基于自適應(yīng)下垂控制的光儲(chǔ)直流微網(wǎng)控制策略研究

摘 要：針對(duì)下垂控制會(huì)導(dǎo)致母線電壓出現(xiàn)跌落現(xiàn)象這一問(wèn)題，提出基于蓄電池荷電狀態(tài)（SOC）的n次冪的自適應(yīng)下垂控制（ADC）策略，設(shè)計(jì)充放電時(shí)的下垂系數(shù)，在下垂系數(shù)中引入蓄電池[Sn]及基于母線電壓的下垂系數(shù)調(diào)整律，并加入超級(jí)電容功率補(bǔ)償。在系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行控制策略上，以母線電壓[Udc]和蓄電池SOC值作為控制元，設(shè)計(jì)上層協(xié)調(diào)控制模塊。與傳統(tǒng)自適應(yīng)下垂控制相比，所提控制策略可升高跌落的母線電壓，且當(dāng)外界環(huán)境因素變化或負(fù)載變化時(shí)，蓄電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能更好地維持母線電壓的穩(wěn)定，提高系統(tǒng)的抗干擾能力；且系統(tǒng)可在各工作模式之間平滑切換，維持母線電壓的穩(wěn)定。最后，在基于TMS320F28335的光儲(chǔ)直流微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上驗(yàn)證該控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：直流微網(wǎng)；儲(chǔ)能系統(tǒng)；自適應(yīng)下垂控制；荷電狀態(tài)；電壓跌落；協(xié)調(diào)運(yùn)行

中圖分類號(hào)：TM615 " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0573

文章編號(hào)：0254-0096（2024）08-0154-10

北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，銀川 750030

0 引 言

近年來(lái)，隨著不可再生能源的耗盡，可再生能源逐漸興起，尤其是風(fēng)能、太陽(yáng)能等分布式發(fā)電能源［1-2］。然而，分布式發(fā)電系統(tǒng)具有隨機(jī)性強(qiáng)、波動(dòng)性大的缺陷，對(duì)于這一問(wèn)題，儲(chǔ)能系統(tǒng)因具有“削峰填谷”的優(yōu)勢(shì)，常常被加入直流微網(wǎng)中［3］。儲(chǔ)能系統(tǒng)控制通常使用分布式控制，常見(jiàn)的分布式控制是下垂控制［4-5］。

下垂控制［6-7］在無(wú)通信時(shí)也能實(shí)現(xiàn)各單元電流分配的目的，常將其使用在儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配中。但下垂控制也有一定的局限性，由于線纜阻抗的存在，會(huì)使傳統(tǒng)下垂控制存在電壓偏差和電流分配精度之間的矛盾。對(duì)此，文獻(xiàn)［8］提出一種基于非線性動(dòng)態(tài)下垂控制的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)分散控制方法，在下垂系數(shù)中引入[e-Bt]函數(shù)，同時(shí)使用超級(jí)電容承擔(dān)吸收高頻功率和向電網(wǎng)釋放功率的任務(wù)。蓄電池承當(dāng)?shù)皖l功率。該方法可提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性；文獻(xiàn)［9］提出改進(jìn)的基于分散虛擬電池的下垂控制方法，在基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的虛擬電池模型上動(dòng)態(tài)地改變下垂控制回路中的輸出參考電壓和虛擬電阻，確保直流母線電壓的自主穩(wěn)定運(yùn)行。

上述文獻(xiàn)雖對(duì)傳統(tǒng)下垂控制進(jìn)行了改進(jìn)，使各儲(chǔ)能單元電流可精確分配，但并不能提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的自均衡性。為實(shí)現(xiàn)蓄電池儲(chǔ)能的蓄電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）自均衡，大部分文獻(xiàn)使用一般補(bǔ)償法，將蓄電池儲(chǔ)能的SOC值與下垂系數(shù)相關(guān)聯(lián)，構(gòu)造關(guān)于SOC的下垂函數(shù)，即自適應(yīng)下垂控制（adaptive droop control，ADC）［10-11］，提高下垂控制的自適應(yīng)能力，使蓄電池的充放電功率按其SOC合理分配，以此提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC均衡速度。文獻(xiàn)［12］提出指數(shù)型的下垂函數(shù)[en（Save-Si）]（[S]表示蓄電池SOC值），通過(guò)微調(diào)母線電壓，實(shí)現(xiàn)SOC均衡，但該策略依賴于通信方式，易出現(xiàn)單點(diǎn)故障；文獻(xiàn)［13］對(duì)傳統(tǒng)互聯(lián)通信SOC下垂控制的系統(tǒng)性能及存在問(wèn)題進(jìn)行分析，提出基于指數(shù)型下垂函數(shù)[enΔS]自適應(yīng)下垂控制，同時(shí)限制功率輸出最大值，提高系統(tǒng)可靠性，但同樣會(huì)出現(xiàn)單點(diǎn)故障問(wèn)題；文獻(xiàn)［14］提出冪數(shù)型下垂函數(shù)[Sn]，可實(shí)現(xiàn)SOC均衡，但存在母線電壓跌落問(wèn)題。對(duì)此，文獻(xiàn)［15］提出一種基于[Sn]的改進(jìn)下垂控制策略，根據(jù)母線電壓波動(dòng)的下垂系數(shù)調(diào)整律，當(dāng)母線電壓跌落時(shí)會(huì)自動(dòng)減小下垂系數(shù)，解決了母線電壓跌落問(wèn)題，但當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電時(shí)，所提控制策略無(wú)法實(shí)現(xiàn)蓄電池充電功率按其SOC合理分配。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)母線電壓的跌落問(wèn)題，對(duì)文獻(xiàn)［15］所提自適應(yīng)下垂控制策略進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)充放電時(shí)的下垂系數(shù)，在下垂系數(shù)中引入蓄電池[Sn]及基于母線電壓的下垂系數(shù)調(diào)整律，同時(shí)加入超級(jí)電容功率補(bǔ)償。所提控制策略在保證蓄電池之間的充放電功率按其SOC值合理分配的同時(shí)，可升高跌落的母線電壓，且當(dāng)外界環(huán)境因素變化或負(fù)載變化時(shí)，蓄電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能很好地維持母線電壓的穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力；超級(jí)電容的加入提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，緩沖了微網(wǎng)波動(dòng)時(shí)對(duì)蓄電池帶來(lái)的功率沖擊。

1 直流微網(wǎng)

由于環(huán)境變化對(duì)分布式微源影響較大，常在直流微網(wǎng)中加入儲(chǔ)能系統(tǒng)以維持母線電壓穩(wěn)定。本文所研究的直流微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括光伏發(fā)電系統(tǒng)、由兩個(gè)蓄電池組和超級(jí)電容組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)及負(fù)載。其中，由光伏陣列組成的光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)DC/DC單向變換器接入直流母線，而蓄電池和超級(jí)電容均由雙向DC/DC變換器接入直流母線，為負(fù)載供電。

2 自適應(yīng)下垂控制策略

2.1 母線電壓跌落分析

在直流微網(wǎng)中，為實(shí)現(xiàn)蓄電池間的充放電功率可按其SOC值進(jìn)行合理分配，需將蓄電池的SOC值引入下垂系數(shù)中。當(dāng)蓄電池充電時(shí)，使SOC值較小的蓄電池獲得較小的下垂系數(shù)，以使充電功率較大，充電速度較快；相反，當(dāng)蓄電池放電時(shí)，使SOC值較大的蓄電池獲得較小的下垂系數(shù)，使其放電功率較大，可較快地放電，這樣可達(dá)到蓄電池SOC均衡的目的。對(duì)此，大量學(xué)者提出基于蓄電池SOC的自適應(yīng)下垂控制策略。其中，一種基于冪數(shù)型下垂函數(shù)[Sn]的傳統(tǒng)自適應(yīng)下垂控制為：

[Urefi=U*dc-Ri?PBati] （1）

式中：[Urefi（i=1，2，…，n）]——變換器的輸出電壓，V；[U*dc]——母線電壓期望值，V；[Ri（i=1，2，…，n）]——下垂系數(shù)；[Pbati（i=1，2，…，n）]——蓄電池的充放電功率，W。

當(dāng)蓄電池放電時(shí)，將[Sn]引入下垂系數(shù)[Ri]中，使[Sn]與[Ri]成反比，令[S]為蓄電池的SOC值：

[Ri=mdSni ] （2）

式中：[md]——蓄電池放電時(shí)SOC值為100%時(shí)的下垂系數(shù)；[n]——SOC的均衡因子，[ngt;0]，影響SOC均衡速度。

當(dāng)蓄電池充電時(shí)，[Sn]呈[Ri]成正比：

[Ri= mc.Sni] （3）

式中：[mc]——蓄電池充電時(shí)SOC值為100%時(shí)的下垂系數(shù)。

其中，可用下垂系數(shù)表示母線電壓的電壓降：

[Ri ?PBati=U*dc-Urefi=ΔUi] （4）

可看出，在使用下垂控制后，會(huì)導(dǎo)致母線電壓出現(xiàn)波動(dòng)，產(chǎn)生電壓跌落現(xiàn)象，其電壓跌落值為：

[ΔUi=Ri ?PBati] （5）

由式（2）、式（3）及式（5）可知，母線電壓的跌落值與[Ri]有關(guān)，即與蓄電池的[Sn]及蓄電池SOC值為100%時(shí)的下垂系數(shù)有關(guān)。因此，在確保蓄電池充放電功率隨其SOC值合理分配的同時(shí)，可升高跌落的母線電壓，使母線電壓可在基準(zhǔn)電壓附近波動(dòng)。對(duì)此，本文提出基于[Sn]的改進(jìn)自適應(yīng)下垂控制策略。

2.2 基于蓄電池[Sn]的改進(jìn)自適應(yīng)下垂控制分析

鑒于傳統(tǒng)自適應(yīng)下垂控制的局限性，本文對(duì)文獻(xiàn)［15］所提自適應(yīng)下垂控制策略進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)充放電時(shí)的下垂系數(shù)，并在下垂系數(shù)中引用蓄電池[Sn]及基于母線電壓的下垂系數(shù)調(diào)整律，限制母線電壓在其額定值附近波動(dòng)。當(dāng)外界環(huán)境變化或變負(fù)載時(shí)蓄電池可很好地穩(wěn)定母線電壓，提高系統(tǒng)的抗干擾能力；且蓄電池在充放電時(shí)也能實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放電功率按其SOC值合理分配，使其SOC值小的蓄電池充電功率大、放電功率小，SOC值大的蓄電池充電功率小、放電功率大。以兩組蓄電池為例敘述蓄電池的自適應(yīng)下垂控制策略，具體控制過(guò)程如下。

下垂控制為：

[Urefi=U*dc-Ri ?PBati] （6）

首先將蓄電池[Sn]引入到下垂系數(shù)中，文獻(xiàn)［15］給出了蓄電池放電時(shí)的下垂系數(shù)[Ri（i=1，2）]，設(shè)計(jì)基于母線電壓的下垂系數(shù)調(diào)整律[k]，即：

[R1=kSn1 R2=kSn2 ] （7）

[k=k0+kxΔk] （8）

[kx=1， Udcgt;U*dc+ΔUr-1， Udclt;U*dc-ΔUr0， 其他] （9）

式中：[kgt;0]；[k0]——初始下垂參數(shù)；[Δk]——下垂參數(shù)調(diào)整步長(zhǎng)；[ΔUr]——母線電壓波動(dòng)幅值，V。

將式（7）代入式（6），得到蓄電池放電時(shí)的自適應(yīng)下垂曲線：

[Uref1=U*dc-kSn1 ?PBat1Uref2=U*dc-kSn2 ?PBat2] （10）

當(dāng)母線電壓在允許范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，短時(shí)間內(nèi)[k]值可視為常數(shù)，且當(dāng)[Uref1≈Uref2]時(shí)，可得：

[U*dc-kSn1 ?PBat1=U*dc-kSn2 ?PBat2] （11）

即：

[PBat1PBat2=Sn1Sn2] （12）

由式（12）可知，當(dāng)蓄電池放電時(shí)蓄電池的輸出功率與其[Sn]呈正比，即當(dāng)[n]值不變時(shí)，SOC值越大，蓄電池輸出功率越大。

因此，當(dāng)蓄電池充電時(shí)，若使SOC值小的蓄電池充電功率大、SOC值大的蓄電池充電功率小，蓄電池的充電功率需與[Sn]呈反比，即：

[PBat1PBat2=Sn2Sn1] （13）

此時(shí)下垂系數(shù)應(yīng)與[Sn]呈正比，即蓄電池充電時(shí)的下垂系數(shù)為：

[R3=k?Sn1 R4=k?Sn2 ] （14）

將基于母線電壓的下垂系數(shù)調(diào)整律[k]引入下垂系數(shù)中，[k]值為：

[k=k0+kxΔk] （15）

[kx=1， Udcgt;U*dc+ΔUr-1， Udclt;U*dc-ΔUr0，" 其他] （16）

本文在蓄電池充電時(shí)引入基于母線電壓的下垂系數(shù)調(diào)整律[k]，通過(guò)下垂參數(shù)調(diào)整步長(zhǎng)[Δk]及[kx]調(diào)節(jié)母線電壓，當(dāng)母線電壓高于最大波動(dòng)幅值[（U*dc+ΔUr）]時(shí)，逐步增大下垂系數(shù)，使[Urefi（i=1，2）]減小，使母線電壓降到允許波動(dòng)的范圍內(nèi)；當(dāng)母線電壓低于最小波動(dòng)幅值[（U*dc-ΔUr）]時(shí)，逐步減小下垂系數(shù)，使[Urefi（i=1，2）]增大，使電壓升到允許波動(dòng)的范圍內(nèi)，從而達(dá)到母線電壓穩(wěn)定的目的。

2.3 自適應(yīng)下垂控制實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述提出的基于[Sn]的改進(jìn)自適應(yīng)下垂控制策略，建立自適應(yīng)下垂控制模型?？刂瓶驁D如圖2所示，首先根據(jù)式（16）判斷實(shí)際母線電壓測(cè)量值[Udc]和母線電壓期望值[U*dc]的誤差范圍，得到[kx]的大小，給定初始下垂參數(shù)[k0]和下垂參數(shù)調(diào)整步長(zhǎng)[Δk]，通過(guò)式（15）計(jì)算[k]值。再根據(jù)式（14）或式（7）計(jì)算出蓄電池在充電或放電時(shí)的自適應(yīng)下垂系數(shù)[Ri]，搭建出式（6）下垂控制模型，得到自適應(yīng)下垂控制曲線，將自適應(yīng)下垂控制曲線加在電壓電流雙閉環(huán)外，通過(guò)自適應(yīng)下垂控制曲線調(diào)整后輸出該控制器的參考電壓，跟蹤實(shí)際母線電壓和蓄電池的電流，調(diào)整該蓄電池的充放電功率，使其充放電功率按其SOC值進(jìn)行合理分配。

2.4 超級(jí)電容功率補(bǔ)償

由于超級(jí)電容和蓄電池具有不同的特性，可結(jié)合蓄電池能量密度大和超級(jí)電容功率密度大的優(yōu)點(diǎn)，將二者混合使用，以改善儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

超級(jí)電容功率補(bǔ)償具體的功率分配策略為：將基于Sn自適應(yīng)下垂控制調(diào)整后蓄電池Bat1、Bat2的基準(zhǔn)電流的高頻分量分配給超級(jí)電容，且由于DC/DC變換器存在“電慣性”問(wèn)題，導(dǎo)致蓄電池的實(shí)際電流不能立即跟隨給定的基準(zhǔn)電流，因此本文引入蓄電池與超級(jí)電容端電壓的比值[UBat/Usc]對(duì)超級(jí)電容的基準(zhǔn)電流進(jìn)行修正，將蓄電池未能及時(shí)響應(yīng)的低頻分量也分配給超級(jí)電容。

首先，將蓄電池Bat1、Bat2的基準(zhǔn)電流的高頻分量分配給超級(jí)電容，并對(duì)超級(jí)電容的基準(zhǔn)電流[i*scref1]、[i*scref2]進(jìn)行修正，即：

[i*scref1=（ihess1-i1）+（i1-iBat1）·UBat1Usc=（ihess1-iBat1）·UBat1Usci*scref2=（ihess2-i2）+（i2-iBat2）·UBat2Usc=（ihess2-iBat2）·UBat2Usc] （17）

式中：[ihess1]、[ihess2]——混合儲(chǔ)能端電流，A；[i1]、[i2]——低通濾波器輸出電流，A；[iBat1]、[iBat2]——蓄電池Bat1、Bat2的輸出電流，A；[UBat1]、[UBat2]——蓄電池Bat1、Bat2的端電壓，V；[Usc]——超級(jí)電容端電壓，V。

本文使用一個(gè)超級(jí)電容承擔(dān)蓄電池端的高頻分量，且當(dāng)兩蓄電池端電壓相同時(shí)，即[Ubat1=Ubat2]，此時(shí)超級(jí)電容的基準(zhǔn)電流[i*scref]為：

[i*scref=i*scref1+i*scref2=（ihess1-iBat1）+（ihess2-iBat2）·UBatUsc] （18）

系統(tǒng)控制框圖如圖3所示，通過(guò)加入超級(jí)電容功率補(bǔ)償環(huán)節(jié)，當(dāng)微電網(wǎng)中功率出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，將波動(dòng)的高頻分量和蓄電池未能及時(shí)響應(yīng)的低頻分量分配給超級(jí)電容，蓄電池則承擔(dān)低頻分量，減少由于系統(tǒng)波動(dòng)帶給蓄電池的功率沖擊，同時(shí)提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

3 協(xié)調(diào)運(yùn)行控制策略

光儲(chǔ)直流微網(wǎng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)及負(fù)荷組成。光儲(chǔ)直流微網(wǎng)的控制策略是由兩個(gè)部分組成，分別為上層協(xié)調(diào)控制模塊和本地控制單元。光儲(chǔ)直流微網(wǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

下層本地控制單元包括光伏系統(tǒng)控制、蓄電池控制及超級(jí)電容控制。其中，光伏系統(tǒng)控制模式有反推最大功率追蹤（maximum power point tracking， MPPT）控制模式和恒壓下垂控制模式，蓄電池控制模式有自適應(yīng)下垂控制充電模式、自適應(yīng)下垂控制放電模式、浮充模式及空閑模式，超級(jí)電容控制模式有充電模式、放電模式及待機(jī)模式。

上層協(xié)調(diào)控制模塊具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：以母線電壓[Udc]和蓄電池的SOC值作為控制元，確定母線電壓的工作范圍，設(shè)置兩個(gè)電壓閾值：[UH]和[UL]，根據(jù)母線電壓的波動(dòng)范圍不同，將系統(tǒng)工作劃分為3種運(yùn)行模式。對(duì)于不同的運(yùn)行模式，選取的電壓閾值不同，所選擇的電壓閾值與母線電壓額定值[U*dc]（[U*dc]的值為40 V）之間存在一定關(guān)系，即：

[ULlt;U*dclt;UH] （19）

式中：設(shè)置相鄰模式間的閾值為1 V，即[UL=U*dc-1]，[UH=U*dc-1]。

其次，為保護(hù)蓄電池，確定蓄電池的工作區(qū)間，限制蓄電池可正常放電的最小值為[Smin]，設(shè)置蓄電池滿電狀態(tài)為[Smax]，正常工作的最大值為[Smed]。在母線電壓的劃分基礎(chǔ)上，根據(jù)蓄電池的SOC狀態(tài)，將系統(tǒng)的工作狀態(tài)細(xì)分為7種工作模式。

其中，蓄電池的3個(gè)SOC閾值關(guān)系為：

[Sminlt;Smedlt;Smax] （20）

考慮到蓄電池的健康狀態(tài)及合理的充放電方式，式（20）中[Smin]、[Smed]及[Smax]的取值分別為20%、90%、100%。

根據(jù)上述提出的上層協(xié)調(diào)控制模塊及各本地控制單元的控制模式，得到光儲(chǔ)直流微網(wǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行控制過(guò)程，該過(guò)程涉及到各環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)控制，如圖5所示。首先檢測(cè)光儲(chǔ)直流微網(wǎng)中的母線電壓[Udc]和蓄電池的SOC值，建立光儲(chǔ)直流微網(wǎng)中各模塊之間的連接，再根據(jù)各模塊的控制方式，判斷母線電壓的工作范圍和蓄電池的工作區(qū)間，選擇相應(yīng)的工作模式，從而實(shí)現(xiàn)各模塊之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

當(dāng)母線電壓處于[Udclt;UL]時(shí)母線電壓水平較低，光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力不足，無(wú)法滿足負(fù)載需求。考慮到蓄電池SOC狀態(tài)，此時(shí)分為以下2種工作模式：

工作模式1：蓄電池SOC狀態(tài)為[S1lt;Smin]且[S2lt;Smin]時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)以反推MPPT控制模式運(yùn)行，蓄電池則工作在空閑模式，超級(jí)電容工作在放電模式，直流微網(wǎng)所提供的功率不足以供應(yīng)負(fù)載需求，需切斷部分非主要負(fù)載。

工作模式2：蓄電池SOC狀態(tài)為[S1≥Smin]或[S2≥Smin]時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)工作在反推MPPT控制模式，蓄電池工作在自適應(yīng)下垂控制放電模式，超級(jí)電容工作在放電模式，直流微網(wǎng)所提供的功率勉強(qiáng)滿足負(fù)載正常工作需求。

當(dāng)母線電壓在額定電壓[U*dc]附近波動(dòng)且波動(dòng)范圍較小，滿足[UL≤Udclt;UH]時(shí)母線電壓較穩(wěn)定，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率恰好滿足負(fù)載工作需求，此時(shí)工作在模式3。

工作模式3：光伏發(fā)電系統(tǒng)工作在反推MPPT控制模式，蓄電池處于空閑模式，超級(jí)電容處于待機(jī)模式。

當(dāng)母線電壓處于[Udc≥UH]時(shí)母線電壓較高，根據(jù)蓄電池的SOC狀態(tài)，將此情況分為以下4種工作模式：

工作模式4：蓄電池SOC狀態(tài)為[S1lt;Smed]或[S2lt;Smed]時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)工作在反推MPPT控制模式，部分蓄電池工作在自適應(yīng)下垂控制充電模式，超級(jí)電容工作在充電模式。

工作模式5：蓄電池SOC狀態(tài)為[Smed≤S1lt;Smax]或[Smed≤S2lt;Smax]時(shí)，部分蓄電池進(jìn)入浮充模式，光伏發(fā)電系統(tǒng)工作在反推MPPT控制模式，超級(jí)電容工作在充電模式。

工作模式6：蓄電池SOC狀態(tài)滿足[Smed≤S1lt;Smax]且[Smed≤S2lt;Smax]時(shí)，蓄電池均進(jìn)入浮充模式，進(jìn)行小電流充電，不能大弧度地吸收盈余功率，母線電壓不能維持穩(wěn)定，此時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入恒壓下垂控制模式，超級(jí)電容仍工作在待機(jī)模式，使直流微網(wǎng)提供的功率滿足負(fù)載正常工作需求。

工作模式7：蓄電池SOC狀態(tài)滿足[S1≥Smax]且[S2≥Smax]時(shí)，蓄電池滿電，不再工作在充電模式，超級(jí)電容工作在待機(jī)模式，此時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)工作在恒壓下垂控制模式。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本節(jié)搭建基于TMS320F28335的光儲(chǔ)直流微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由1塊TMS320F28335控制板、5塊DC/DC半橋變換器、可編程直流電源、負(fù)載、超級(jí)電容、蓄電池、示波器及萬(wàn)用表組成。如圖6所示，模塊1是可編程直流電源，可模擬光伏發(fā)電，模塊2是可變負(fù)載，模塊3是超級(jí)電容，模塊4是蓄電池，模塊5是示波器，模塊6是萬(wàn)用表，模塊7是主控板和主電路部分。光儲(chǔ)直流微網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)器件參數(shù)如表1所示，包括蓄電池、超級(jí)電容及可變電阻的選型。

4.1 基于自適應(yīng)下垂控制的蓄電池間的功率分配

在太陽(yáng)輻照度變化時(shí)，在光伏發(fā)電功率大于負(fù)載所消耗功率下分析蓄電池充電時(shí)的功率分配情況，如圖7a所示。對(duì)比圖7a中兩蓄電池的充電功率，約700 [μs]時(shí)，兩蓄電池均進(jìn)入充電模式，此時(shí)蓄電池Bat1、Bat2的充電功率分別約為0.8 、4.0 W。在1500、2000、2500 [μs]處太陽(yáng)輻照度從500 W/m2按步長(zhǎng)30 W/m2增加到590 W/m2時(shí)，為穩(wěn)定母線電壓，兩蓄電池的充電功率從0.8 W和4.0 W增大到約5.0 W和7.5 W，且SOC值小的蓄電池Bat2獲得較大的充電功率。

當(dāng)光伏發(fā)電功率小于負(fù)載消耗功率時(shí)太陽(yáng)輻照度較小，蓄電池進(jìn)入放電狀態(tài)，補(bǔ)償直流母線上的功率缺額，分析蓄電池放電時(shí)的功率分配情況，如圖7b所示。此時(shí)SOC值大的蓄電池Bat1的放電功率大于Bat2的放電功率，且在約900、1600、2300 [μs]處太陽(yáng)輻照度從300 W/m2按步長(zhǎng)30 W/m2增加到390 W/m2時(shí)，蓄電池的放電功率逐漸減小，兩蓄電池放電功率從7.6 W和4.2 W減小到約3.5 W和0.0，且SOC值小的Bat2輸出較少的功率。直到約2900 [μs]時(shí)，太陽(yáng)輻照度增大到420 W/m2，光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率增大，SOC值小的Bat2開(kāi)始進(jìn)入充電模式。在此基礎(chǔ)上驗(yàn)證加入超級(jí)電容功率補(bǔ)償后對(duì)系統(tǒng)性能的影響，實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。

在圖7中，系統(tǒng)工作在約1500、2000、2500 [μs]時(shí)刻太陽(yáng)輻照度從500 W/m2按步長(zhǎng)30 W/m2增加到590 W/m2（圖7a），系統(tǒng)工作在約900、1600、2300 [μs]處太陽(yáng)輻照度從300 W/m2按步長(zhǎng)30 W/m2增加到390 W/m2（圖7b）時(shí)，蓄電池需即刻響應(yīng)；相較于圖7，在圖8中，系統(tǒng)工作在約800、1400、2200、2800 [μs]時(shí)刻太陽(yáng)輻照度從500 W/m2按步長(zhǎng)30 W/m2增加到620 W/m2（圖8a）以及系統(tǒng)工作在約1000、1700、2200、3000 [μs]時(shí)刻太陽(yáng)輻照度從330 W/m2按步長(zhǎng)30 W/m2增加到450 W/m2（圖8b）時(shí)，超級(jí)電容首先響應(yīng)，吸收波動(dòng)頻率較大的功率，蓄電池則吸收低頻功率，緩沖直流母線上的功率波動(dòng)對(duì)蓄電池的沖擊，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

4.2 系統(tǒng)性能分析

4.2.1 負(fù)載變化時(shí)系統(tǒng)性能分析

在4.1節(jié)中通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在本文所提控制策略下蓄電池之間的充放電功率可按其SOC值進(jìn)行合理分配，本節(jié)將分析負(fù)載變化時(shí)系統(tǒng)的性能。

負(fù)載減小時(shí)系統(tǒng)輸出性能分析如圖9所示。圖9a中，在傳統(tǒng)自適應(yīng)下垂控制下母線電壓在1350 [μs]前有5 V跌落，跌落到約35 V；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到1350 [μs]時(shí)直流母線上突然并聯(lián)負(fù)載，此時(shí)母線電壓繼續(xù)跌落到約31.5 V。而在圖9b中，改進(jìn)提自適應(yīng)下垂控制下母線電壓穩(wěn)定在39.5 V，當(dāng)系統(tǒng)在850 [μs]時(shí)負(fù)載減小，則母線電壓跌落，經(jīng)過(guò)下垂系數(shù)約50 [μs]的調(diào)整后母線電壓再次升高到39 V，并維持穩(wěn)定。

當(dāng)負(fù)載增大時(shí)則母線電壓增大，如圖10所示。圖10a中，在傳統(tǒng)自適應(yīng)下垂控制下母線電壓有8 V跌落，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到890 [μs]時(shí)負(fù)載增大，此時(shí)母線電壓升高約3 V。圖10b中，在改進(jìn)自適應(yīng)下垂控制下，母線電壓在1000 [μs]前穩(wěn)定在39.5 V，在1000 [μs]時(shí)負(fù)載增大此時(shí)升高到39.8 V，并維持穩(wěn)定。

由此可知，在傳統(tǒng)自適應(yīng)下垂控制下母線電壓存在較大的跌落，且當(dāng)負(fù)載變化時(shí)母線電壓波動(dòng)較大。而在本文所提改進(jìn)自適應(yīng)下垂控制下，當(dāng)直流母線上負(fù)載增大或減小時(shí)，母線電壓能維持在約40 V波動(dòng)。驗(yàn)證了所提自適應(yīng)下垂控制比傳統(tǒng)自適應(yīng)下垂控制更能有效應(yīng)對(duì)負(fù)載的變化，維持母線電壓的穩(wěn)定。

4.2.2 太陽(yáng)輻照度變化時(shí)系統(tǒng)性能分析

當(dāng)太陽(yáng)輻照度變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析，如圖11所示。圖11a中，在傳統(tǒng)自適應(yīng)下垂控制下，在1050、2050 [μs]時(shí)刻太陽(yáng)輻照度從500 W/m2按步長(zhǎng)100 W/m2減小到300 W/m2時(shí)母線電壓持續(xù)跌落，約2 V。圖11b中，在改進(jìn)自適應(yīng)下垂控制下，在900、1600 [μs]時(shí)刻太陽(yáng)輻照度從500 W/m2依次減小100 W/m2到300 W/m2時(shí)母線電壓在微小波動(dòng)后保持穩(wěn)定。

圖12a中，在傳統(tǒng)自適應(yīng)下垂控制下，在1050、2250 [μs]時(shí)刻太陽(yáng)輻照度從300 W/m2依次增加100 W/m2到500 W/m2時(shí)母線電壓升高約1.5 V。圖12b中，在改進(jìn)自適應(yīng)下垂控制下，在900、1500、2750 [μs]時(shí)刻太陽(yáng)輻照度從300 W/m2按步長(zhǎng)100 W/m2增加到600 W/m2時(shí)母線電壓在微小波動(dòng)后保持穩(wěn)定。

可知，在傳統(tǒng)自適應(yīng)下垂控制下，當(dāng)太陽(yáng)輻照度減小或增大時(shí)母線電壓會(huì)相應(yīng)地跌落或升高，而在本文所提改進(jìn)自適應(yīng)下垂控制下母線電壓僅有微小波動(dòng)后保持穩(wěn)定。可驗(yàn)證本文所提控制策略更能減小外界環(huán)境變化對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的干擾。

因此，本文所提控制策略不僅可有效應(yīng)對(duì)負(fù)載的變化，還能降低外界環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的干擾，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

4.3 光儲(chǔ)直流微網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行下各單元之間的運(yùn)行狀態(tài)

本文設(shè)計(jì)了光儲(chǔ)直流微網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行控制策略，協(xié)調(diào)各模式下各單元之間的工作狀態(tài)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析模式2/模式4、模式4/模式5的工作波形，驗(yàn)證系統(tǒng)在各工作模式之間切換時(shí)母線電壓的波動(dòng)狀況。

4.3.1 模式2/模式4

如圖13a所示，此處采集光伏發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池Bat1和Bat2的輸出功率，此時(shí)蓄電池Bat1/Bat2的SOC值為0.8/0.7。在圖13a中，光伏發(fā)電功率不足以供應(yīng)負(fù)載需求，負(fù)載功率為60 W，蓄電池進(jìn)入自適應(yīng)下垂控制放電模式，此時(shí)系統(tǒng)工作在模式2，在800、1800 [μs]處太陽(yáng)輻照度從300 W/m2按步長(zhǎng)30 W/m2增加到360 W/m2時(shí)光伏發(fā)電功率逐漸增大，從35 W增大到45 W，蓄電池放電功率逐漸減小，從20 W和12 W減小到約15 W和0，且兩蓄電池之間的放電功率隨SOC值按比例輸出，SOC值大的Bat1輸出功率更大；當(dāng)系統(tǒng)在1800 [μs]處太陽(yáng)輻照度從330 W/m2增大到360 W/m2時(shí)蓄電池Bat1仍工作在放電模式，SOC值小的Bat2開(kāi)始進(jìn)入充電模式；當(dāng)太陽(yáng)輻照度繼續(xù)增大到450 W/m2，約3900 [μs]時(shí)光伏發(fā)電功率為80 W，兩蓄電池均進(jìn)入自適應(yīng)下垂控制充電模式，此時(shí)系統(tǒng)工作在模式4，且SOC值大的Bat1比SOC值小的Bat2的充電功率小。在圖13b中，各單元工作過(guò)程中母線電壓始終保持在約40 V波動(dòng)。

4.3.2 模式4/模式5

系統(tǒng)工作在模式4/模式5的波形如圖14所示。圖14a中，在約1250 [μs]前蓄電池Bat1和Bat2的SOC值為0.8和0.7，此時(shí)光伏發(fā)電功率約為61 W，負(fù)載功率為30 W，光伏發(fā)電功率大于負(fù)載功率，兩蓄電池均進(jìn)入自適應(yīng)下垂控制充電模式，系統(tǒng)工作在模式4。當(dāng)系統(tǒng)工作在1250 [μs]時(shí)蓄電池Bat1和/Bat2的SOC值為0.91和0.80，蓄電池Bat1進(jìn)入浮充模式，進(jìn)行小電流充電，蓄電池Bat2繼續(xù)工作在自適應(yīng)下垂控制充電模式，此時(shí)系統(tǒng)工作在模式5。圖14b中，系統(tǒng)在進(jìn)行模式切換時(shí)母線電壓均穩(wěn)定在約40 V波動(dòng)。

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，本文所提控制策略可使系統(tǒng)在各工作模式之間進(jìn)行平滑切換，維持母線電壓的穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

在本文所提控制策略下蓄電池的充放電功率可按其SOC值合理分配，使得SOC值大的蓄電池放電功率大、充電功率小，SOC值小的蓄電池放電功率小、充電功率大；且加入的超級(jí)電容功率補(bǔ)償可緩沖直流微網(wǎng)波動(dòng)帶給蓄電池的功率沖擊。在負(fù)載與太陽(yáng)輻照度變化時(shí)比較傳統(tǒng)自適應(yīng)下垂控制和本文所提改進(jìn)自適應(yīng)下垂控制下系統(tǒng)的性能，可得出在本文所提控制策略下更能維持母線電壓的穩(wěn)定，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗干擾能力。且系統(tǒng)在各工作模式之間可進(jìn)行平滑切換，維持母線電壓的穩(wěn)定。并在基于TMS320F28335的光儲(chǔ)直流微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上驗(yàn)證了該控制策略的有效性。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ EZ-ZAHRA LAMZOURI F， BOUFOUNAS E M， EL AMRANI A. Efficient energy management and robust power control of a stand-alone wind-photovoltaic hybrid system with battery storage［J］. Journal of energy storage， 2021， 42： 103044.

［2］ GHAITHAN A M， MOHAMMED A， AL-HANBALI A， et al. Multi-objective optimization of a photovoltaic-wind-grid connected system to power reverse osmosis desalination plant［J］. Energy， 2022， 251： 123888.

［3］ GHOLAMI K， KARIMI S， RASTGOU A. Fuzzy risk-based framework for scheduling of energy storage systems in photovoltaic-rich networks［J］. Journal of energy storage， 2022， 52： 104902.

［4］ 吳青峰， 孫孝峰， 郝彥叢， 等. 微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC平衡和電壓頻率恢復(fù)研究［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2018， 39（6）： 1743-1751.

WU Q F， SUN X F， HAO Y C， et al. Research of SOC balance and voltage frequence recovery of microgrid energy storage system［J］. Acta energiae solaris sinica， 2018， 39（6）： 1743-1751.

［5］ 柴秀慧， 張純江， 柴建國(guó)， 等. 分布式儲(chǔ)能變調(diào)節(jié)因子SOC下垂控制及功率調(diào)節(jié)［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2021， 42（9）： 477-482.

CHAI X H， ZHANG C J， CHAI J G， et al. Variable adjustment factor SOC droop control and power regulation in distributed energy storage［J］. Acta energiae solaris sinica， 2021， 42（9）： 477-482.

［6］ JIANG W B， LI P. A novel pre-synchronization control strategy for microgrid connections based on improved droop control［J］. Energy reports， 2022， 8： 1257-1264.

［7］ 胡超， 張興， 石榮亮， 等. 分布式電源并聯(lián)系統(tǒng)中基于荷電狀態(tài)均衡的改進(jìn)型下垂控制策略［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2019， 40（3）： 809-816.

HU C， ZHANG X， SHI R L， et al. Improved droop control based on state of charge balance in parallel distributed generation systems［J］. Acta energiae solaris sinica， 2019， 40（3）： 809-816.

［8］ SHADABI H， KAMWA I. A decentralized non-linear dynamic droop control of a hybrid energy storage system bluefor primary frequency control in integrated AC-MTDC systems［J］. International" journal" of" electrical" power" amp; energy systems， 2022， 136： 107630.

［9］ WANG S Q， LU L G， HAN X B， et al. Virtual-battery based droop control and energy storage system size optimization of a DC microgrid for electric vehicle fast charging" "station［J］." "Applied" "energy，" "2020，" "259： 114146.

［10］ XING W， WANG H W， LU L G， et al. An adaptive droop control for distributed battery energy storage systems in microgrids with DAB converters［J］. International journal of electrical power amp; energy systems， 2021， 130： 106944.

［11］ BI K T， YANG W L， XU D Z， et al. Dynamic SOC balance strategy for modular energy storage system based on adaptive droop control［J］. IEEE access， 2020， 8： 41418-41431.

［12］ MI Y， DENG J， CHANG J F， et al. State of charge balancing strategy for energy storage system in islanded DC microgrid based on micro-tuning virtual resistance［J］. Electric power systems research， 2022， 209： 107921.

［13］ 柴秀慧， 張純江， 柴建國(guó)， 等. 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［J］. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2021， 36（16）： 3365-3374.

CHAI X H， ZHANG C J， CHAI J G， et al. Improved interconnected communication state of charge droop control and power balance optimization［J］. Transactions of China Electrotechnical Society， 2021， 36（16）： 3365-3374.

［14］ LU X N， SUN K， GUERRERO J M， et al. Double-quadrant state-of-charge-based droop control method for distributed energy storage systems in autonomous DC microgrids［J］. IEEE transactions on smart grid， 2015， 6（1）： 147-157.

［15］ 袁娜娜， 王允建， 張君， 等. 直流微網(wǎng)中基于SOC的改進(jìn)下垂控制［J］. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2019， 47（15）： 17-23.

YUAN N N， WANG Y J， ZHANG J， et al. Improved droop control based on SOC in DC microgrid［J］. Power system protection and control， 2019， 47（15）： 17-23.

RESEARCH ON CONTROL STRATEGY OF PV STORAGE DC MICROGRID BASED ON ADAPTIVE DROOP CONTROL

Dai Li，Wang Junrui，Tan Lu，Zhu Xuqiang，Wang Ming，Dou Shuai

（School of Electrical Information Engineering， North Minzu University， Yinchuan 750030， China）

Abstract：The introduction of droop control often leads to a drop in bus voltage. In response to this problem， an adaptive droop control （ADC） strategy based on n-th power of batteries state of charge（SOC） is proposed， in which designs the droop coefficient during charging and discharging is designed. In the droop coefficient， the batteries [Sn] and the droop coefficient adjustment law based on bus voltage are introduced， and supercapacitor power compensation is added. In terms of the coordinated operation control strategy of the system， the upper level coordinated control module is designed with the bus voltage[Udc] and batteries SOC as control elements.Compared with traditional adaptive droop control， the proposed control strategy can elevte the dropped bus voltage， and when external environmental factor or load changes， the battery-supercapacitor hybrid energy storage system can better maintain the stability of bus voltage and improve the system's anti-interference ability. Moreover， the system can smoothly switch between various working modes to maintain the stability of bus voltage. Finally， the effectiveness of this control strategy is verified on an PV storage DC microgrid experimental platform based on TMS320F28335.

Keywords：DC microgrid； energy storage system； adaptive droop control； state of charge； voltage drop； coordinated operation