改進互聯通信荷電狀態下垂控制及功率均衡優化

柴秀慧 張純江 柴建國 趙曉君 焦 猛

改進互聯通信荷電狀態下垂控制及功率均衡優化

柴秀慧1張純江1柴建國2趙曉君1焦 猛1

（1. 燕山大學電氣工程學院 秦皇島 066004 2. 天津航天機電設備研究所 天津 300457）

作為直流微電網中不可或缺的組成部分，分布式直流儲能系統起著平抑系統能量波動、維持系統功率平衡的重要作用。為了提高儲能系統工作的可靠性，該文對互聯通信荷電狀態（SOC）下垂控制策略進行深入研究。首先，對傳統互聯通信SOC下垂控制的系統性能及存在的問題進行分析，為之后控制策略的改進奠定基礎；其次，提出改進互聯通信SOC下垂控制策略，即在傳統互聯通信SOC下垂控制基礎上引入變化系數；再次，通過對改進互聯通信SOC下垂控制系統性能的分析，得到變化系數參數設計方法，在提高系統功率收斂速度的同時，限制功率輸出最大值，從而提高系統可靠性；最后，對由兩臺儲能模塊構成的儲能系統進行仿真和實驗，實驗結果驗證了改進策略的快速性及對輸出功率的限制。

分布式儲能系統 互聯通信 荷電狀態下垂控制 功率均衡

0 引言

隨著光伏、風電等分布式發電滲透率的提高，分布式直流儲能系統由于其突出的優勢，被廣泛應用于微電網以穩定直流母線電壓和提高系統可靠 性[1-2]，同時通過儲能系統吸收或釋放功率以起到“削峰填谷”的作用。在分布式直流儲能系統中，多臺儲能模塊通過雙向DC-DC變換器并聯于直流母線[3-4]，由于各儲能模塊荷電狀態（State Of Charge, SOC）存在差異，為了保證系統安全穩定運行，常采用SOC下垂控制來實現功率在各儲能模塊之間的合理分配[5-7]。目前，SOC下垂控制主要分為無互聯通信SOC下垂控制和有互聯通信SOC下垂控制兩種。

文獻[8-9]提出一種兩象限SOC下垂控制策略，通過構建下垂系數與SOC的次冪成反比的關系從而實現功率合理分配，但在SOC較小時存在電壓跌落較大的問題。為了解決該問題，文獻[10]在兩象限SOC下垂控制基礎上，提出直流母線電壓二次控制策略，在提高系統穩定性的同時，增加了系統復雜性。文獻[11]提出一種基于SOC自適應下垂系數協同控制策略，在功率按SOC合理分配的前提下，減小母線電壓跌落值。文獻[12]建立下垂系數與SOC的指數函數關系，在實現功率合理分配的同時，保證母線電壓跌落在合理范圍之內，從而提高了系統可靠性。以上無互聯通信SOC下垂控制策略具有控制簡單和可靠性高等特點，但是存在功率均衡速度慢的缺點。

上述互聯通信SOC下垂控制策略均可實現儲能模塊間SOC均衡，并經過不斷改進以提高系統的可靠性和控制精度，但仍存在SOC均衡速度較慢的缺點，且在儲能模塊SOC差值較大時，存在儲能模塊輸出功率超出其額定功率的現象。因此，本文在傳統互聯通信SOC指數下垂控制策略基礎上，引入變化系數，在實現功率合理分配的同時，限制各儲能模塊最大輸出功率，保證其在工程允許范圍內，并加快了系統整體收斂速度，使各模塊輸出功率更快地趨于均衡。

1 傳統互聯通信SOC指數下垂控制策略

1.1 控制策略的基本原理

傳統互聯通信SOC指數下垂控制表達式為

其中

圖1 兩臺儲能模塊并聯的等效電路模型

1.2 儲能模塊之間的功率分配

將式（1）代入式（6），可得傳統互聯通信SOC指數下垂控制的輸出功率比值為

根據式（7），可得儲能模塊的輸出功率分別為

1.3 SOC工作范圍的確定

1.4 功率收斂性的分析

圖2 功率比值與DSOC的特性曲線

1.5 直流母線電壓跌落最大值分析

式中，rate為額定功率。

為了簡化分析過程，令，則傳統互聯通信SOC下垂控制在不同n值下直流母線電壓跌落最大值波形如圖3所示，隨著n值的增大而增大，嚴重時會導致直流母線電壓跌落超過允許范圍，從而影響系統的穩定性。

綜上所述，傳統互聯通信SOC指數下垂控制存在如下問題：①SOC均衡速度慢；②儲能模塊輸出功率遠遠超出額定功率；③直流母線電壓跌落最大值較大。

2 改進互聯通信SOC指數下垂控制策略

為了解決傳統互聯通信SOC指數下垂控制策略存在的問題，本文在其控制策略基礎上引入變化系數以修正下垂系數與SOC之間的函數關系，在保證輸出功率合理分配的同時，限制各儲能模塊最大輸出功率并加快各模塊輸出功率的整體均衡速度，同時大大降低直流母線電壓跌落最大值，提高系統穩定性和可靠性。

改進互聯通信SOC指數下垂控制的下垂系數表達式為

將式（15）代入式（6），可得改進互聯通信SOC指數下垂控制的輸出功率比值為

根據式（7）及式（18），可得改進前后兩種SOC下垂控制策略的功率比值特性曲線對比如圖4所示。

圖4 兩種控制策略下功率比值特性曲線對比

3 系統性能分析及變化系數參數設計

3.1 系統穩定性分析

其中

根據式（19），列出勞斯陣列為

3.2 功率最大值限制及參數設計方法

根據式（22），在功率恒值區時儲能模塊間的功率分配近似如式（23）所示，儲能多的模塊功率分配大于儲能少的模塊，通過對前者輸出功率表達式中參數進行設計，可限制其輸出功率上限，使儲能模塊工作在工程允許范圍內。

3.3 功率收斂性分析及參數設計

在加速區間內，輸出功率比值近似為

圖7 不同b 值下功率比值與DSOC的特性曲線

3.4 直流母線電壓跌落最大值分析

根據功率限制要求，儲能模塊輸出最大功率為

圖8 兩種控制策略下Dudcmax對比波形

4 仿真和實驗驗證

4.1 仿真分析

圖9 改進互聯通信SOC下垂控制框圖

圖12 改進SOC下垂控制波形

圖13 改進SOC下垂控制的充電模式仿真波形

改進SOC下垂控制策略的直流母線電壓仿真波形如圖14所示，直流母線電壓穩定于1 200V，其直流母線電壓跌落最大值很小，為1V左右，大大提高了直流母線電壓的穩定性。

圖14 直流母線電壓仿真波形

4.2 實驗分析

搭建由兩臺儲能模塊構成的分布式儲能系統實驗平臺，其中，變換器采用懸浮交錯并聯雙向DC-DC變換器，實物如圖15所示。通過DSP（TMS320F28335）數字控制電路實現并聯運行的兩個儲能模塊的輸出功率控制。實驗參數具體如下：蓄電池電壓為40V，直流母線電壓為160V，儲能單元容量為1.5A·h，母

圖15 雙向DC-DC變換器實物

圖16 n=6時傳統SOC下垂控制的放電模式實驗波形

圖17 n=6時改進SOC下垂控制的放電模式實驗波形

圖18 n=6時傳統SOC下垂控制的充電模式實驗波形

圖19 n=6時改進SOC下垂控制的充電模式實驗波形

5 結論

本文提出一種改進互聯通信SOC下垂控制策略，通過在傳統互聯通信SOC下垂控制基礎上引入變化系數以修正下垂系數與SOC之間的函數關系，從而改善了系統性能，并通過仿真和實驗驗證了改進控制方案的可行性，得出以下結論：

3）大大降低了直流母線電壓跌落最大值，無需母線電壓二次控制，增加了系統的可靠性。

[1] 郭偉, 趙洪山. 基于事件觸發機制的直流微電網多混合儲能系統分層協調控制方法[J]. 電工技術學報, 2020, 35(5): 1140-1148.

Guo Wei, Zhao Hongshan. Coordinated control method of multiple hybrid energy storage systemin DC microgrid based on event-triggered mechanism[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(5): 1140-1148.

[2] 畢愷韜, 孫力, 安群濤, 等. 基于模塊化多電平直流變換器的儲能系統分布式能量均衡控制策略[J]. 電工技術學報, 2018, 33(16): 3811-3821.

Bi Kaitao, Sun Li, An Quntao, et al. Distributed energy balancing control strategy for energy storage system based on modular multilevel DC-DC con- verter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(16): 3811-3821.

[3] Marcelino F L F, Sathler H H, Silva W W A G, et al. A comparative study of droop compensation functions for state-of-charge based adaptive droop control for distributed energy storage systems[C]//IEEE 8th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG), Floriano- polis, Brazil, 2017: 1-5.

[4] 張輝, 梁譽馨, 孫凱, 等. 直流微電網中多端口隔離型DC-DC變換器的改進虛擬電容控制策略[J]. 電工技術學報, 2021, 36(2): 292-304.

Zhang Hui, Liang Yuxin, Sun Kai, et al. Improved virtual capacitor control strategy of multi-port isolated DC-DC converter in DC microgrid[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(2): 292-304.

[5] Liu Guangyuan, Mattavelli P, Saggini S. Resistive- capacitive output impedance shaping for droop- controlled converters in DC microgrids with reduced output capacitance[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(6): 6501-6511.

[6] Shi Guangze, Han Hua, Sun Yao, et al. A decentra- lized SOC balancing method for cascaded-type energy storage system[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2021, 68(3): 2321-2333.

[7] 張繼元, 舒杰, 寧佳, 等. 考慮SOC自均衡的光儲獨立微電網協調控制[J]. 電工技術學報, 2018, 33(增刊2): 527-535.

Zhang Jiyuan, Shu Jie, Ning Jia, et al. Coordinated control for PV/storage hybrid islanded microgrid considering SOC balancing[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(S2): 527-535.

[8] Lu Xiaonan, Sun Kai, Guerrero J M, et al. State- of-charge balance using adaptive droop control for distributed energy storage systems in DC microgrid applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, 61(6): 2804-2815.

[9] Han Ying, Li Qi, Wang Tianhong, et al. Multisource coordination energy management strategy based on SOC consensus for a PEMFC-battery-supercapacitor hybrid tramway[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2018, 67(1): 296-303.

[10] Lu Xiaonan, Sun Kai, Guerrero J M, et al. Double- quadrant state-of-charge-based droop control method for distributed energy storage systems in autonomous DC microgrids[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2015, 6(1): 147-157.

[11] 鄧詩蕾, 王明渝. 直流微電網潮流控制器與分布式儲能協同控制策略[J]. 電力系統保護與控制, 2018, 46(24): 40-46.

Deng Shilei, Wang Mingyu. Cooperative control strategy of DC microgrid power flow controller and distributed energy storage system[J]. Power System Protection and Control, 2018, 46(24): 40-46.

[12] 梁夢娜. 儲能系統雙極性直流母線功率均衡控制及負荷分配控制[D]. 秦皇島: 燕山大學, 2018.

[13] 吳青峰, 孫孝峰, 郝彥叢, 等. 微電網儲能系統SOC平衡和電壓頻率恢復研究[J]. 太陽能學報, 2018, 39(6): 1743-1751.

Wu Qingfeng, Sun Xiaofeng, Hao Yancong, et al. Research of SOC balance and voltage frequence recovery of microgrid energy storage system[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2018, 39(6): 1743-1751.

[14] 吳青峰, 孫孝峰, 王雅楠, 等. 基于分布式下垂控制的微電網分布式儲能系統SOC平衡策略[J]. 電工技術學報, 2018, 33(6): 1247-1256.

Wu Qingfeng, Sun Xiaofeng, Wang Yanan, et al. A distributed control strategy for SOC balancing of distributed energy storage systems in microgrid[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(6): 1247-1256.

[15] Oliveira T R, Silva W W A G, Donoso-garcia P F. Distributed secondary level control for energy storage management in DC microgrids[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2017, 8(6): 2597-2607.

[16] 李鵬程, 張純江, 袁然然, 等. 改進SOC下垂控制的分布式儲能系統負荷電流分配方法[J]. 中國電機工程學報, 2017, 37(13): 3746-3754.

Li Pengcheng, Zhang Chunjiang, Yuan Ranran, et al. Load current sharing method of distributed energy storage systems by improved SOC drooping control[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(13): 3746-3754.

[17] 劉世林, 文勁宇, 孫海順. 適用于風電功率調控的復合儲能系統及其控制策略[J]. 中國電機工程學報, 2015, 35(1): 95-102.

Liu Shilin, Wen Jinyu, Sun Haishun. Hybrid energy storage system and its control strategies intended for wind power conditioning[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(1): 95-102.

[18] 王兆安, 劉進軍. 電力電子技術[M]. 5版. 北京: 機械工業出版社, 2016.

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，講師，碩士生導師，研究方向為風力發電變流器及控制技術和儲能系統功率流控制等。E-mail: caixiuhuihb@126.com

張純江 男，1961年生，教授，博士生導師，研究方向為可再生能源分布式發電及控制技術等。E-mail: zhangcj@ysu.edu.cn（通信作者）

2020-07-11

2020-10-01

國家自然科學基金項目（51877187）和河北省博士后科研項目（B2019003024）資助。

（編輯 陳 誠）