光儲(chǔ)荷直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)荷電狀態(tài)功率分配策略研究

楊宇行，盧聞州

（江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

0 引 言

在資源緊缺和環(huán)境保護(hù)的壓力下，光伏微電網(wǎng)受到了廣泛關(guān)注[1]。光伏供電的間歇性和隨機(jī)性會(huì)引發(fā)一系列的問題，常常需要通過增加儲(chǔ)能裝置來使直流母線電壓穩(wěn)定[2]。光儲(chǔ)荷微電網(wǎng)系統(tǒng)往往由多個(gè)蓄電池構(gòu)成儲(chǔ)能裝置，如何制定合理的功率分配方式顯得尤為重要。

目前對(duì)于儲(chǔ)能裝置功率分配的研究主要集中在SOC平衡方面[3]。文獻(xiàn)[4]建立了基于自適應(yīng)電源管理的策略，通過對(duì)燃料電池-超級(jí)電容模塊進(jìn)行下垂控制，動(dòng)態(tài)分配了不同模塊的輸出能量，但未分析多個(gè)蓄電池內(nèi)部SOC問題。文獻(xiàn)[5]考慮了蓄電池容量和充放電循環(huán)帶來的經(jīng)濟(jì)損失問題，通過對(duì)約束條件進(jìn)行設(shè)定求解，降低了微電網(wǎng)的運(yùn)行維護(hù)成本，但犧牲了直流電網(wǎng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[6]提出了一種高可靠性的均衡充電控制方式，令蓄電池組的充電深度保持相同，但增加了蓄電池內(nèi)部的充放電次數(shù)，減少了系統(tǒng)的使用壽命。

為了解決光儲(chǔ)荷微電網(wǎng)系統(tǒng)中儲(chǔ)能裝置內(nèi)多電池SOC不均衡的問題，文章首先分析了光儲(chǔ)荷微電網(wǎng)的組成，其次提出了一種變階段的協(xié)調(diào)SOC功率分配策略，該策略對(duì)儲(chǔ)能裝置內(nèi)處于不同SOC的蓄電池分配不同的吸收/放出功率值，令多個(gè)蓄電池的SOC值差異在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)逐步減小，最后通過MATLAB/Simulink仿真驗(yàn)證了分配策略的有效性。

1 協(xié)調(diào)SOC功率分配

1.1 光儲(chǔ)荷微電網(wǎng)工作模式

典型的光儲(chǔ)荷微電網(wǎng)系統(tǒng)通常包含光伏模塊、儲(chǔ)能模塊、直流負(fù)荷、BOOST變換器以及雙向DC-DC變換器。圖1為光儲(chǔ)荷微電網(wǎng)的總體框圖，其中光伏模塊通過BOOST變換器將能量傳遞給儲(chǔ)能裝置和負(fù)荷，由多個(gè)蓄電池構(gòu)成的儲(chǔ)能裝置則分別通過雙向DC-DC變換器與直流母線相連，接收和輸送電能。

圖1 直流微電網(wǎng)總體框圖

1.2 儲(chǔ)能裝置功率分配

儲(chǔ)能裝置負(fù)責(zé)補(bǔ)充系統(tǒng)功率差額，在含有多個(gè)蓄電池的情況下，合理的功率分配方式將大大增加系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。儲(chǔ)能裝置SOC控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，n個(gè)蓄電池聯(lián)合構(gòu)成儲(chǔ)能裝置，每個(gè)蓄電池都單獨(dú)通過一套雙向DC-DC變換器來與直流母線連接。

圖2 儲(chǔ)能裝置SOC控制結(jié)構(gòu)圖

每個(gè)蓄電池均有一個(gè)SOC值，第n個(gè)蓄電池的荷電值為SOCn，則有：

式中，SOCm為n個(gè)接入光儲(chǔ)荷微電網(wǎng)的蓄電池的SOC平均荷電狀態(tài)值。

考慮到不同蓄電池的SOC含量不同，所應(yīng)承擔(dān)的功率需求也不同，因此制定了圖3的功率分配方式。

圖3 功率分配因子函數(shù)圖

圖3中的SOCmax與SOCmin為設(shè)定的最大與最小SOC值，當(dāng)蓄電池SOC值處于最大或最小值時(shí)，參考充/放電功率為0。SOCa與SOCb為功率分配因子曲線的拐點(diǎn)，當(dāng)蓄電池SOC處于SOCmin～SOCa階段時(shí)，若蓄電池處于放電狀態(tài)，則放電參考值會(huì)隨SOC值的減小而快速減小。反之，當(dāng)蓄電池SOC處于SOCb～SOCmax階段時(shí)，若蓄電池處于充電狀態(tài)，則充電參考值會(huì)隨SOC值的增大而快速減小。

由于儲(chǔ)能裝置為光儲(chǔ)荷微電網(wǎng)提供的功率是實(shí)時(shí)變化的，而儲(chǔ)能裝置中各個(gè)蓄電池所分配的功率占總功率的比例在一段時(shí)間內(nèi)不變，因此需要先求出每個(gè)蓄電池分配的功率占比，再根據(jù)總體功率值求出每個(gè)蓄電池實(shí)際分配的功率值。

設(shè)定蓄電池SOC值為50%時(shí)的功率分配因子為1，根據(jù)圖3有：

式中，min表示吸收功率，mout表示輸出功率，k1和k2為充放電功率參考系數(shù)，即圖3充放電曲線各個(gè)階段的斜率。

根據(jù)式（2）和式（3）可知第n個(gè)蓄電池的功率參考值Pnbat為：

1.3 k值調(diào)整

微電網(wǎng)中，功率差額可能有很大變化，可以通過改變功率分配因子中的k1、k2值來減小蓄電池在大功率下輸出和輸入功率的差異。

以放電模式為例，如圖4所示。k值調(diào)整前，功率分配因子曲線在SOCa～SOCb區(qū)間內(nèi)斜率較大，不同蓄電池輸出功率差異較大；k值調(diào)整后，曲線在SOCa～SOCb區(qū)間內(nèi)斜率較小，不同蓄電池輸出功率差異減小。

圖4 k值調(diào)整

光儲(chǔ)荷微電網(wǎng)內(nèi)部蓄電池的型號(hào)相同，標(biāo)準(zhǔn)輸出電流均為Iaa，設(shè)定蓄電池輸入輸出容忍度為Ktor，則蓄電池最大輸出電流為：

該微電網(wǎng)蓄電裝置最大輸出功率為：

式中，Pm為標(biāo)準(zhǔn)情況下的輸出功率。

由圖4可知，當(dāng)SOCa與SOCb確定時(shí)，k2值隨k1值的變化而變化，因此只需要設(shè)定k1值的變化方式，即：

式中，Pbat為蓄電池模塊實(shí)際分配功率值，1/(0.5-SOCmin)為斜率因子，用于保證k1與k2值為正且k2≥k1。由此可以確定k2值為：

2 仿真驗(yàn)證

2.1 仿真參數(shù)

為驗(yàn)證協(xié)調(diào)功率分配策略的可行性，用MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)如表1所示。仿真系統(tǒng)涉及到的模型包括光伏電池、蓄電池、直流負(fù)荷、雙向DC-DC變換器以及Boost變換器5部分。儲(chǔ)能裝置使用3個(gè)蓄電池模塊進(jìn)行供能，仿真時(shí)間共2 s，第0～1 s系統(tǒng)為負(fù)荷1供能，第1～2 s系統(tǒng)為負(fù)荷1和負(fù)荷2供能。

表1 仿真主要參數(shù)

2.2 協(xié)調(diào)SOC功率分配仿真

系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖5所示，從圖5（a）可知，系統(tǒng)在0.5 s后即保持600 V的穩(wěn)定電壓狀態(tài)，1 s時(shí)負(fù)荷突增，系統(tǒng)經(jīng)過短暫調(diào)整仍維持電壓穩(wěn)定。

在改進(jìn)后的功率分配方式下，圖5（b）中SOC值更高的蓄電池1在放電時(shí)會(huì)釋放更多的電能，在充電時(shí)則會(huì)吸收較少的電能；蓄電池3由于本身的SOC值較小，在放電時(shí)所釋放的電能較少，充電時(shí)獲得更多電能。由此可知，使用協(xié)調(diào)SOC功率分配策略可以減少系統(tǒng)運(yùn)行中蓄電池之間SOC值的差異，達(dá)到SOC均衡的目的。

圖5 斜坡改進(jìn)型功率分配仿真結(jié)果

2.3 變k值仿真

為驗(yàn)證k值改變對(duì)功率分配的影響，分別以k1=1、k2=7和k1=k2=2.5進(jìn)行對(duì)比仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

蓄電池模塊的SOC值分別為0.9、0.4及0.1。由此可知，k1取值較小時(shí)，在總功率需求相同的情況下，不同SOC值的蓄電池模塊分配功率差異較小，而k1值較大時(shí)，不同SOC值的蓄電池模塊分配功率差異較大。通過合理改變k值，可以有效調(diào)節(jié)不同SOC蓄電池輸入輸出分配的功率，從而更加靈活地應(yīng)對(duì)不同功率差額。

3 結(jié) 論

采用協(xié)調(diào)SOC功率分配方式對(duì)微電網(wǎng)儲(chǔ)能裝置中的蓄電池進(jìn)行功率分配，可以在維持直流母線電壓穩(wěn)定的同時(shí)減少不同蓄電池SOC值的差異。通過改變功率分配斜率k值可以靈活應(yīng)對(duì)不同場(chǎng)景的需求，MATLAB仿真證明了所提策略的有效性。