孤島微電網(wǎng)不同尺寸DESUs的SoC均衡方案

吳青峰，智澤英，趙志誠，于少娟

(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

0 引 言

微電網(wǎng)(圖1)作為風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源 (Renewable Energy Sources, RES)的載體具有清潔、發(fā)電成本低等優(yōu)點(diǎn)，得到了研究人員廣泛的研究和政府的日益重視[1]。微電網(wǎng)內(nèi)通常將RES和DESUs配套使用，利用DESUs平抑RES發(fā)電過程中帶來的震蕩[2]。受裝機(jī)容量和老化因素的影響，孤島微電網(wǎng)中DESUs的尺寸(容量和電壓)是不同的[3]。分散式下垂控制能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)功率的均分和調(diào)節(jié)，具有無通信、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)， 被廣泛應(yīng)用在孤島微電網(wǎng)DESUs的逆變器控制中[4]。但傳統(tǒng)的下垂控制并不能實(shí)現(xiàn)多不同尺寸DESUs組間的SoC均衡[5]。SoC不均衡會(huì)導(dǎo)致DESUs過充和過放，縮短DESUs的使用壽命，導(dǎo)致SoC低的DESUs先退出微電網(wǎng)，當(dāng)剩余的DESUs的容量無法以支撐負(fù)荷供電時(shí)會(huì)引起微電網(wǎng)的崩潰，此時(shí)SoC高DESUs的容量無法得到有效利用，進(jìn)而降低DESUs的利用率。因此，亟需合理DESUs逆變器控制方案，實(shí)現(xiàn)不同尺寸DESUs的SoC均衡。

目前，已存在一些DESUs的SoC均衡方案。文獻(xiàn)[6-7]利用集中控制器和通信實(shí)現(xiàn)了SoC均衡，但集中控制器和通信造價(jià)高，控制復(fù)雜，可擴(kuò)展性差。文獻(xiàn)[8]提出基于多代理和通信的分布式相同尺寸DESUs的SoC均衡方案。雖然該方案不需集中控制器，但需要通信，可擴(kuò)展性差。針對(duì)這個(gè)問題，文獻(xiàn)[9]提出的無通信變系數(shù)V-I下垂控制方案根據(jù)DESUs的SoC的大小，調(diào)節(jié)DC/DC變換器輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)內(nèi)等尺寸DESUs的SoC均衡。為實(shí)現(xiàn)孤島交流微電網(wǎng)相同尺寸DESUs的SoC均衡，文獻(xiàn)[10]提出一種基于P-ω下垂控制的DESUs的SoC均衡不需要通信，但該方案無法實(shí)現(xiàn)不同尺寸DESUs的SoC均衡。

圖1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

綜上所述：目前現(xiàn)有的基于下垂控制的孤島交流微電網(wǎng)SoC均衡方案，僅實(shí)現(xiàn)了相同尺寸DESUs的SoC均衡，無法實(shí)現(xiàn)不同尺寸DESUs的SoC均衡。因此，提出一種基于下垂控制的適用于孤島交流微電網(wǎng)不同尺寸DESUs的SoC均衡方案。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提方案的有效性。

1 傳統(tǒng)下垂控制方案分析

傳統(tǒng)的P-ω下垂控制的表達(dá)式如下：

ω=ωref-mP

(1)

E=Eref-nQ

(2)

式中ω和E分別為角頻率和電壓的幅值；ωref和Eref分別為角頻率和電壓的參考值；m和n為下垂系數(shù)；P和Q分別為有功功率和無功功率。

基于安培積分法DESUs的SoC表達(dá)式為[12]：

(3)

式中SoC0、Cei和VDCi分別為各個(gè)DESUs的初始SoC、容量和輸出電壓；Pi為逆變器輸出的有功功率。

將傳統(tǒng)P-ω下垂控制應(yīng)用在兩臺(tái)不同尺寸的DESUs逆變器上獲得的仿真波形如圖2所示。0.6 s以前采用傳統(tǒng)的下垂控制，在t=0.6 s時(shí)投入負(fù)荷2。從圖2(a)可知，當(dāng)DESUs的尺寸不一致時(shí)，受初始SoC、容量和電壓的影響，DESUs的SoC不能均衡。從圖2(b)可知:當(dāng)采用傳統(tǒng)下垂控制時(shí)逆變器輸出的有功功率由于線路阻抗的不同，暫態(tài)有功功率是不均分的，根據(jù)式(3)即使初始SoC和尺寸相同，在放電過程中SoC也不會(huì)均衡。此外，在穩(wěn)態(tài)時(shí)有功功率是均分的。

圖2 采用傳統(tǒng)下垂控制的仿真波形

2 所提不同尺寸DESUs的SoC均衡方案

2.1 所提SoC均衡方案及其原理分析

針對(duì)傳統(tǒng)P-ω下垂控制不能實(shí)現(xiàn)不同尺寸DESUs的SoC均衡，文中在傳統(tǒng)P-ω下垂控制的基礎(chǔ)上加入SoC均衡因子，并將DESUs的尺寸信息和有功功率的下垂系數(shù)m相結(jié)合，得到的改進(jìn)型下垂控制如下：

(4)

式中ωi和ωref為角頻率及其參考值；Pi為各個(gè)DESUs逆變器輸出的功率；Cei和VDCi為各個(gè)DESUi的容量和輸出電壓；kSoC和m為下垂系數(shù)。

所提方案實(shí)現(xiàn)不同尺寸的DESUs的SoC均衡的原理分析如下。

根據(jù)式(4)可以得到：

(5)

將式(5)代入式(3)可以得到：

(6)

式(6)說明所提方案消除了容量和電壓對(duì)SoC的影響。通過SoC均衡因子kSoCSoCi的調(diào)節(jié)就可以實(shí)現(xiàn)不同尺寸的DESUs的SoC均衡。

護(hù)患溝通組患者的護(hù)患糾紛發(fā)生率(2.00%)明顯低于常規(guī)導(dǎo)診組患者(18.00%),數(shù)據(jù)對(duì)比差異存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(X 2=7.1111,P=0.0076<0.05)。數(shù)據(jù)內(nèi)容如表1所示。說明護(hù)患溝通在一定程度上降低了門診患者與護(hù)理人員之間的糾紛發(fā)生率。

圖3為不同尺寸DESUs的SoC均衡的原理圖。由圖3分析可知：假設(shè)兩臺(tái)DESUs在n時(shí)刻的SoC的關(guān)系為SoC1n>SoC2n，引入SoC均衡因子以后，下垂曲線得到平移，根據(jù)式(4)可以得到在n+1時(shí)刻ω1(n+1)>ω2(n+1)，由于P和ω成正比，可以得到有功功率變化量ΔP的關(guān)系為ΔP1n>ΔP2n，可得SoC變化率ΔSoC的關(guān)系為ΔSoC1n<ΔSoC2n，即SoC高的DESUs的SoC下降幅度較SoC低的DESUs的大。根據(jù)該原理，各個(gè)DESUs的SoC經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)節(jié)就可均衡。

圖3 SoC均衡原理圖

2.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

為了給下垂系數(shù)的選擇提供依據(jù)，按照文獻(xiàn)[13]中的方法建立了控制方案的小信號(hào)模型，以分析下垂系數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，并且得到了控制方案的四階小信號(hào)模型，即：

s4Δδ+as3Δδ+bs2Δδ+csΔδ+dΔδ=0

(7)

式中：

將表1中的參數(shù)代入式(7)就可得到根軌跡，根據(jù)根軌跡可判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

表1 畫根軌跡的參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)和特征方程畫出的根軌跡如圖4所示，圖4中λ1和λ2為與系統(tǒng)小信號(hào)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性密切相關(guān)的主導(dǎo)極點(diǎn)。由圖4分析可知，所采用的下垂系數(shù)能使λ1和λ2在穩(wěn)定域的左半面，說明系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定。但是，隨著下垂系數(shù)的不斷增加，主導(dǎo)極點(diǎn)λ1和λ2可能進(jìn)入穩(wěn)定域的右半面，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的失穩(wěn)。

圖4 根軌跡圖

3 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提方法的有效性，搭建圖1所示的仿真模型和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。表2為仿真參數(shù)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

表2 仿真和實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3.1 不同尺寸的DESUs的 SoC均衡方案仿真驗(yàn)證

文獻(xiàn)[10]中提出一種基于P-ω下垂控制的孤島微電網(wǎng)相同尺寸DESUs的SoC均衡方案。為了突出所提方案的先進(jìn)性，將文獻(xiàn)[10]方案和文中所提方案的控制效果進(jìn)行了比較。圖5和圖6分別為不同尺寸DESUs 的逆變器采用文獻(xiàn)[10]和文中所提的SoC均衡方案時(shí)的仿真波形。在0.6 s以前采用SoC均衡方案，在t=0.6 s時(shí)加入負(fù)荷2。分析可知：當(dāng)采用文獻(xiàn)[10]中的SoC均衡方案時(shí)，受容量和電壓不一致的影響，無法實(shí)現(xiàn)不同尺寸的DESU的SoC均衡且有功功率的均分效果受到尺寸參數(shù)的影響。采用文中所提方案后，圖6中不同尺寸的DESUs實(shí)現(xiàn)了SoC均衡。SoC均衡后逆變器輸出的有功功率和DESUs的尺寸參數(shù)成正比。

3.2 不同尺寸DESUs的 SoC均衡方案實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖7為不同尺寸DESUs的逆變器采用不同SoC均衡方案的SoC和有功功率的實(shí)驗(yàn)波形。在t1時(shí)刻以前采用所提方案，在t1時(shí)刻投入負(fù)荷2。和圖5和圖6仿真結(jié)果一致，受尺寸差異的影響，文獻(xiàn)[10]方案無法實(shí)現(xiàn)不同尺寸DESUs的SoC均衡，逆變器輸出的功率不均分；而文中所提方案則不受尺寸差異影響，實(shí)現(xiàn)不同負(fù)荷下不同尺寸的DESUs的SoC均衡且逆變器輸出的功率與尺寸成正比。

圖5 采用文獻(xiàn)[10]方案的仿真波形

圖6 采用文中所提方案的仿真波形

圖7 不同控制方案下的實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)束語

文中提出無需中央控制器和通信的改進(jìn)型P-ω下垂控制實(shí)現(xiàn)孤島交流微電網(wǎng)內(nèi)不同尺寸DESUs的SoC均衡。并得到如下結(jié)論：

(1)在下垂控制有功功率的下垂系數(shù)中加入DESUs尺寸參數(shù)信息可消除尺寸對(duì)SoC均衡的影響；

(2)在下垂控制中引入的SoC均衡因子可平移下垂控制的下垂特性曲線，調(diào)節(jié)DESUs逆變器輸出的有功功率，使SoC高的DESUs逆變器輸出的有功功率多，使SoC低的DESUs逆變器輸出的有功功率少，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)DESUs的SoC的均衡；

(3)和現(xiàn)有方案相比，該方案的優(yōu)勢(shì)在于：現(xiàn)有DESUs的SoC均衡方案只能實(shí)現(xiàn)等尺寸DESUs的SoC均衡，SoC均衡效果和逆變器輸出有功功率受尺寸差異的影響；而所提方案的SoC均衡效果不受DESUs尺寸參數(shù)的影響且與DESUs尺寸成正比。