多BESS獨(dú)立直流微電網(wǎng)的SOC協(xié)調(diào)控制

王 武

（許昌學(xué)院 電氣與機(jī)械工程學(xué)院，河南 許昌，461000）

1 引言

推動(dòng)能源低碳綠色轉(zhuǎn)型，大力加強(qiáng)可再生能源開(kāi)發(fā)與利用，將成為推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和綠色能源消費(fèi)的主要方式。能源低碳轉(zhuǎn)型是一個(gè)需要長(zhǎng)期堅(jiān)持的基本理念，“碳峰值”“碳中和”對(duì)新能源發(fā)電及利用提出了更高要求。面對(duì)新能源大規(guī)模接入，要在系統(tǒng)層面引導(dǎo)源網(wǎng)荷儲(chǔ)互補(bǔ)互動(dòng)，通過(guò)系統(tǒng)布局風(fēng)光煤儲(chǔ)多能互補(bǔ)綜合能源基地，緩解新能源發(fā)電出力的隨機(jī)性和波動(dòng)性。微電網(wǎng)將分布式發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、變換器裝置、交直流負(fù)荷等組合在一起，通過(guò)施加控制算法，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)各系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。BESS（Battery Energy Storage Systems）對(duì)微電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要，微電網(wǎng)接入大電網(wǎng)時(shí)，由于缺少旋轉(zhuǎn)備用容量，慣性小，需要BESS作為能量緩沖，平抑頻率和電壓波動(dòng)。微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由于可再生能源隨外部環(huán)境條件變化而呈現(xiàn)出發(fā)電的不確定性，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)能量供需不平衡，需要BESS進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。由于微電網(wǎng)內(nèi)可再生能源和負(fù)荷數(shù)量眾多，一般需要配置多個(gè)BESS 來(lái)保證微電網(wǎng)負(fù)荷可靠供電及穩(wěn)定運(yùn)行。多BESS 分布式安裝可以有效減少系統(tǒng)線路損耗，從整體上提高系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，由于多BESS構(gòu)成了儲(chǔ)能冗余，可以有效降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的故障發(fā)生率，提高其運(yùn)行可靠性。

實(shí)現(xiàn)多BESS 的SOC 協(xié)調(diào)控制可保持BESS 間的充、放電速度一致，延長(zhǎng)其服務(wù)壽命，相對(duì)提高微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性，也引起了廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)將儲(chǔ)能進(jìn)行主導(dǎo)模式劃分，各儲(chǔ)能單元的過(guò)充、過(guò)放實(shí)現(xiàn)功率交互控制，極限功率限值按照充放電比例分配，使臨界單元荷電狀態(tài)自動(dòng)恢復(fù)至穩(wěn)定工作區(qū)間[1]。文獻(xiàn)提出一種基于電池能量管理系統(tǒng)的SOC協(xié)同控制方案，通過(guò)控制DC-DC變換器來(lái)控制蓄電池組內(nèi)各個(gè)儲(chǔ)能單元放電速率，從而實(shí)現(xiàn)SOC協(xié)同控制[2]。文獻(xiàn)得出了儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC，求解其放電效率，對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化控制[3]。文獻(xiàn)提出直流電微網(wǎng)多儲(chǔ)能系統(tǒng)的下垂控制方法，分析了SOC值與儲(chǔ)能放電之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了輸出功率可分配的協(xié)調(diào)控制器[4]。文獻(xiàn)提出一致性控制策略，通過(guò)在系統(tǒng)控制中設(shè)置加速因子，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在線優(yōu)化[5]。文獻(xiàn)給出了儲(chǔ)能單元的分層控制方法，驗(yàn)證了一致性算法和分層協(xié)調(diào)控制策略的有效性[6]。文獻(xiàn)提出考慮蓄電池SOC的多源協(xié)調(diào)控制策略[7]。文獻(xiàn)提出光儲(chǔ)直流微電網(wǎng)的分層協(xié)調(diào)控制策略，能夠進(jìn)行最大功率控制模式和下垂控制模式切換[8]。本文提出多BESS直流微電網(wǎng)的SOC協(xié)調(diào)控制，給出了微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、BESS建模及SOC估算、儲(chǔ)能系統(tǒng)的下垂控制及改進(jìn)策略，通過(guò)算例證明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電單元和儲(chǔ)能單元的協(xié)調(diào)配合，維持系統(tǒng)能量吞吐平衡。

2 多BESS獨(dú)立直流微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

圖1給出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，主要由儲(chǔ)能系統(tǒng)、新能源發(fā)電系統(tǒng)、交直流負(fù)載三個(gè)部分組成，儲(chǔ)能系統(tǒng)中的各儲(chǔ)能模塊通過(guò)DC/DC變換器連接至直流母線上，由光伏和風(fēng)電構(gòu)成新能源發(fā)電系統(tǒng)，光伏單元將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，并通過(guò)DC/DC雙向變換器連接至直流母線，風(fēng)電單元將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，并通過(guò)AC/DC雙向變換器連接至直流母線。各儲(chǔ)能單元通常作為系統(tǒng)主電源運(yùn)行于下垂控制模式，當(dāng)儲(chǔ)能模塊達(dá)到最大充放電功率時(shí)，系統(tǒng)投切至定功率運(yùn)行；光伏發(fā)電系統(tǒng)通常運(yùn)行于最大功率點(diǎn)跟蹤模式，在光伏出力過(guò)大時(shí)，將其投切至限定功率運(yùn)行模式。

圖1 獨(dú)立直流微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，微網(wǎng)內(nèi)的光伏發(fā)電功率會(huì)發(fā)生變化，負(fù)荷功率也會(huì)根據(jù)實(shí)際消耗發(fā)生變化，儲(chǔ)能裝置會(huì)發(fā)生功率吞吐，其功率關(guān)系描述為：

上式中，PPV表示光伏發(fā)電輸出功率，Pwind表示風(fēng)電輸出功率，PL為負(fù)荷總額定功率，PBS+為儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存的電功率，PBS-為儲(chǔ)能裝置輸出的電功率。

3 BESS建模及SOC估算

BESS 是一個(gè)典型的非線性時(shí)變系統(tǒng)，其參數(shù)和性能受外界溫度、環(huán)境和老化等因素的影響。為了實(shí)施SOC 的協(xié)調(diào)控制，需要建立BESS 的數(shù)學(xué)模型，測(cè)量其電壓、電流等參數(shù)，估算SOC，此處采用電氣模型中的Rint模型，其表達(dá)式描述為：

上式中，Voc為電池的開(kāi)路電壓，主要和SOC有關(guān)而與溫度無(wú)關(guān)，Ro為電池的等效內(nèi)阻，主要由溫度決定。

SOC用以表征電池剩余容量和額定容量之比，主要通過(guò)估算方法得出。目前計(jì)算簡(jiǎn)單，精度較高，應(yīng)用較多的安培積分法經(jīng)常在估算SOC時(shí)被采用，其公式為：

上式中，SOC0表示電池的初始SOC值，Ce表示電池容量，iin表示電池的輸出電流?？紤]到電池容量較大，其放電過(guò)程緩慢，將其輸出電壓近似看作常數(shù)VDC，根據(jù)功率守恒定律，可以用其有功功率表示其大小。目前常用不均衡度指標(biāo)εi來(lái)判斷SOC是否能實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，其定義為：

其中SOCave代表所有SOC的平均值。

4 儲(chǔ)能系統(tǒng)的下垂控制

上式中，udc_i表示儲(chǔ)能單元i的輸出電壓，idc_i表示其輸出電流，udcref為直流母線參考電壓，Rdroop_i為儲(chǔ)能單元的虛擬阻抗。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，令其虛擬阻抗?jié)M足以下約束條件：

式中，Δudcmax為直流母線電壓允許偏差的最大值，Δudcmin為直流母線電壓允許偏差的最小值，idcmax為儲(chǔ)能變換器端口輸出最大電流，idcmin為儲(chǔ)能單元變換器端口輸出最小電流。結(jié)合儲(chǔ)能單元的安時(shí)計(jì)量法，可求出SOC變化率為：

為了克服傳統(tǒng)下垂控制的不足，實(shí)現(xiàn)SOC值趨于一致，此處采用動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)的方式，其模型可表述為：

上式中，k 為權(quán)重系數(shù)，kD為均衡因子，冪指數(shù)n 的選取上限不能使其輸出功率超過(guò)額定功率，均衡因子取值不能破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般取值為：

為了保證儲(chǔ)能單元之間出力均勻，儲(chǔ)能控制采用電壓觀測(cè)器及均流控制器，控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)能模塊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 仿真與結(jié)論

本系統(tǒng)中用1 個(gè)光伏發(fā)電單元，其額定功率為2.1kW，用了3 個(gè)儲(chǔ)能單元構(gòu)造BESS，其額定功率分別為1.2kW、0.9kW 和0.6kW，直流負(fù)載用可調(diào)電阻器代替，分別在三種工況下進(jìn)行了系統(tǒng)驗(yàn)證，具體工況如表1所示。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

工況1下，光伏發(fā)電單元只發(fā)出大約一半功率，選擇表1中的參數(shù)，儲(chǔ)能單元的輸出功率和母線電壓比較平穩(wěn)；工況2下，進(jìn)行了權(quán)重系統(tǒng)和冪指數(shù)對(duì)系統(tǒng)特性的分析，當(dāng)將權(quán)重系數(shù)從5增大至7，冪指數(shù)由2增加至2.6，SOC的均衡速度變快；工況3下，給系統(tǒng)加入均流控制，儲(chǔ)能單元輸出功率均勻，母線電壓能保持在額定電壓附近。通過(guò)算例可見(jiàn)，本文提出的多BESS獨(dú)立直流微電網(wǎng)SOC協(xié)調(diào)控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電單元和儲(chǔ)能單元的協(xié)調(diào)配合，維持系統(tǒng)能量吞吐平衡。后期將加大對(duì)儲(chǔ)能元件SOC 變化相對(duì)劇烈情況的分析，加強(qiáng)多單元、多節(jié)點(diǎn)下控制系統(tǒng)及通信網(wǎng)絡(luò)研究，加強(qiáng)不同類型分布式能源接入及不同類型儲(chǔ)能系統(tǒng)接入時(shí)的協(xié)同控制研究，加強(qiáng)獨(dú)立微電網(wǎng)和并網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制研究。