直流微電網(wǎng)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)精確電流分配策略

王波，張占營(yíng)，張霄，席晟哲，鄧錦，米陽(yáng)

(1. 國(guó)網(wǎng)河南省電力公司安陽(yáng)供電公司，河南 安陽(yáng) 455000；2. 上海電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，上海 200090)

0 引言

為了應(yīng)對(duì)能源緊缺和環(huán)境污染，基于可再生能源（renewable energy source，RES）的分布式發(fā)電技術(shù)得到了快速發(fā)展[1]。微電網(wǎng)是管理可再生能源和負(fù)載的有效方式[2-4]。直流微電網(wǎng)因其對(duì)于直流源具有較少的功率轉(zhuǎn)換，且不需要考慮頻率、無(wú)功等問(wèn)題[5-6]，而受到廣泛研究。

為確保直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，可配置儲(chǔ)能系統(tǒng)（energy storage system，ESS）參與協(xié)調(diào)控制[7-8]。若分布式儲(chǔ)能單元（distributed energy storage units，DESUs）在不均衡荷電狀態(tài)（state of charge,SOC）下持續(xù)運(yùn)行，部分DESUs可能存在過(guò)度充放電過(guò)程，從而縮短ESS的使用壽命[9-11]。因此，需要設(shè)計(jì)ESS的SOC均衡策略。

通常，采用電壓-電流（V-I）或電壓-功率（V-P）下垂控制來(lái)協(xié)調(diào)DESUs的電流或功率分配[12]。但是，各DESU只能按比例分配功率或電流，無(wú)法實(shí)現(xiàn)DESUs的SOC均衡[13]。針對(duì)上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[14]提出了一種考慮不同容量的SOC均衡策略。文獻(xiàn)[15]提出了一種基于SOC冪指數(shù)下垂系數(shù)的改進(jìn)下垂控制來(lái)快速均衡SOC。由于沒(méi)有考慮不匹配線路阻抗的存在，上述SOC均衡控制方法無(wú)法保證精確分配電流或功率。文獻(xiàn)[16]通過(guò)采樣保持器自適應(yīng)修改下垂控制中的參考電壓，克服不匹配線阻對(duì)電流分配的影響。然而，該策略無(wú)法實(shí)現(xiàn)不同容量?jī)?chǔ)能單元的SOC均衡。文獻(xiàn)[17]引入虛擬額定功率以消除線路阻抗的影響，然而，DESUs的SOC快速達(dá)到相同后，卻無(wú)法一直保持均衡。

綜上，本文提出一種協(xié)調(diào)DESUs的SOC均衡策略，并設(shè)計(jì)精確電流分配方法以消除線路電阻的影響。采用所提策略，在放電過(guò)程中，具有較高SOC的DESU可以比具有較低SOC的DESU向直流微電網(wǎng)提供更多的功率，反之，在充電過(guò)程中亦然。此外，進(jìn)行所提策略的穩(wěn)定性分析。最后，基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)（real time digital simulation，RTDS）驗(yàn)證所提策略的作用效果。

1 直流微電網(wǎng)模型

1.1 直流微電網(wǎng)

由光伏（PV）、風(fēng)力發(fā)電機(jī)（WTG）、負(fù)載和ESS構(gòu)成的直流微電網(wǎng)如圖1所示。其中，分布式電源均并聯(lián)在公共母線上。

圖1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of a DC microgrid

在孤島直流微電網(wǎng)中，風(fēng)電、光伏等新能源通常以最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）模式運(yùn)行，以提高RES的最大利用率。同時(shí)，ESS通過(guò)充放電過(guò)程來(lái)維持系統(tǒng)發(fā)電和負(fù)載消耗間的功率平衡。

1.2 SOC估算方法

2 SOC均衡策略和精確電流分配方法

2.1 自適應(yīng)虛擬阻抗調(diào)節(jié)

2.2 精確電流分配策略

實(shí)際上，孤島直流微電網(wǎng)中不可避免地存在線路電阻。如果不考慮傳統(tǒng)下垂控制中的線路電阻，SOC均衡就會(huì)受到影響。

采用雙并聯(lián)DESUs的簡(jiǎn)單系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明，如圖2所示。圖中：Rline_1、Rline_2分別為2個(gè)DESUs的線路電阻；Vbus為直流母線電壓；Rload為等效負(fù)載阻抗。

圖2 雙并聯(lián)DESUs的簡(jiǎn)單系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of simple system with double parallel DESUs

最后，用于實(shí)現(xiàn)SOC均衡的下垂控制方程如下所示，總體控制方案如圖3所示。

圖3 總體控制方案Fig. 3 Over control scheme

3 穩(wěn)定性分析

為便于分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，以2組并聯(lián)等容量的儲(chǔ)能單元(DESUi、DESUj)為例。DESUi的等效控制模型如圖4所示[18-19]。

圖4 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析模型Fig. 4 Model for system stability analysis

表1 穩(wěn)定性分析的參數(shù)配置Table 1 Parameter configuration for stability analysis

圖5 a)和5 b)分別為Rv從0.1增加到10、ωc從20增加到100的系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)圖。從圖5可以看出，隨著Rv和ωc的逐漸增大，系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)均位于左半平面，可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖5 參數(shù)變化下的根軌跡Fig. 5 Root locus under changing parameters

4 算例分析

為了驗(yàn)證所提SOC均衡控制策略的有效性，基于RTDS[20]平臺(tái)構(gòu)建了包括1個(gè)RES（光伏）、3 個(gè) DESUs（DESU 1、DESU 2、DESU 3）和 3個(gè)負(fù)載的直流微電網(wǎng)，如圖6所示。此外，詳細(xì)系統(tǒng)參數(shù)配置見(jiàn)表2。

圖6 基于RTDS的系統(tǒng)框圖Fig. 6 System structure diagram based on RTDS

表2 系統(tǒng)參數(shù)Table 2 System parameters

4.1 算例1：DESUs正常充放電過(guò)程

在算例1中，通過(guò)在充電和放電過(guò)程與文獻(xiàn)[21]的方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，證明所提控制策略的有效性和穩(wěn)定。圖7和圖8為算例1的RTDS實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖7 穩(wěn)定充電實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 7 Results of stable charging experiment

圖8 穩(wěn)定放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 8 Results of stable discharge experiment

穩(wěn)定充電過(guò)程如圖7所示。DESUs的初始SOC分別為35%、40%、45%。在0～5 s內(nèi)，DESUs以傳統(tǒng)下垂控制運(yùn)行，由于不匹配線路電阻和電池容量的存在，進(jìn)一步導(dǎo)致SOC不均衡。在5 s時(shí)，DESUs切換到本文所提策略的下垂控制，DESUs的SOC開(kāi)始收斂，如圖7 a)所示。在所提方案下，各DESU的電流通過(guò)自適應(yīng)虛擬阻抗調(diào)節(jié)和精確電流分配策略進(jìn)行分配，最終可以實(shí)現(xiàn)SOC均衡。而采用文獻(xiàn)[21]方法的DESUs電流分配無(wú)法均衡SOC，如圖7 b)所示。圖7 c)為2種策略下母線電壓波形，由下垂控制引起的電壓偏差均在合理范圍內(nèi)。在ESS穩(wěn)定充電過(guò)程中，2種策略下的RTDS實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方案的有效性，具體對(duì)比分析如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析Table 3 Comparative analysis of experimental results

ESS的穩(wěn)定放電過(guò)程如圖8所示。DESUs的初始SOC為75%、80%、85%。在0～5 s內(nèi)，DESUs在傳統(tǒng)下垂控制下運(yùn)行，這將導(dǎo)致SOC不均衡。在5 s時(shí)，DESUs切換到文中所提下垂控制。對(duì)比2種策略下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，所提策略可以均衡DESUs的SOC，而文獻(xiàn)[21]的控制方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)SOC均衡，運(yùn)行過(guò)程如圖8a)與8b)所示。在圖8c)中，所提策略的電壓偏差處于合理范圍內(nèi)，而文獻(xiàn)[21]方法下母線電壓存在較大偏差。RTDS實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方案在ESS穩(wěn)定放電過(guò)程中的有效性。

4.2 算例2：RES輸出功率波動(dòng)

在本算例中，當(dāng)RES輸出功率發(fā)生變化時(shí)，對(duì)所提控制策略的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。RES的功率大于負(fù)載消耗，ESS處于充電過(guò)程。然后，RES的輸出功率突然減小，ESS的充電過(guò)程將轉(zhuǎn)變?yōu)榉烹娺^(guò)程。光伏輸出功率波動(dòng)情況如圖9所示。

圖9 RES的輸出功率Fig. 9 Output power of RES

光伏突變時(shí)所提下垂控制的SOC均衡過(guò)程如圖10所示。DESUs在0～5 s內(nèi)運(yùn)行在傳統(tǒng)下垂控制下，固定的電流分配比無(wú)法均衡DESUs的SOC。在5 s時(shí)，DESUs的控制策略切換到所提下垂控制，DESUs的SOC開(kāi)始收斂。而后在25 s時(shí)，PV的輸出功率突然減小。圖10 a)和10 b)為具體SOC均衡和電流分配實(shí)驗(yàn)結(jié)果。精確電流分配策略可以有效地消除線路電阻的影響，并且自適應(yīng)虛擬阻抗調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)SOC均衡。圖10 c)為合理范圍內(nèi)下垂控制引起的電壓偏差。RTDS結(jié)果說(shuō)明了所提SOC均衡控制策略不會(huì)受到RES輸出功率波動(dòng)的影響。

圖10 光伏突變時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 10 Experimental results when PV abruptly changes

4.3 算例3：負(fù)載側(cè)功率變化

在算例3中，當(dāng)負(fù)載側(cè)波動(dòng)時(shí)，所提出的控制策略得到驗(yàn)證。RES的功率小于負(fù)載消耗，在這種情況下，ESS處于放電過(guò)程。在放電過(guò)程中，負(fù)載側(cè)功率突變的情況下，SOC均衡仍然不會(huì)受到影響。負(fù)載功耗的波動(dòng)情況如圖11所示。

圖11 負(fù)載功率Fig. 11 Load power

負(fù)載變化時(shí)所提下垂控制的SOC均衡過(guò)程如圖12所示。在0～5 s內(nèi)，DESUs運(yùn)行在傳統(tǒng)下垂控制下，會(huì)導(dǎo)致SOC的不均衡。在5 s時(shí)，DESUs切換到文中所提出的下垂控制，DESUs的SOC開(kāi)始收斂。而后負(fù)載側(cè)功率在20 s和30 s時(shí)突然減小。圖12 a)和12 b)為具體SOC均衡和電流分配實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所提下垂控制有效地消除不匹配線路電阻的影響，并通過(guò)自適應(yīng)調(diào)節(jié)虛擬阻抗實(shí)現(xiàn)SOC均衡。圖12 c)為合理范圍內(nèi)由下垂控制引起的電壓偏差。RTDS實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提控制策略在負(fù)載側(cè)功率變化時(shí)的有效性。

圖12 負(fù)載變化時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 12 Experimental results when the load varies

5 結(jié)論

文中針對(duì)直流微電網(wǎng)中的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，提出了一種基于自適應(yīng)虛擬阻抗的SOC均衡策略，并設(shè)計(jì)了考慮不匹配線路電阻的精確電流分配策略。通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明了所提方案的可行性。主要得出以下結(jié)論。

（1）通過(guò)精確電流分配策略消除了不匹配線路電阻對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)電流分配的影響。

（2）不同容量的分布式儲(chǔ)能單元在運(yùn)行過(guò)程中可以根據(jù)SOC信息自適應(yīng)地調(diào)節(jié)虛擬電阻，從而實(shí)現(xiàn)SOC平衡。

（3）基于系統(tǒng)特征方程的穩(wěn)定性分析，從理論上保證了直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，基于RTDS平臺(tái)的測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了所提方案的有效性。