考慮不同容量的儲能單元荷電狀態均衡研究

郭昆麗，付建哲，閆 東，蔡維正

(西安工程大學電子信息學院，陜西西安 710048)

隨著全球化石燃料資源的減少及地球污染問題的加重，直流微電網得到了越來越多的關注[1]。可再生能源(RESs)受環境條件(風速、太陽輻射和溫度等)影響，其輸出功率的不可預測性給直流微電網電能質量及穩定性帶來了挑戰。因此，分布式儲能單元(DESU)對直流微電網的運行至關重要[2]。通常將多個儲能單元并聯運行以提高其利用效率及系統可靠性。受新舊程度及品牌規格等因素影響，不同儲能單元的容量、荷電狀態(SOC)的差異可能造成DESU 過充過放、提前退出等問題，難以保障系統正常運行[3]。

為實現直流微電網儲能單元的SOC均衡，避免過度充放電現象發生，文獻[4]采用一種自適應SOC改進下垂控制策略，鋰電池吸收的功率與SOC的n次方成反比，其釋放的功率與SOC的n次方成正比，所提方法均衡速度快，但未考慮線路阻抗不同造成的負荷電流無法精準分配問題；文獻[5]通過增加采樣保持器得到SOC和電流的動態信息以實時修正參考電壓，克服阻抗參數對系統的影響，實現負荷電流精準分配，但該方法不能實現不同容量DESU 的SOC均衡控制；文獻[6]提出了一種多智能體滑模控制方法，利用滑膜面、本地及全局SOC信息產生可調整下垂系數的控制信號進而實現SOC均衡，該策略具有消除循環電流、快速均衡SOC和減緩儲能單元壽命退化的優勢，但對通信要求較高，且忽略了儲能單元容量信息對功率分配的影響。

針對以上問題，本文在傳統I-U下垂控制基礎上，提出了一種考慮不同容量的儲能單元SOC動態均衡控制策略。該方法通過在下垂系數中引入單個儲能單元的相對容量因子消除容量對SOC的影響，實現SOC均衡及電流合理分配，同時添加電壓均衡器解決直流母線電壓偏離額定值問題，保證系統穩定運行。

1 系統結構與傳統I-U 下垂控制分析

1.1 直流微電網系統結構

圖1 為本文所研究的獨立直流微電網系統結構示意圖，主要由RESs、DESU 和負荷等構成，其中DESU 和RESs 通過各自轉換器與直流母線連接[7]。RESs 通常使用最大功率點跟蹤(MPPT)算法以提高其利用率，但它并不強調發電和負荷用電的實時匹配，可再生能源輸出功率波動和負載變化都會導致直流微電網中的供需不平衡，因此需要儲能單元彌補兩者功率差額。當RESs 發電超過負荷需求時，儲能單元吸收多余的能量；負荷需求超過RESs 輸出時，儲能單元釋放能量，從而實現系統動態平衡。

圖1 獨立直流微電網系統結構

1.2 傳統I-U 下垂控制方案

傳統I-U下垂控制的表達式如下：

式中：u表示儲能變換器輸出電壓；uref為參考電壓；i為輸出電流；m為下垂系數。

圖2 為含n組儲能單元的并聯結構圖，其中，i=1,2…,n，DESUi與DESUj表示任意兩組儲能單元(i,j=1,2…,n且i≠j)，ri、rj為相應線路阻抗，uPcc為直流母線電壓，iLoad為負荷總電流。

圖2 含n組儲能單元的并聯結構圖

一般情況下，可采用安時積分法對鋰電池儲能單元的SOC進行估算[8-9]，其表達式為：

式中：SOCi定義為當前鋰電池的荷電狀態；SOCi0為初始荷電狀態；Cei為鋰電池的儲能容量。為求任意兩組DESUi、DESUj充放電過程中SOC的變化率，可對式(2)進行一階求導，得：

由式(3)可知，DESU 的SOC變化率由負荷電流及儲能容量的比值決定。又知雙向DC-DC 變換器的輸出電流為：

聯立式(1)、(4)，可得：

將式(5)帶入式(3)，可得傳統I-U下垂控制中任意兩組DESUi、DESUj的SOC變化率之比為：

即傳統I-U下垂控制只能實現線路阻抗參數及儲能容量相同的DESU 的SOC均衡。

2 本文所提控制方案

2.1 SOC 均衡控制策略

為消除阻抗參數、容量對SOC均衡的影響，實現負荷電流合理分配且保證直流母線電壓偏差小，本文在傳統的I-U下垂控制的基礎上，將DESU 的容量信息和下垂系數m相結合，得到的改進型下垂系數如式(7)：

式中：m0表示初始下垂系數，當m0>ri時，可消除阻抗參數造成的影響；A表示多組DESU 的SOC均值；n為調節均衡速度的均衡因子(正整數)；Cmax表示所有儲能單元中的最大容量，Cmax/Cei定義為第i個DESU 的相對容量因子；ii<0 表示DESU充電，ii>0 為DESU 放電。

由式(1)～(2)、(7)可得充電狀態下荷電狀態表達式為：

由式(8)可知，相對容量因子的引入消除了不同儲能單元容量信息Cei對SOC的影響。同時，由式(7)可知，當ii<0 時，相對容量因子較小的DESUi吸收能量越多；當ii>0 時，相對容量因子較小的DESUi釋放較多能量，這就實現了充放電過程中不同容量儲能單元的SOC均衡及電流按容量正比例分配。

2.2 電壓均衡器

為解決m0選取較大造成的直流母線電壓偏離額定值問題，增加電壓補償均衡器，可得參考電壓的補償量為：

式中：kp、ki為比例微分參數；uref與u的差值經過PI 調節器后生成電壓補償量，以補償母線電壓偏差[10]。

圖3 為本文所提控制策略的總體控制框圖。根據2.1 節、2.2 節可得外環參考電壓，進而通過電壓、電流雙閉環控制生成開關信號，實現儲能單元的充放電控制。

圖3 系統總體控制框圖

3 仿真分析

為驗證本文所提策略的正確性和有效性，基于Matlab/Simulink 搭建了包含2 組鋰電池DESU 并聯運行的仿真模型。系統參數設置如下：uref=400 V，可再生能源RESs 輸出總功率為20 kW，直流恒功率負荷17.5 kW。DESU1、DESU2的容量Ce1、Ce2分別為10 和5 Ah，初始SOC分別為80%、70%，線路阻抗參數r1、r2分別為0.1、0.2 Ω；50 s 時負荷功率增至20 kW，RESs 輸出功率因環境改變降至18.5 kW。通過設置負荷投切、可再生能源輸出功率擾動以評估所提改進控制策略在儲能單元不同運行狀態下能否實現SOC均衡、負荷電流分配及母線電壓偏差小的目標，并與傳統I-U下垂控制策略進行對比，實驗結果如圖4～5 所示。

圖4 傳統控制策略

由圖4(a)～(b)可知，50 s 前，兩組鋰電池DESU 持續充電，50 s 后，兩組鋰電池DESU 持續放電。采用傳統控制時，兩組不同容量的儲能單元SOC最終無法趨于一致，且放電電流之比不符合容量之比。由圖4(c)可得，無論兩組DESU 在充電或放電階段，直流母線電壓與額定電壓相比存在較大偏差，不利于系統穩定運行。

由圖5(a)可知，本文所提改進控制策略下，50 s 前，DESU1的SOC從80%增至83.6%，DESU2的SOC從70%升至82.8%，兩者SOC差額逐漸縮小；進入放電階段后，兩組儲能單元在90 s 時SOC達到均衡，此后以同樣的速率變化。在圖5(b)中，初始SOC較大的DESU1輸出電流逐漸增大，初始SOC較小的DESU2逐漸減小，當兩組儲能單元SOC趨于一致時，其輸出電流分別為6.2、3.1 A，完全按照2∶1 的容量輸出電流，消除了線路阻抗對其分配效果的影響。由圖5(c)可知，因增加了二次電壓均衡器，母線電壓基本維持在額定值左右，保障系統正常運行。

圖5 本文所提改進控制策略

對比圖4～5 可知，本文所提控制策略實現了不同容量儲能單元SOC均衡控制、電流精準分配、母線電壓偏差小的目標，保障了系統安全穩定運行。

4 結論

針對傳統I-U下垂控制無法實現直流微電網中不同容量儲能單元SOC均衡問題，提出一種改進下垂控制策略。該策略通過在下垂系數中引入相對容量因子，消除了容量信息對SOC的影響，使得DESU 按容量正比例分配輸出電流；同時增加電壓均衡器有效減少了直流母線電壓偏差。仿真實驗驗證了所提策略的有效性和正確性。