基于模糊控制的蓄電池系統(tǒng)儲能單元SOC均衡方法

劉勝崇　帕孜來·馬合木提　葛震君

摘 ?要： 當獨立運行的微電網(wǎng)蓄電池儲能系統(tǒng)中含有多個并聯(lián)儲能單元時，由于出廠設(shè)定或者使用過程中過度充放電的原因，會導(dǎo)致儲能單元荷電狀態(tài)（SOC）不均衡及輸出電壓波動。為了解決上述問題，采用一種基于模糊理論的SOC均衡控制方法。在雙閉環(huán)控制方法的基礎(chǔ)上，通過增加 SOC 的模糊控制環(huán)節(jié)，在一定范圍內(nèi)對參考電壓進行調(diào)節(jié)，從而控制DC/DC變換器改變蓄電池儲能單元輸出電流，最終使剩余電量達到均衡，同時維持儲能系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定。最后，通過Matlab/Simulink搭建仿真模型進行驗證，仿真結(jié)果表明了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞： 蓄電池系統(tǒng); 儲能單元; 荷電狀態(tài); 模糊控制; 電壓控制; 仿真分析

中圖分類號： TN86?34; TM464; TP277 ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）24?0135?05

Fuzzy control based SOC equalization method for battery energy storage unit

LIU Shengchong， PAZILAI Mahemuti， GE Zhenjun

（College of Electrical Engineering， Xinjiang University， Urumqi 830047， China）

Abstract： When there are multiple parallel energy storage units in the battery energy storage system of the microgrid operating independently， the factory setting or the overcharging and discharging during using of the energy strage unit can cause the unbalanced SOC（state of charge） in the energy storage unit and fluctuant output voltage. On this basis， a SOC qualization control method based on fuzzy theory is adopted. On the basis of the double closed?loop control method， the reference voltage is adjusted within a certain range by increasing the fuzzy control link of SOC， so as to control the DC/DC converter to change the output current of the storage battery energy storage unit， achieve the balance of the remaining power and maintain the stable output voltage of the energy storage system. The simulation model is built on the Matlab/simulink for verification， and the simulation results show the effectiveness of the method.

Keywords： battery energy storage system; energy storage unit; SOC; fuzzy control; voltage control; simulation analysis

0 ?引 ?言

隨著環(huán)境問題和化石燃料儲量的不斷枯竭，風(fēng)能和太陽能等可再生能源逐步成為主要研究方向，然而，光伏、風(fēng)能發(fā)電受地勢、氣候和環(huán)境影響較大，有功功率輸出存在波動性、間歇性和難以預(yù)測性[1?3]。

蓄電池儲能系統(tǒng)可以對系統(tǒng)有功功率進行有效調(diào)節(jié)，從而提高微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性[4?6]。當系統(tǒng)中多個蓄電池儲能單元并聯(lián)運行時，可能會出現(xiàn)某個儲能單元過度充、放電的情況，影響某些儲能單元的使用壽命，造成其他儲能單元的閑置，降低系統(tǒng)整體效率[7?8]。因此，研究多個蓄電池儲能單元SOC均衡控制具有重要應(yīng)用前景和理論意義。

文獻[9]研究了一種基于級聯(lián)PWM變換器的蓄電池儲能系統(tǒng)的SOC均衡控制。文獻[10?12]采用改進下垂控制的SOC均衡控制策略，通過將檢測得到的各個儲能單元的荷電狀態(tài)來設(shè)置儲能系統(tǒng)中的下垂系數(shù)，從而改變儲能單元輸出電流，實現(xiàn)各個儲能單元SOC均衡。但是改變下垂系數(shù)會對蓄電池儲能的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[13?14]。文獻[15]中采用改變參考電壓的改進下垂控制策略，在低壓雙極型直流微電網(wǎng)中，對多個雙電層電容器實現(xiàn)了能量均衡。

本文針對蓄電池儲能系統(tǒng)中多個并聯(lián)儲能單元SOC不均衡以及輸出電壓波動問題，搭建蓄電池儲能系統(tǒng)模型，對傳統(tǒng)控制方法進行改進，采用基于模糊理論的SOC均衡控制策略， 利用雙閉環(huán)控制技術(shù)穩(wěn)定直流側(cè)電壓， 完成仿真驗證。

1 ?蓄電池儲能系統(tǒng)

1.1 ?蓄電池儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

蓄電池儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)由蓄電池組、控制器、變流器、微電網(wǎng)4部分組成。首先，通過對微電網(wǎng)數(shù)據(jù)進行采集、分析和處理，得到微電網(wǎng)所需要的有功功率和無功功率。本文的主要研究對象是 DC/DC控制器，主要對微電網(wǎng)有功功率進行處理，輸出控制指令，控制蓄電池儲能系統(tǒng)充放電。當微電網(wǎng)中有功負載過大，產(chǎn)生有功需求時，控制儲能系統(tǒng)放電，發(fā)出有功功率，同時檢測儲能單元SOC，控制其達到均衡;反之，當微電網(wǎng)中有功功率過盈時，控制儲能系統(tǒng)充電，吸收有功功率，同時檢測儲能單元SOC，控制其達到均衡。

1.2 ?蓄電池儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

選擇合適的儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)對于減少儲能系統(tǒng)的設(shè)計冗余， 延長蓄電池組使用壽命具有十分重要的意義。本文選取的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該拓撲結(jié)構(gòu)由蓄電池組、雙向Boost?Buck電路、雙向PWM整流器、LC濾波器和交流微電網(wǎng)組成。這種含雙向Boost?Buck升降壓模塊的拓撲結(jié)構(gòu)具有較強的適應(yīng)性，可以實現(xiàn)多并聯(lián)的儲能單元模塊的充放電管理; 由于Boost?Buck模塊可實現(xiàn)直流電壓的升降，使得儲能單元的容量更加靈活;適于含風(fēng)電、光伏等波動性比較強的分布式電源的微電網(wǎng)，平抑其有功功率波動。

1.3 ?蓄電池儲能系統(tǒng)功率控制策略

本文對直流側(cè)和逆變側(cè)進行單獨控制，由DC/DC 變換器控制有功功率和穩(wěn)定直流側(cè)電壓，由DC/AC變換器控制無功功率。本文主要研究系統(tǒng)有功功率，控制策略如圖3所示。

由圖3可知：當蓄電池SOC高于上限時，禁止充電;當蓄電池SOC低于下限時，禁止放電;當蓄電池的SOC處于正常范圍5%≤SOC≤95%時，蓄電池吸收或輸出功率。微電網(wǎng)實際功率、微電網(wǎng)額定功率和蓄電池充放電的基本關(guān)系如下：

1） 微電網(wǎng)實際功率大于額定功率，對微電網(wǎng)進行“削峰”、蓄電池進行充電。

2） 微電網(wǎng)實際功率小于額定功率，對微電網(wǎng)進行“填谷”、蓄電池進行放電。

3） 微電網(wǎng)實際功率等于額定功率，蓄電池不工作。

2 ?蓄電池儲能單元SOC均衡控制策略

本文以蓄電池儲能系統(tǒng)放電模式為例，對蓄電池儲能單元SOC均衡控制策略進行研究。蓄電池組SOC均衡控制的基本思想是SOC較大的蓄電池組輸出較多能量，SOC較小的蓄電池輸出較小的能量，從而實現(xiàn)SOC均衡。改變參考電壓或改變雙閉環(huán)控制中的控制器參數(shù)都可以實現(xiàn)蓄電池輸出能量控制，實現(xiàn)SOC均衡。但是，前者會對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響，所以本文采用改變參考電壓的方式。

2.1 ?蓄電池儲能單元SOC評估

蓄電池儲能系統(tǒng)按照儲能單元SOC進行調(diào)節(jié)，因此需要對SOC進行評估。雖然已經(jīng)提出了許多測量蓄電池儲能單元SOC的方法，但電荷累積法是最常用的技術(shù)，而且該方法估算每個儲能單元SOC時較為簡單，所以采用該方法。其算法如下：

[SOCi=SOCit=0-1Ce_iIbat_idt] ? ? ? ? （1）

式中：[Ce_i]為儲能單元容量;SOCit=0為初始剩余容量;Ibat_i為儲能單元輸出電流。

2.2 ?模糊控制環(huán)節(jié)

模糊控制（Fuzzy Control）是一種基于規(guī)則的非線性控制理論。模糊控制器設(shè)計規(guī)則通?；谠O(shè)計者現(xiàn)有的經(jīng)驗和知識，不需要精確數(shù)學(xué)模型，具有較強的魯棒性、實時性，而且便于數(shù)字實現(xiàn)。本文通過模糊控制來確定參考電壓。

輸入值[Xk]是每個蓄電池剩余電量和平均剩余電量的比值，表達式如下：

[Xk=SOCk1n-1·i=1nSOCi-SOCk] （2）

式中：[SOCk]為選定的儲能單元的剩余電量;[SOCi]為單獨的儲能單元的剩余電量。

該系統(tǒng)是一個單輸入單輸出系統(tǒng)，本文選擇Xk作為控制信號，直接通過模糊規(guī)則來對Vdc進行調(diào)節(jié)。輸入輸出一共有2個變量，定義其模糊集合為{PB，PS，Z，NS，NB}，即{負大，負小，零，正小，正大}。在理想情況下，分別建立Xk和Vdc的隸屬度函數(shù)，如圖4所示。

采用Mamdani模糊推理方法，以輸出電壓能快速達到給定值為目標，建立模糊規(guī)則，并得到理想情況下，輸入值Xk和輸出參考電壓Vdc*之間的關(guān)系，如圖5所示。

2.3 ?基于模糊控制的SOC均衡控制策略

圖6為傳統(tǒng)的蓄電池儲能系統(tǒng)控制框圖。其中，外環(huán)為直流輸出端電壓環(huán)，參考電壓Vdc*為給定值，與輸出電壓Vdc的差值經(jīng)過PI控制得到波動電流ΔIv，檢測計算得到微電網(wǎng)所需功率Pneed與儲能單元電流的商值作為參考電流Ibat*，ΔIv與Ibat*之和作為最終的儲能單元的參考電流值。內(nèi)環(huán)為儲能單元電流環(huán)，以測量所得儲能單元電流Ibat與最終參考電流的差值為輸出。

圖7為蓄電池儲能單元SOC均衡控制環(huán)節(jié)， 圖8為改進后蓄電池儲能系統(tǒng)整體控制框圖，與傳統(tǒng)的電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，本文通過在傳統(tǒng)控制方法中加入基于SOC的模糊控制環(huán)節(jié)，通過檢測得到儲能單元的SOC，然后經(jīng)過模糊控制得到參考電壓Vdc*，從而改變直流輸出端的電壓和儲能單元的輸出電流，在保證輸出電壓趨于穩(wěn)定的同時，使SOC達到均衡。輸出電壓的表達式為：

[Vdc=Vdc*-Vdc·GPI_i（s）+Ibat-Pneedn·Vbat·GPI_v（s）] ?（3）

[Vdc=Vdc*-ΔVΔV=ΔIv·GPI_v（s）ΔIv=ΔI+Ibat-Ibat*ΔI=Vdc·GPI_i（s）Ibat*=Pneedn·Vbat] ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

[GPI_v（s）=kp_v+ki_vsGPI_i（s）=kp_i+ki_is] ? ? ? ? ? ? ? （5）

式中：Vdc和Vdc*分別是蓄電池儲能系統(tǒng)的輸出電壓和參考輸出電壓;Ibat和Ibat*分別是儲能單元的輸出電流和參考輸出電流;GPI_v（s）是輸出電壓PI控制器的傳遞函數(shù);GPI_i（s）是儲能單元輸出電流PI控制器的傳遞函數(shù);Pneed是微電網(wǎng)所需的有功功率;ΔV是電壓偏差;ΔIv是電壓偏差引起的電流波動;ΔI是電流偏差。

3 ?仿真結(jié)果

為了驗證上述理論的正確性和有效性，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，該仿真模型具有3組并聯(lián)的儲能單元，且初始剩余電量不同。首先仿真?zhèn)鹘y(tǒng)控制在蓄電池儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用，然后驗證了加入基于模糊控制的SOC均衡環(huán)節(jié)后，總體控制方法對儲能單元SOC均衡產(chǎn)生的效果以及對蓄電池儲能系統(tǒng)輸出電壓產(chǎn)生的影響。

主要仿真參數(shù)如表1所示。

圖9為傳統(tǒng)蓄電池儲能系統(tǒng)控制所得到的仿真波形。由圖9中可以得出，3組儲能單元輸出電流基本保持一致，所以儲能單元SOC沒有實現(xiàn)均衡，儲能系統(tǒng)輸出電壓保持不變。

圖10為基于模糊理論的SOC均衡控制所得到的仿真波形。由圖10中可以得出，儲能單元輸出電流和其輸出電壓都能夠根據(jù)儲能單元SOC相應(yīng)發(fā)生變化，當SOC的差值減小時，儲能單元的輸出電流趨于相等，其輸出電壓也趨于相等。

該方法在實現(xiàn)儲能單元SOC均衡的同時對儲能單元輸出的電壓在一定范圍內(nèi)進行了調(diào)節(jié)，使輸出電壓最終維持在45 V。

4 ?結(jié) ?語

蓄電池儲能系統(tǒng)可以對系統(tǒng)有功功率進行有效調(diào)節(jié)，從而提高微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，本文采用一種基于模糊改進雙閉環(huán)的SOC均衡控制策略。在雙閉環(huán)控制方法的基礎(chǔ)上，通過增加SOC的模糊控制環(huán)節(jié)，在一定范圍內(nèi)，對參考電壓進行調(diào)節(jié)，從而控制DC/DC變換器改變蓄電池儲能單元輸出電流，最終使剩余電量達到均衡，同時維持儲能系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定。與未加入模糊控制環(huán)節(jié)的傳統(tǒng)控制策略進行了對比，仿真結(jié)果驗證了采用改進后的蓄電池儲能控制策略可以有效地解決蓄電池儲能系統(tǒng)中多個儲能單元并聯(lián)運行時，儲能單元SOC不均衡的問題，同時使蓄電池儲能系統(tǒng)的輸出參考電壓最終達到穩(wěn)定。

參考文獻

[1] GUERRERO J M， VASQUEZ J C， MATAS J， et al. Hierrchical control of droop?controlled AC and DC microgrids?a general approach toward standardization [J]. IEEE transactions on industrial electronics， 2011， 58（1）： 158?172.

[2] SANCHEZ S， MOLIAS M. Degree of influence of system states transition on the stability of a DC microgrid [J]. IEEE transactions on smart grid， 2014， 5（5）： 2535?2542.

[3] ZHOU H H， BHATTACHARYA T， TRAN D， et al. Composite energy storage system involving battery and ultracapacitor with dynamic energy management in microgrid applications [J]. IEEE transactions on power electronics， 2011， 26（3）： 923?930.

[4] BO Z Q， LIN X N， WANG Q P， et al. Developments of power system protection and control [J]. Protection and control of modern power systems， 2016， 1（1）： 1?8.

[5] 陳洪濤，胡健，韓小雨，等.直流微電網(wǎng)內(nèi)DC/DC變換器非線性控制策略研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（4）：153?157.

[6] 李建林，馬會萌，惠東.儲能技術(shù)融合分布式可再生能源的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電工技術(shù)學(xué)報，2016（14）：1?10.

[7] 張學(xué)，裴瑋，鄧衛(wèi)，等.多源/多負荷直流微電網(wǎng)的能量管理和協(xié)調(diào)控制方法[J].中國電機工程學(xué)報，2014，34（31）：5553?5562.

[8] 李寧寧.帶蓄電池儲能的STATCOM控制策略及應(yīng)用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[9] MAHARJAN L， INOUE S， AKAGI H， et al. State?of?charge （SOC）?balancing control of a battery energy storage system based on a cascade PWM converter [J]. IEEE transactions on power electronics， 2009， 24（6）： 1628?1636.

[10] 彭思敏，曹云峰，蔡旭.大型蓄電池儲能系統(tǒng)接入微電網(wǎng)方式及控制策略[J].電力系統(tǒng)自化，2011，35（16）：38?43.

[11] LU X ，SUN K， 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.

[12] 韋佐霖，陳民鈾，李杰，等.孤島微網(wǎng)中分布式儲能SOC和效率均衡控制策略[J].電力自動化設(shè)備，2018，38（4）：169?177.

[13] LI C D， DRAGICEVIC T， PLAZA M G， et al. Multiagent based distributed control for state?of?charge balance of distributed energy storage in DC microgrids [C]// 40th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. Dallas： IEEE， 2014： 28?39.

[14] HU R， WEAVER W W. DC microgrid droop control based on battery state of charge balancing [C]// 2016 IEEE Power and Energy Conference at Illinois. Urbana： IEEE， 2016： 101?106.

[15] KAKIGANO H， MIURA Y， ISE T. Distribution voltage control for DC microgrids using fuzzy control and gain?scheduling technique [J]. IEEE transactions on power electronics， 2013， 28（5）： 2246?2258.

作者簡介：劉勝崇（1992—），男，河北石家莊人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域為微電網(wǎng)及其控制策略。

帕孜來·馬合木提（1962—），女，維吾爾族，新疆烏魯木齊人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域為過程控制及智能診斷。

葛震君（1989—），男，天津人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域為故障診斷與故障預(yù)測。