基于荷電狀態改進下垂控制的直流微網儲能系統

馮菲玥，遲長春

（上海電機學院電氣學院，上海201306）

分布式電源（Distributed Generation，DG）［1-4］可以充分利用太陽能、風能等可再生能源，但DG存在間歇性、隨機性和波動性等問題［5-6］，直接大規模運用于傳統電網將會帶來嚴重的安全隱患。將DG模塊、儲能模塊、負載模塊通過具有直流特性的裝置連接在一起，形成的直流微網［7-9］系統能夠提升電網系統的穩定性和安全性。

直流微網儲能模塊的控制一般采用下垂控制，但傳統下垂控制會導致蓄電池過充過放或不被充分利用以及蓄電池荷電狀態（State-of-Charge，SOC）不均衡等問題。文獻［10］在交直流微網儲能單元的控制策略中，采用一種基于SOC改進的下垂控制方法，可在無通信的情況下傳遞SOC和輸出功率信號，使SOC的管理更加靈活，但在精度方面需進一步提高。文獻［11］根據儲能單元蓄電池SOC調整DC/DC轉換器的虛擬導納值，實現自適應下垂控制，達到優化儲能單元的效果，但未對儲能單元的實時狀態進行跟蹤，不能完全避免蓄電池過充過放情況的發生。文獻［12］設計了一種基于樣本和控制器的優化下垂控制策略，根據蓄電池SOC自適應改進下垂系數，實現負載功率的均衡分配，但僅針對一組蓄電池進行研究。可以看出，對儲能單元的控制策略必須進行一系列改進才能達到優化系統的效果，其中基于蓄電池SOC改進的下垂控制在此領域的運用較為廣泛，但在此方面的研究還未完善，有必要對其進一步改進。

本文提出一種基于蓄電池SOC的改進下垂控制，分析傳統下垂控制存在的問題，針對蓄電池SOC分配不均的問題，根據蓄電池SOC變化調整下垂系數，使SOC過大的蓄電池組多放少充、SOC過小的蓄電池組多充少放，實現輸出電流均分。同時，為進一步契合實際蓄電池充放電變化，分別建立了蓄電池由充電突變為放電、由放電突變為充電兩種模式，確保參數在極端情況下均能加快蓄電池SOC的平衡和減少輸出電流的偏差。針對電壓跌落的問題，增加了二次電壓控制，進一步改進波形生成。上述改進方式基本達到了增進SOC均衡程度、抑制母線電壓波動的效果。

1 系統結構及儲能單元的控制

1.1 系統結構及工作原理

直流電微網系統結構如圖1所示。其中，DG單元、儲能單元、直流負載等模塊共同維持電源和負載兩端功率的供需平衡，儲能單元能夠吸收或補給直流母線上過多或過少的能量。直流電微網的工作原理：光伏發電單元分別通過AC/DC變換器和單向DC/DC變換器與總線連接，能量從DG端向直流負載和儲能單元流動，其中儲能單元為混合型，包括蓄電池單元和超級電容單元，通過升壓Boost和雙向DC/DC變換器，使儲能單元與系統進行能量流動。

圖1 直流電微網系統結構框圖

1.2 儲能系統的控制

雙向DC/DC變換器可控制子系統的電壓、電流參數，實現儲能單元的能量雙向流動。對雙向DC/DC變換器進行建模和分析，其拓撲圖如圖2所示。圖中，初始電壓U0、電感L及電容C構成儲能單元；D1、D2為續流型二極管；Q1、Q2為全控型開關；Udc為直流母線電壓。對Q1、Q2做出一系列控制，使變換器處于兩種工作狀態：一種是Boost狀態，儲能單元U0部分放電，能量從低電壓端流向高電壓端；另一種是Buck狀態，儲能單元U0部分充電，能量從高電壓端流向低電壓端。儲能部分采用兩組蓄電池并聯的結構，并通過變換器連接到直流母線。

圖2 雙向DC/DC變換器拓撲圖

使用傳統下垂控制會帶來電壓波動問題，在直流微網中，系統的一個控制目標使直流母線電壓能在所設定的參考值附近保持穩定，因此需要保證電壓跌落值?U足夠小。同時，隨著下垂系數的減小，功率、電流的分配精度會越來越差，這是下垂控制的一個主要缺陷。傳統的下垂控制不能實時根據SOC的大小改變充放電速度，因此直流母線電壓在切換中會出現波動過大的情況，使得系統不穩定的情況更加嚴峻。

2 蓄電池SOC改進儲能單元下垂控制

2.1 基于SOC的下垂控制及電流不均衡分析

傳統下垂控制在蓄電池充放電時會產生過充過放或不被充分利用等問題，文獻［13-14］針對這種情況采用了一種電壓控制回路，將蓄電池組輸出電壓Udci調到式（1）、式（2）中定義的水平，實際的Udci還取決于其他微源和負載等因素，因此雙向變換器輸出電流的流動方向由此回路控制。電壓控制回路如下：

式中：Udcr為空載時的電壓；Idci為蓄電池i組輸出電流；Ri為蓄電池i組下垂系數；Si為蓄電池組i組SOC值；Rd為固定初始下垂系數；kdi為根據SOC變化的下垂參數。

為促進SOC均衡，每個儲能單元吸收或發出功率時必須根據SOC進行加權，在蓄電池放電時SOC過高的一組多放，SOC過低的一組少放；充電時SOC過高的一組少充，SOC過低的一組多充。通過直接對kdi修改達到加權目的，但直接修改的方式會減小儲能系統的等效下垂系數，導致功率、電流的分配精度越來越差。因此，對下垂系數進行加權處理，應由每個儲能單元以及此單元以外的其他儲能單元的SOC共同決定。SOC值和加權系數分別為

式中：S0為蓄電池組的初始SOC值；IL為蓄電池組輸出電流；Cb為蓄電池組容量；μ為無量綱的SOC收斂因子；-S為蓄電池組的平均SOC值；n為冪指數，一般取≥1的整數。

本文對兩組蓄電池并聯結構進行研究。兩組蓄電池輸出電壓相等，均為Udc；輸出電流不等，分別為Idc1和Idc2，由式（1）、式（2）可得

結合式（4）得

式中：ΔIdc為Idc1、Idc2的不平衡量；R*為兩組蓄電池的等效下垂系數；ΔS為兩組蓄電池SOC不平衡量；RL為負載值。

由式（6）可知，加入收斂因子μ和冪指數n加快了SOC平衡，減少了蓄電池組輸出電流的偏差，據此建立基于SOC改進下垂控制的系統結構框圖，如圖3所示。根據IL、S0經計算得到當前的SOC值，將當前的SOC值經過計算得到Ri，再將得到的Rd和kdi代入下垂控制器中。以上整個過程即為改進的下垂控制，具體見圖3中虛線。加入電壓電流雙閉環PI控制，增強整個系統的穩定性，經脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）輸出DC/DC變換器信號。

圖3 基于SOC的改進下垂控制框圖

2.2 收斂因子及冪指數對系統性能的影響

一般來說，儲能系統進行充放電時，不會出現ΔS過大的情況，ΔS>0.5的情況極少出現，因此n應選取2~5之間的整數［15］，否則ΔSn幾乎等于0。設置的公式僅在n為奇數時才能表現出變化特性，因此本研究中n均取奇數。Ri與kdi成正比，同時Ri的值過大不利于系統的穩定，因此μ不宜過大，取值在1~10之間。根據式（6）得出當n、μ在一定范圍內不同值的情況下ΔS、ΔIdc的變化曲線，如圖4所示。

圖4 蓄電池組ΔS和ΔI dc變化曲線

由圖4可知，ΔIdc、ΔS的變化速度與n、μ有關。當n一定時，μ越大，ΔIdc的變化速率越快。同時，充電狀態下的ΔS在0~40%左右變化較快，在40%~100%左右變化逐漸放緩，最后趨于穩定。放電狀態和充電狀態的變化類似，相比之下，ΔIdc的變化速度更快。在實際情況中，極少出現ΔS>50%的情況。μ=10時的變化速率最快，但在μ過大時，不利于系統的穩定。綜上，選擇n=3，μ=8作為改進下垂控制的參數。

2.3 增加二次電壓控制對系統性能的影響

為進一步解決傳統下垂控制導致的電壓波動問題，在2.2節改進SOC下垂控制的基礎上，對直流母線電壓增加二次補償，減小電壓波動，控制框圖如圖5所示。圖中，U*為各蓄電池單元輸出電壓平均值；ki、kp為PI控制器參數；s為傳遞函數變量。

圖5 增加二次電壓控制控制框圖

根據圖5建立的仿真模型的運行結果如圖6所示。可以明顯看出，采用改進策略加入二次電壓控制，母線電壓波動更小，系統更加穩定。

圖6 增加二次電壓控制的下垂控制仿真結果

3 仿真驗證

根據圖3、圖6及式（6）在Matlab/Simulink環境下建立基于SOC改進下垂控制系統的仿真模型，對充電突變為放電和放電突變為充電兩種情況進行仿真，確保選取參數在這兩種極端情況下均能加快SOC的平衡，減少輸出電流偏差，并保持系統的穩定，仿真周期為70 s。具體參數設置見表1。

表1 儲能元件性能對照表

3.1 傳統下垂控制

以蓄電池組充電突變為放電的情況為例，設置其下垂系數相等。傳統下垂控制的仿真波形，如圖7所示。

圖7 充電突變為放電時傳統下垂控制仿真結果

由圖7可知，兩組蓄電池下垂系數一致，故SOC曲線變化速率一致，兩條曲線平行，即S1、S2一直存在差值，不能達到均衡效果；輸出電流曲線幾乎重疊在一起，實現電流均分。因此，運用傳統的下垂控制建立模型并不能達到理想的實驗效果。

3.2 改進下垂控制下充電狀態突變為放電狀態

對改進下垂控制下蓄電池組充電突變為放電進行仿真，仿真結果如圖8所示。在圖8（a）所示的充電突變為放電過程中，蓄電池組的初始ΔS為1.5%。在圖8（b）中，在0~30 s之間，Idc1>Idc2，兩者之和約為-25 A。S2初始值稍小，在改進的作用下，增大速率變快。在圖8（c）、圖8（d）中，t=30 s時，負載功率突然從23 kW變為26 kW；光伏系統的功率保持不變，儲能系統由充電突變為放電，功率從-8 kW變化為6 kW，Idc隨之驟增為正。由于SOC會隨著負載動力的突變或者系統模式的轉化保持自均衡，隨著時間逐漸增大，兩組SOC值和Idc的差值逐漸減小，幾乎趨于一致。Udc在充電突變為放電的過程中波動較小，僅在突變處和最終平衡處發生波動，以上效果達到了改進的目的。

圖8 充電突變為放電時的改進下垂控制仿真結果

3.3 改進下垂控制下放電狀態突變為充電狀態

對改進下垂控制下蓄電池組放電突變為充電進行仿真，仿真結果如圖9所示。很明顯，在圖9（a）、圖9（b）中，0~30 s時，S1的初始值稍大，在改進作用下，下降速率更快；Idc1>Idc2，兩者之和約為30 A。在圖9（c）、圖9（d）中，t=30 s時，負載功率由30 kW突變為27 kW。光伏系統的功率保持不變，儲能單元由放電突變為充電，功率從6 kW變化為-7 kW，Idc隨之突減為負。隨著時間逐漸增大，兩組SOC和Idc的差值逐漸減小，幾乎趨于一致。同時，Udc在放電突變為充電的過程中波動極小，與充電突變為放電過程的波形類似。通過以上方式對傳統下垂控制進行改進，在負載功率波動的情況下，基于SOC實時調整了蓄電池充放電的速率，使多組蓄電池并聯結構的SOC、Idc等在運行過程中不斷從不同狀態趨于一致狀態，保證了SOC的均衡。同時，由于減少了蓄電池過充過放情況的發生，延長了蓄電池壽命，并提高了效率，是一種較為高效合理的方法。

圖9 放電突變為充電時的仿真結果

4 結 論

本文分析了傳統下垂控制的缺陷，提出了基于蓄電池SOC以及增加二次電壓控制改進的下垂控制。通過蓄電池SOC的變化實時調整了下垂系數，使SOC過大的蓄電池組多放少充、SOC過小的蓄電池組多充少放，保證了輸出電流能夠實現均分。基于直流母線電壓波動的問題，在改進下垂控制的基礎上增加二次電壓控制，進一步改善波形的生成。仿真結果驗證了改進的有效性，但在以下方面仍可進一步改進優化：針對負載功率波動一次的情況進行仿真，實際情況下的負載情況多變；當ΔS幾乎為0時，ΔIdc很小，因此電流對SOC的均衡影響很弱，此時n、μ對下垂系數的調節作用不明顯。