剩余容量匹配的儲能裝置負荷分配控制技術研究

趙書強，孫科

（華北電力大學，河北保定，071003）

0 引言

當前儲能器件控制技術在各行業都得到了大力應用，其中包括航天、交通、航海等領域，為了進一步滿足其供電容量需求，應該不斷加強對優化儲能裝置技術方案的研究力度。然而傳統的均流控制、下垂控制等方法都存在利用率低的弊端，面對這樣的問題，有效提升儲能裝置剩余容量的利用率成為技術創新的重點。

1 負荷分配控制方案設計

很多時候，各個并聯運行的儲能單元其剩余容量是不一致的，為了最大限度地提升其容量利用效率，應保持其相互之間的充放電極限狀態運行時間保持一致，進而剩余容量多的儲能單元需要承擔更多的負荷電流，而容量少的儲能單元承擔的也就更少。由于受到并聯運行狀態的影響，各個儲能單元的輸出電壓可以認為都相等，而同時輸出電流的大小也與自身的剩余容量相匹配，因此不論存在怎樣的剩余容量差異，都可以有效達到充放電的極限狀態[1]。在這樣的情況下，負荷電流與剩余容量之間的關系可以通過如下關系式1進行表示：

而將負荷系數kL,n代入其中以后，該關系式2可以表述為：

其中Io,n表示的是電流幅值，而N表示的為儲能單元的總數，CR,n為剩余容量。

結合以上的內容進行分析，本文在進行實驗的過程中將各個儲能單元負荷系數相等作為總體的控制目標，借助互聯線結構通信方案的落實來實現單元之間的負荷信息共享。通常情況下，基于互聯線的負荷分配方法主要可以分為主從式和對等式兩種，但為進一步提升負荷分配方案的靈活性和穩定性，文本選用的為對等式的分配方法，其中相應的儲能單元硬件結構框圖如圖1所示。

從圖1中可以看出，通過雙向Buck電路作為儲能單元的充放電主電路，RE和RL分別為主電路等效內阻與等效電阻，而uout和iout分別為主電路輸出端口的電壓和電流，同時，圖中的兩條公共信號母線可以與所有的并聯儲能單元加以連接，進而有效實現各個儲能單元之間的負荷信息共享。

圖1 負荷分配方案儲能單元硬件結構示意圖

2 以剩余容量匹配為基礎的儲能裝置負荷分配控制策略

例如在電壓-電流雙閉環充放電控制策略的運行過程中，借助最大負荷系數信號kL，max以及最大負荷系數差信號ΔkL，max可以構建有效的負荷分配控制策略，具體的運行流程如圖2所示。

圖2 負荷分配控制策略運行示意圖

結合圖2內容，在計算參考負荷系數kL，ref的時候可以應用以下關系式3：

在上式3中B所對應的為調節系數，進而根據調節系數取值的不同可以設計出最大負荷系數、中間負荷系數以及最小負荷系數等不同的負荷分配控制模式。

■2.1 最大負荷系數

在最大負荷系數控制模式下，將B值設定為0，此時kL，ref和kL，max相等，負荷分配控制過程中并不包括母線2。與此同時，除了最大負荷系數儲能單元以外，其他單元都會將最大負荷系數作為自身的控制目標，進而通過提升Uout以及iout的手段來提升負荷系數[2]。由于總體的負荷不變，其他儲能單元電流增加勢必會導致最大負荷系數儲能單元電流的降低，因此也會產生新的最大值傳送到母線1上。而且在調整的過程中，各個儲能單元負荷系數之間的差別會逐漸變小，負荷分配控制與剩余容量的匹配程度將會不斷提升，由于Δk值永遠≧0，因此要選擇比例控制器作為負荷控制器。

■2.2 中間負荷系數

在中間負荷系數控制模式下，將B值設定為0.5，此時kL，ref和 kL，max的關系為 kL，ref=kL，max-0.5ΔkL，max。此時，每一個儲能單元都會將中間負荷系數作為自身的控制目標，因此在進行電流調節的過程中相應的中間負荷系數也會在不停發生變化，最終趨于穩定，進而使得所有儲能單元的負荷系數都將與中間負荷系數相等，由于ΔkL，n值可以發生正負轉換，因此可以選擇PI控制器作為負荷控制器。

■2.3 最小負荷系數

在最小負荷系數控制模式下，設定B與A相等，此時可得到kL，ref=kL，min，除了負荷系數最小負荷系數儲能單元以外，其他都將最小負荷系數作為控制目標，通過降低Uout以及iout的方法降低負荷系數，進而使得所有的負荷系數都等于最小負荷系數。在此過程中，由于ΔkL，n永遠≦0，因此也只能選擇比例控制器。

以上三種方法雖然在負荷系數的取值上有所不同，但都是為儲能單元提出一個統一的調節標準，但在實際的運行過程中，儲能單元實際輸出電流會受到最大允許電流等因素的影響，為有效滿足負荷分配要求，儲能單元可以通過降低負荷系數剩余容量的方法來提升自身的負荷系數，從而最大限度地保證儲能裝置的穩定運行。

3 柔性熱投切控制方法分析

在多個儲能單元并聯的環境下，為有效實現故障維護、效率優化等功能需求，需要加強對柔性熱投切功能的運用，從而有效保證負荷供電的穩定性。在負荷分配控制策略當中主要包括柔性熱投入控制方法以及柔性熱切除控制方法兩種。

■3.1 柔性熱投入控制

先對待投入的儲能單元設置一個較小的投入容量，進而有效保證在運行以后其輸出電流可以與原有的儲能單元負荷系數相匹配，因為設置的數值很小，所以需要很短的動態調節時間即可完成，所造成的電流變化幅度也十分有限。到儲能單元穩定運行以后，逐步增加數值到實際剩余容量的大小，同時對調節時間加以控制，以有效保證熱投入操作的穩定性。

■3.2 柔性熱切除控制

相較于柔性熱投入控制方法，柔性熱切除控制方法的相關流程完全相反，首先逐步減小待切除儲能單元的容量數值，在這樣的情況下，其輸出電流隨之降低，而其他儲能單元需要負荷的電流則會增加。當這部分負荷電流值滿足切除電流值的相關標準之后再完成切除操作，從而最大限度地避免因直接切除導致電流和過電壓過大[3]。

4 實驗結論的總結與分析

就實驗的實際情況來看，相較于儲能單元的正常運行其剩余容量的變化速率較慢，因此可以根據儲能容量或者實際工況等因素設定一個檢測的間隔時間，并不需要對剩余容量進行實時測定。實驗表明，在控制器參數合理的情況下，可以在短時間內完成儲能單元的動態輸出，而剩余容量檢測所產生的影響也可以忽略不計。與此同時，在進行負荷系數控制的過程中，由于負荷分配策略的本質仍是調節輸出電流，因此在函數的傳遞方面與現階段的均流控制是一致的。針對三種不同的控制模式，最大負荷系數控制操作起來簡單；中間負荷系數控制模式精度最高；而最小負荷系數則更適用于對過壓敏感的負荷。在實驗中借助柔性熱投切操作不僅完善了對自身負荷系數的調節，還有效抑制了沖擊電流與電壓的波動。負荷系數控制策略的提出有效滿足了不同情況的具體需求，在滿足并聯儲能單元不同負荷分配需求的基礎上，針對現階段使用的均流控制模式也可以借助一定的技術手段完成轉化。

5 結語

綜上所述，結合傳統技術模式落實以剩余容量為基礎的負荷分配策略對整體儲能裝置控制領域發展都起到了關鍵的作用。為不斷推動相關策略成效的充分發揮，在實際應用的過程中，應有效結合技術應用的實際情況確立新的負荷分配設計方案與檢驗指標，進而為儲能裝置負荷分配控制技術的全面發展奠定基礎。