王 武

（許昌學院 電氣與機械工程學院，河南 許昌，461000）

1 引言

推動能源低碳綠色轉型，大力加強可再生能源開發(fā)與利用，將成為推動能源結構調整和綠色能源消費的主要方式。能源低碳轉型是一個需要長期堅持的基本理念，“碳峰值”“碳中和”對新能源發(fā)電及利用提出了更高要求。面對新能源大規(guī)模接入，要在系統層面引導源網荷儲互補互動，通過系統布局風光煤儲多能互補綜合能源基地，緩解新能源發(fā)電出力的隨機性和波動性。微電網將分布式發(fā)電系統、儲能系統、變換器裝置、交直流負荷等組合在一起，通過施加控制算法，實現微網內各系統的可靠運行。BESS（Battery Energy Storage Systems）對微電網的安全可靠運行至關重要，微電網接入大電網時，由于缺少旋轉備用容量，慣性小，需要BESS作為能量緩沖，平抑頻率和電壓波動。微電網處于孤島運行狀態(tài)時，由于可再生能源隨外部環(huán)境條件變化而呈現出發(fā)電的不確定性，會導致系統內能量供需不平衡，需要BESS進行功率調節(jié)。由于微電網內可再生能源和負荷數量眾多，一般需要配置多個BESS 來保證微電網負荷可靠供電及穩(wěn)定運行。多BESS 分布式安裝可以有效減少系統線路損耗，從整體上提高系統的運行經濟性，由于多BESS構成了儲能冗余，可以有效降低儲能系統的故障發(fā)生率，提高其運行可靠性。

實現多BESS 的SOC 協調控制可保持BESS 間的充、放電速度一致，延長其服務壽命，相對提高微電網的經濟性，也引起了廣泛關注。文獻將儲能進行主導模式劃分，各儲能單元的過充、過放實現功率交互控制，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)自動恢復至穩(wěn)定工作區(qū)間[1]。文獻提出一種基于電池能量管理系統的SOC協同控制方案，通過控制DC-DC變換器來控制蓄電池組內各個儲能單元放電速率，從而實現SOC協同控制[2]。文獻得出了儲能系統的SOC，求解其放電效率，對整個儲能系統進行了優(yōu)化控制[3]。文獻提出直流電微網多儲能系統的下垂控制方法，分析了SOC值與儲能放電之間的關系，設計了輸出功率可分配的協調控制器[4]。文獻提出一致性控制策略，通過在系統控制中設置加速因子，對儲能系統實現了在線優(yōu)化[5]。文獻給出了儲能單元的分層控制方法，驗證了一致性算法和分層協調控制策略的有效性[6]。文獻提出考慮蓄電池SOC的多源協調控制策略[7]。文獻提出光儲直流微電網的分層協調控制策略，能夠進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直流微電網的SOC協調控制，給出了微電網的結構、BESS建模及SOC估算、儲能系統的下垂控制及改進策略，通過算例證明系統能夠實現發(fā)電單元和儲能單元的協調配合，維持系統能量吞吐平衡。

2 多BESS獨立直流微電網的結構

圖1給出了系統的結構，主要由儲能系統、新能源發(fā)電系統、交直流負載三個部分組成，儲能系統中的各儲能模塊通過DC/DC變換器連接至直流母線上，由光伏和風電構成新能源發(fā)電系統，光伏單元將太陽能轉化為電能，并通過DC/DC雙向變換器連接至直流母線，風電單元將風能轉化為電能，并通過AC/DC雙向變換器連接至直流母線。各儲能單元通常作為系統主電源運行于下垂控制模式，當儲能模塊達到最大充放電功率時，系統投切至定功率運行；光伏發(fā)電系統通常運行于最大功率點跟蹤模式，在光伏出力過大時，將其投切至限定功率運行模式。

圖1 獨立直流微網的結構

系統實際運行時，微網內的光伏發(fā)電功率會發(fā)生變化，負荷功率也會根據實際消耗發(fā)生變化，儲能裝置會發(fā)生功率吞吐，其功率關系描述為：

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

3 BESS建模及SOC估算

BESS 是一個典型的非線性時變系統，其參數和性能受外界溫度、環(huán)境和老化等因素的影響。為了實施SOC 的協調控制，需要建立BESS 的數學模型，測量其電壓、電流等參數，估算SOC，此處采用電氣模型中的Rint模型，其表達式描述為：

上式中，Voc為電池的開路電壓，主要和SOC有關而與溫度無關，Ro為電池的等效內阻，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，主要通過估算方法得出。目前計算簡單，精度較高，應用較多的安培積分法經常在估算SOC時被采用，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，其放電過程緩慢，將其輸出電壓近似看作常數VDC，根據功率守恒定律，可以用其有功功率表示其大小。目前常用不均衡度指標εi來判斷SOC是否能實現協調控制，其定義為：

其中SOCave代表所有SOC的平均值。

4 儲能系統的下垂控制

上式中，udc_i表示儲能單元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為儲能單元的虛擬阻抗。為了保證系統穩(wěn)定運行，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為儲能變換器端口輸出最大電流，idcmin為儲能單元變換器端口輸出最小電流。結合儲能單元的安時計量法，可求出SOC變化率為：

為了克服傳統下垂控制的不足，實現SOC值趨于一致，此處采用動態(tài)調節(jié)下垂系數的方式，其模型可表述為：

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

為了保證儲能單元之間出力均勻，儲能控制采用電壓觀測器及均流控制器，控制結構如圖2所示。

圖2 儲能模塊控制系統結構

5 仿真與結論

本系統中用1 個光伏發(fā)電單元，其額定功率為2.1kW，用了3 個儲能單元構造BESS，其額定功率分別為1.2kW、0.9kW 和0.6kW，直流負載用可調電阻器代替，分別在三種工況下進行了系統驗證，具體工況如表1所示。

表1 仿真實驗及結果

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，儲能單元的輸出功率和母線電壓比較平穩(wěn)；工況2下，進行了權重系統和冪指數對系統特性的分析，當將權重系數從5增大至7，冪指數由2增加至2.6，SOC的均衡速度變快；工況3下，給系統加入均流控制，儲能單元輸出功率均勻，母線電壓能保持在額定電壓附近。通過算例可見，本文提出的多BESS獨立直流微電網SOC協調控制策略能夠實現發(fā)電單元和儲能單元的協調配合，維持系統能量吞吐平衡。后期將加大對儲能元件SOC 變化相對劇烈情況的分析，加強多單元、多節(jié)點下控制系統及通信網絡研究，加強不同類型分布式能源接入及不同類型儲能系統接入時的協同控制研究，加強獨立微電網和并網系統的協調控制研究。