改進(jìn)互聯(lián)通信荷電狀態(tài)下垂控制及功率均衡優(yōu)化

柴秀慧 張純江 柴建國(guó) 趙曉君 焦 猛

改進(jìn)互聯(lián)通信荷電狀態(tài)下垂控制及功率均衡優(yōu)化

柴秀慧1張純江1柴建國(guó)2趙曉君1焦 猛1

（1. 燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院 秦皇島 066004 2. 天津航天機(jī)電設(shè)備研究所 天津 300457）

作為直流微電網(wǎng)中不可或缺的組成部分，分布式直流儲(chǔ)能系統(tǒng)起著平抑系統(tǒng)能量波動(dòng)、維持系統(tǒng)功率平衡的重要作用。為了提高儲(chǔ)能系統(tǒng)工作的可靠性，該文對(duì)互聯(lián)通信荷電狀態(tài)（SOC）下垂控制策略進(jìn)行深入研究。首先，對(duì)傳統(tǒng)互聯(lián)通信SOC下垂控制的系統(tǒng)性能及存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，為之后控制策略的改進(jìn)奠定基礎(chǔ)；其次，提出改進(jìn)互聯(lián)通信SOC下垂控制策略，即在傳統(tǒng)互聯(lián)通信SOC下垂控制基礎(chǔ)上引入變化系數(shù)；再次，通過(guò)對(duì)改進(jìn)互聯(lián)通信SOC下垂控制系統(tǒng)性能的分析，得到變化系數(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，在提高系統(tǒng)功率收斂速度的同時(shí)，限制功率輸出最大值，從而提高系統(tǒng)可靠性；最后，對(duì)由兩臺(tái)儲(chǔ)能模塊構(gòu)成的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)策略的快速性及對(duì)輸出功率的限制。

分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) 互聯(lián)通信 荷電狀態(tài)下垂控制 功率均衡

0 引言

隨著光伏、風(fēng)電等分布式發(fā)電滲透率的提高，分布式直流儲(chǔ)能系統(tǒng)由于其突出的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于微電網(wǎng)以穩(wěn)定直流母線電壓和提高系統(tǒng)可靠 性[1-2]，同時(shí)通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收或釋放功率以起到“削峰填谷”的作用。在分布式直流儲(chǔ)能系統(tǒng)中，多臺(tái)儲(chǔ)能模塊通過(guò)雙向DC-DC變換器并聯(lián)于直流母線[3-4]，由于各儲(chǔ)能模塊荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）存在差異，為了保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，常采用SOC下垂控制來(lái)實(shí)現(xiàn)功率在各儲(chǔ)能模塊之間的合理分配[5-7]。目前，SOC下垂控制主要分為無(wú)互聯(lián)通信SOC下垂控制和有互聯(lián)通信SOC下垂控制兩種。

文獻(xiàn)[8-9]提出一種兩象限SOC下垂控制策略，通過(guò)構(gòu)建下垂系數(shù)與SOC的次冪成反比的關(guān)系從而實(shí)現(xiàn)功率合理分配，但在SOC較小時(shí)存在電壓跌落較大的問(wèn)題。為了解決該問(wèn)題，文獻(xiàn)[10]在兩象限SOC下垂控制基礎(chǔ)上，提出直流母線電壓二次控制策略，在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。文獻(xiàn)[11]提出一種基于SOC自適應(yīng)下垂系數(shù)協(xié)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(xiàn)[12]建立下垂系數(shù)與SOC的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，在實(shí)現(xiàn)功率合理分配的同時(shí)，保證母線電壓跌落在合理范圍之內(nèi)，從而提高了系統(tǒng)可靠性。以上無(wú)互聯(lián)通信SOC下垂控制策略具有控制簡(jiǎn)單和可靠性高等特點(diǎn)，但是存在功率均衡速度慢的缺點(diǎn)。

上述互聯(lián)通信SOC下垂控制策略均可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能模塊間SOC均衡，并經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)以提高系統(tǒng)的可靠性和控制精度，但仍存在SOC均衡速度較慢的缺點(diǎn)，且在儲(chǔ)能模塊SOC差值較大時(shí)，存在儲(chǔ)能模塊輸出功率超出其額定功率的現(xiàn)象。因此，本文在傳統(tǒng)互聯(lián)通信SOC指數(shù)下垂控制策略基礎(chǔ)上，引入變化系數(shù)，在實(shí)現(xiàn)功率合理分配的同時(shí)，限制各儲(chǔ)能模塊最大輸出功率，保證其在工程允許范圍內(nèi)，并加快了系統(tǒng)整體收斂速度，使各模塊輸出功率更快地趨于均衡。

1 傳統(tǒng)互聯(lián)通信SOC指數(shù)下垂控制策略

1.1 控制策略的基本原理

傳統(tǒng)互聯(lián)通信SOC指數(shù)下垂控制表達(dá)式為

其中

圖1 兩臺(tái)儲(chǔ)能模塊并聯(lián)的等效電路模型

1.2 儲(chǔ)能模塊之間的功率分配

將式（1）代入式（6），可得傳統(tǒng)互聯(lián)通信SOC指數(shù)下垂控制的輸出功率比值為

根據(jù)式（7），可得儲(chǔ)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(jiǎn)化分析過(guò)程，令，則傳統(tǒng)互聯(lián)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(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓跌落超過(guò)允許范圍，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

綜上所述，傳統(tǒng)互聯(lián)通信SOC指數(shù)下垂控制存在如下問(wèn)題：①SOC均衡速度慢；②儲(chǔ)能模塊輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出額定功率；③直流母線電壓跌落最大值較大。

2 改進(jìn)互聯(lián)通信SOC指數(shù)下垂控制策略

為了解決傳統(tǒng)互聯(lián)通信SOC指數(shù)下垂控制策略存在的問(wèn)題，本文在其控制策略基礎(chǔ)上引入變化系數(shù)以修正下垂系數(shù)與SOC之間的函數(shù)關(guān)系，在保證輸出功率合理分配的同時(shí)，限制各儲(chǔ)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(shí)大大降低直流母線電壓跌落最大值，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

改進(jìn)互聯(lián)通信SOC指數(shù)下垂控制的下垂系數(shù)表達(dá)式為

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

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

圖4 兩種控制策略下功率比值特性曲線對(duì)比

3 系統(tǒng)性能分析及變化系數(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

其中

根據(jù)式（19），列出勞斯陣列為

3.2 功率最大值限制及參數(shù)設(shè)計(jì)方法

根據(jù)式（22），在功率恒值區(qū)時(shí)儲(chǔ)能模塊間的功率分配近似如式（23）所示，儲(chǔ)能多的模塊功率分配大于儲(chǔ)能少的模塊，通過(guò)對(duì)前者輸出功率表達(dá)式中參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可限制其輸出功率上限，使儲(chǔ)能模塊工作在工程允許范圍內(nèi)。

3.3 功率收斂性分析及參數(shù)設(shè)計(jì)

在加速區(qū)間內(nèi)，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(jù)功率限制要求，儲(chǔ)能模塊輸出最大功率為

圖8 兩種控制策略下Dudcmax對(duì)比波形

4 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 仿真分析

圖9 改進(jìn)互聯(lián)通信SOC下垂控制框圖

圖12 改進(jìn)SOC下垂控制波形

圖13 改進(jìn)SOC下垂控制的充電模式仿真波形

改進(jìn)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(wěn)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(wěn)定性。

圖14 直流母線電壓仿真波形

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

搭建由兩臺(tái)儲(chǔ)能模塊構(gòu)成的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其中，變換器采用懸浮交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC-DC變換器，實(shí)物如圖15所示。通過(guò)DSP（TMS320F28335）數(shù)字控制電路實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行的兩個(gè)儲(chǔ)能模塊的輸出功率控制。實(shí)驗(yàn)參數(shù)具體如下：蓄電池電壓為40V，直流母線電壓為160V，儲(chǔ)能單元容量為1.5A·h，母

圖15 雙向DC-DC變換器實(shí)物

圖16 n=6時(shí)傳統(tǒng)SOC下垂控制的放電模式實(shí)驗(yàn)波形

圖17 n=6時(shí)改進(jìn)SOC下垂控制的放電模式實(shí)驗(yàn)波形

圖18 n=6時(shí)傳統(tǒng)SOC下垂控制的充電模式實(shí)驗(yàn)波形

圖19 n=6時(shí)改進(jìn)SOC下垂控制的充電模式實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié)論

本文提出一種改進(jìn)互聯(lián)通信SOC下垂控制策略，通過(guò)在傳統(tǒng)互聯(lián)通信SOC下垂控制基礎(chǔ)上引入變化系數(shù)以修正下垂系數(shù)與SOC之間的函數(shù)關(guān)系，從而改善了系統(tǒng)性能，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)控制方案的可行性，得出以下結(jié)論：

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

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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(dǎo)師，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電變流器及控制技術(shù)和儲(chǔ)能系統(tǒng)功率流控制等。E-mail: caixiuhuihb@126.com

張純江 男，1961年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榭稍偕茉捶植际桨l(fā)電及控制技術(shù)等。E-mail: zhangcj@ysu.edu.cn（通信作者）

2020-07-11

2020-10-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51877187）和河北省博士后科研項(xiàng)目（B2019003024）資助。

（編輯 陳 誠(chéng)）