體框圖，其中光伏模塊通過BOOST變換器將能量傳遞給儲能裝置和負荷，由多個蓄電池構成的儲能裝置則分別通過雙向DC-DC變換器與直流母線相連，接收和輸送電能。

圖1 直流微電網總體框圖

1.2 儲能裝置功率分配

儲能裝置負責補充系統功率差額，在含有多個蓄電池的情況下，合理的功率分配方式將大大增加系統的工作穩定性。儲能裝置SOC控制結構如圖2所示，n個蓄電池聯合構成儲能裝置，每個蓄電池都單獨通過一套雙向DC-DC變換器來與直流母線連接。

圖2 儲能裝置SOC控制結構圖

每個蓄電池均有一個SOC值，第n個蓄電池的荷電值為SOCn，則有：

式中，SOCm為n個接入光儲荷微電網的蓄電池的SOC平均荷電狀態值。

考慮到不同蓄電池的SOC含量不同，所應承擔的功率需求也不同，因此制定了圖3的功率分配方式。

圖3 功率分配因子函數圖

圖3中的SOCmax與SOCmin為設定的最大與最小SOC值，當蓄電池SOC值處于最大或最小值時，參考充/放電功率為0。SOCa與SOCb為功率分配因子曲線的拐點，當蓄電池SOC處于SOCmin～SOCa階段時，若蓄電池處于放電狀態，則放電參考值會隨SOC值的減小而快速減小。反之，當蓄電池SOC處于SOCb～SOCmax階段時，若蓄電池處于充電狀態，則充電參考值會隨SOC值的增大而快速減小。

由于儲能裝置為光儲荷微電網提供的功率是實時變化的，而儲能裝置中各個蓄電池所分配的功率占總功率的比例在一段時間內不變，因此需要先求出每個蓄電池分配的功率占比，再根據總體功率值求出每個蓄電池實際分配的功率值。

設定蓄電池SOC值為50%時的功率分配因子為1，根據圖3有：

式中，min表示吸收功率，mout表示輸出功率，k1和k2為充放電功率參考系數，即圖3充放電曲線各個階段的斜率。

根據式（2）和式（3）可知第n個蓄電池的功率參考值Pnbat為：

1.3 k值調整

微電網中，功率差額可能有很大變化，可以通過改變功率分配因子中的k1、k2值來減小蓄電池在大功率下輸出和輸入功率的差異。

以放電模式為例，如圖4所示。k值調整前，功率分配因子曲線在SOCa～SOCb區間內斜率較大，不同蓄電池輸出功率差異較大；k值調整后，曲線在SOCa～SOCb區間內斜率較小，不同蓄電池輸出功率差異減小。

圖4 k值調整

光儲荷微電網內部蓄電池的型號相同，標準輸出電流均為Iaa，設定蓄電池輸入輸出容忍度為Ktor，則蓄電池最大輸出電流為：

該微電網蓄電裝置最大輸出功率為：

式中，Pm為標準情況下的輸出功率。

由圖4可知，當SOCa與SOCb確定時，k2值隨k1值的變化而變化，因此只需要設定k1值的變化方式，即：

式中，Pbat為蓄電池模塊實際分配功率值，1/(0.5-SOCmin)為斜率因子，用于保證k1與k2值為正且k2≥k1。由此可以確定k2值為：

2 仿真驗證

2.1 仿真參數

為驗證協調功率分配策略的可行性，用MATLAB/Simulink進行仿真，仿真參數如表1所示。仿真系統涉及到的模型包括光伏電池、蓄電池、直流負荷、雙向DC-DC變換器以及Boost變換器5部分。儲能裝置使用3個蓄電池模塊進行供能，仿真時間共2 s，第0～1 s系統為負荷1供能，第1～2 s系統為負荷1和負荷2供能。

表1 仿真主要參數

2.2 協調SOC功率分配仿真

系統仿真結果如圖5所示，從圖5（a）可知，系統在0.5 s后即保持600 V的穩定電壓狀態，1 s時負荷突增，系統經過短暫調整仍維持電壓穩定。

在改進后的功率分配方式下，圖5（b）中SOC值更高的蓄電池1在放電時會釋放更多的電能，在充電時則會吸收較少的電能；蓄電池3由于本身的SOC值較小，在放電時所釋放的電能較少，充電時獲得更多電能。由此可知，使用協調SOC功率分配策略可以減少系統運行中蓄電池之間SOC值的差異，達到SOC均衡的目的。

圖5 斜坡改進型功率分配仿真結果

2.3 變k值仿真

為驗證k值改變對功率分配的影響，分別以k1=1、k2=7和k1=k2=2.5進行對比仿真，仿真結果如圖6所示。

蓄電池模塊的SOC值分別為0.9、0.4及0.1。由此可知，k1取值較小時，在總功率需求相同的情況下，不同SOC值的蓄電池模塊分配功率差異較小，而k1值較大時，不同SOC值的蓄電池模塊分配功率差異較大。通過合理改變k值，可以有效調節不同SOC蓄電池輸入輸出分配的功率，從而更加靈活地應對不同功率差額。

3 結 論

采用協調SOC功率分配方式對微電網儲能裝置中的蓄電池進行功率分配，可以在維持直流母線電壓穩定的同時減少不同蓄電池SOC值的差異。通過改變功率分配斜率k值可以靈活應對不同場景的需求，MATLAB仿真證明了所提策略的有效性。