直流微网储能系统SoC均衡及电压恢复
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关键词：荷电状态均衡；直流微网；电压补偿；下垂控制；负荷功率动态分配；无通信 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－３８８６．２０１９．０２．０１１ ［中图分类号］ ＴＭ７２１ ［文献标识码］ Ａ ［文章编号］１０００－３８８６（２０１９）０２－００３６－０３
ＳｏＣ ＢａｌａｎｃｉｎｇａｎｄＶｏｌｔａｇｅＲｅｓｔｏｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ ＤＣ Ｍｉｃｒｏ－ｇｒｉｄＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅＳｙｓｔｅｍ
路电阻时，直流微电网两个 ＥＳＵ并联的等效模型如图 １所示。 利用该模型可以分析传统下垂控制输出特性。
传统下垂控制是一种通过在控制中引入虚拟电阻进而改变 输出电流的方法，直流微电网中传统下垂控制表达式为：
定稿日期：２０１８－０３－１６ 基金项目：安徽高 校 自 然 科 学 研 究 重 点 项 目 （ＫＪ２０１７Ａ０６７）；安 徽 省 自
然科学基金项目（１７０８０８５ＭＥ１０６）
３６ ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ
略，该方法能够在均衡 ＳｏＣ的同时保证较小的母线电压偏差。
１ ＳｏＣ均衡控制策略
１．１ 传统下垂控制分析
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
在直流微网储能系统中，如果将储能单元通过变换器直接并 联，由于 线 路 阻 抗 及 控 制 参数差 异，会 导 致 输 出 电 流不 均 衡。下 垂 控 制 通 过加入下 垂 系 数 改 变 变 换器的 输 出 特 性，实 现 电
图 １ 两储能模块并联等效模型 流平 均 分 配。当 考 虑 线
ＦａｎｇＷｅｉ，ＸｕＰｅｎｇ，ＬｉｕＸｉａｏｄｏｎｇ，ＬｉｕＳｕｃｈｅｎｇ，ＣｈｅｎＴｉｎｇｈｅ （ＫｅｙＬａｂｏｆＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆ ＭｏｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ，ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍａ’ａｎｓｈａｎＡｎｈｕｉ２４３０３２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｉｍｐｏｓｓｉｂｌｅｂａｌａｎｃｉｎｇｏｆｓｔａｔｅｏｆｃｈａｒｇｅ（ＳｏＣ）ｔｈｒｏｕｇｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｄｒｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｔｈｅｂｕｓｖｏｌｔａｇｅｄｒｏｐｉｎｔｈｅｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅｕｎｉｔ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｄａＳｏＣｂａｌａｎｃｅｃｏｎｔｒｏｌｗｉｔｈｂｕｓｖｏｌｔａｇｅｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔＳｏＣｏｆｂａｔｔｅｒｙｐａｃｋｓ，ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔｃｕｒｒｅｎｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｕｎｉｔｓｗｅｒｅｃｈａｎｇｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｄｙｎａｍｉｃｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｌｏａｄｐｏｗｅｒｓｏａｓｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｇｏａｌ ｏｆＳｏＣｂａｌａｎｃｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｉｓａｐｐｒｏａｃｈ，ａＳｏＣｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔａｎｄＤＣｂｕｓｖｏｌｔａｇｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｅｌｅｍｅｎｔｗｅｒｅａｄｄｅｄｔｏｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｄｒｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌ，ｓｏｔｈａｔｂａｌａｎｃｉｎｇｏｆＳｏＣ ｏｆｖａｒｉｏｕｓｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｕｎｉｔｓｃｏｕｌｄ ｂｅａｃｈｉｅｖｅｄ ｗｉｔｈ ｎｏｎｅｅｄ ｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｏｆｄｒｏｏｐｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｐｐｒｏａｃｈｈａｄｌｉｔｔｌｅｉｍｐａｃｔｏｎｓｙｓｔｅｍｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｐｐｒｏａｃｈｗａｓｖａｌｉｄａｔｅｄｔｈｒｏｕｇｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．
《电气自动化》２０１９年第 ４１卷 第 ２期
电力系统及其自动化
ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ
直流微网储能系统 ＳｏＣ均衡及电压恢复
方炜，徐朋，刘晓东，刘宿城，陈厅和 （安徽工业大学 电力电子与运动控制重点实验室，安徽 马鞍山 ２４３０３２）
摘 要：针对传统下垂控制无法均衡储能单元 ＳｏＣ及母线电压跌落问题，提出了一种带有母线电压恢复的荷电状态（ＳｏＣ）均衡控制方 法。根据电池组 ＳｏＣ的不同，改变不同储能单元输出电流，实现负荷功率的动态分配，最终达到 ＳｏＣ均衡的目的。在传统下垂 控制的基础上增加 ＳｏＣ控制环节和直流母线电压补偿环节，可以在无通信的情况下均衡各储能单元 ＳｏＣ，同时相比于调整下垂 系数，对系统稳定性影响较小。最后，通过仿真和试验验证了所提方法的有效性。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂａｌａｎｃｉｎｇｏｆｓｔａｔｅｏｆｃｈａｒｇｅ（ＳｏＣ）；ＤＣ ｍｉｃｒｏ－ｇｒｉｄ；ｖｏｌｔａｇｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｄｒｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌ；ｄｙｎａｍｉｃｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｌｏａｄｐｏｗｅｒ； ｎｏｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
０ 引 言
直流微电网相比于交流微电网具高效率高、可靠性高及控制 变量少等特点，且随着光伏电池等直流源及 ＬＥＤ照明和新能源 汽车等直流负载的增加，直流微电网已成为一种可行且更加经济 的供电方案［１－２］。然而，直流微电网中的太阳能等可再生能源受 环境影响而具有间歇性和波动性，为保证系统稳定运行及供电质 量，需加入储能系统 （ＥＳＳ）［３－４］。 一 个 储 能 单 元 （ＥＳＵ）通 常 由 多 节电池串联组成，通过变换器连接到直流母线。储能单元中需配 备电池管理系统（ＢＭＳ），但 ＢＭＳ只能对电池组内每个电池单元 的 ＳｏＣ进行均衡，而无法均衡各个电池组之间的 ＳｏＣ。为了防止 部分电池组 ＳｏＣ过低提前退出影响系统功率分配，需要根据 ＳｏＣ 合理分配各 ＥＳＵ之间的功率输出［５］。
下垂控制因其控制器设计简单、无需通信等优点常被用于直 流微电网本地控制中［６］。但传统下垂控制并没有考虑储能单元 状态，无法对 ＳｏＣ进行均衡，且由于下垂系数的存在导致母线电 压偏差问题。 文 献 ［７］将 模 糊 控 制 引 入 下 垂 控 制，算 法 较 为 复 杂。针对以上情况，提出了一种带有电压补偿的 ＳｏＣ均衡控制策
ＳｏＣ ＢａｌａｎｃｉｎｇａｎｄＶｏｌｔａｇｅＲｅｓｔｏｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ ＤＣ Ｍｉｃｒｏ－ｇｒｉｄＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅＳｙｓｔｅｍ
路电阻时，直流微电网两个 ＥＳＵ并联的等效模型如图 １所示。 利用该模型可以分析传统下垂控制输出特性。
传统下垂控制是一种通过在控制中引入虚拟电阻进而改变 输出电流的方法，直流微电网中传统下垂控制表达式为：
定稿日期：２０１８－０３－１６ 基金项目：安徽高 校 自 然 科 学 研 究 重 点 项 目 （ＫＪ２０１７Ａ０６７）；安 徽 省 自
然科学基金项目（１７０８０８５ＭＥ１０６）
３６ ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ
略，该方法能够在均衡 ＳｏＣ的同时保证较小的母线电压偏差。
１ ＳｏＣ均衡控制策略
１．１ 传统下垂控制分析
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
在直流微网储能系统中，如果将储能单元通过变换器直接并 联，由于 线 路 阻 抗 及 控 制 参数差 异，会 导 致 输 出 电 流不 均 衡。下 垂 控 制 通 过加入下 垂 系 数 改 变 变 换器的 输 出 特 性，实 现 电
图 １ 两储能模块并联等效模型 流平 均 分 配。当 考 虑 线
ＦａｎｇＷｅｉ，ＸｕＰｅｎｇ，ＬｉｕＸｉａｏｄｏｎｇ，ＬｉｕＳｕｃｈｅｎｇ，ＣｈｅｎＴｉｎｇｈｅ （ＫｅｙＬａｂｏｆＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆ ＭｏｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ，ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍａ’ａｎｓｈａｎＡｎｈｕｉ２４３０３２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｉｍｐｏｓｓｉｂｌｅｂａｌａｎｃｉｎｇｏｆｓｔａｔｅｏｆｃｈａｒｇｅ（ＳｏＣ）ｔｈｒｏｕｇｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｄｒｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｔｈｅｂｕｓｖｏｌｔａｇｅｄｒｏｐｉｎｔｈｅｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅｕｎｉｔ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｄａＳｏＣｂａｌａｎｃｅｃｏｎｔｒｏｌｗｉｔｈｂｕｓｖｏｌｔａｇｅｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔＳｏＣｏｆｂａｔｔｅｒｙｐａｃｋｓ，ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔｃｕｒｒｅｎｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｕｎｉｔｓｗｅｒｅｃｈａｎｇｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｄｙｎａｍｉｃｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｌｏａｄｐｏｗｅｒｓｏａｓｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｇｏａｌ ｏｆＳｏＣｂａｌａｎｃｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｉｓａｐｐｒｏａｃｈ，ａＳｏＣｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔａｎｄＤＣｂｕｓｖｏｌｔａｇｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｅｌｅｍｅｎｔｗｅｒｅａｄｄｅｄｔｏｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｄｒｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌ，ｓｏｔｈａｔｂａｌａｎｃｉｎｇｏｆＳｏＣ ｏｆｖａｒｉｏｕｓｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｕｎｉｔｓｃｏｕｌｄ ｂｅａｃｈｉｅｖｅｄ ｗｉｔｈ ｎｏｎｅｅｄ ｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｏｆｄｒｏｏｐｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｐｐｒｏａｃｈｈａｄｌｉｔｔｌｅｉｍｐａｃｔｏｎｓｙｓｔｅｍｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｐｐｒｏａｃｈｗａｓｖａｌｉｄａｔｅｄｔｈｒｏｕｇｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．
《电气自动化》２０１９年第 ４１卷 第 ２期
电力系统及其自动化
ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ
直流微网储能系统 ＳｏＣ均衡及电压恢复
方炜，徐朋，刘晓东，刘宿城，陈厅和 （安徽工业大学 电力电子与运动控制重点实验室，安徽 马鞍山 ２４３０３２）
摘 要：针对传统下垂控制无法均衡储能单元 ＳｏＣ及母线电压跌落问题，提出了一种带有母线电压恢复的荷电状态（ＳｏＣ）均衡控制方 法。根据电池组 ＳｏＣ的不同，改变不同储能单元输出电流，实现负荷功率的动态分配，最终达到 ＳｏＣ均衡的目的。在传统下垂 控制的基础上增加 ＳｏＣ控制环节和直流母线电压补偿环节，可以在无通信的情况下均衡各储能单元 ＳｏＣ，同时相比于调整下垂 系数，对系统稳定性影响较小。最后，通过仿真和试验验证了所提方法的有效性。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂａｌａｎｃｉｎｇｏｆｓｔａｔｅｏｆｃｈａｒｇｅ（ＳｏＣ）；ＤＣ ｍｉｃｒｏ－ｇｒｉｄ；ｖｏｌｔａｇｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｄｒｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌ；ｄｙｎａｍｉｃｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｌｏａｄｐｏｗｅｒ； ｎｏｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
０ 引 言
直流微电网相比于交流微电网具高效率高、可靠性高及控制 变量少等特点，且随着光伏电池等直流源及 ＬＥＤ照明和新能源 汽车等直流负载的增加，直流微电网已成为一种可行且更加经济 的供电方案［１－２］。然而，直流微电网中的太阳能等可再生能源受 环境影响而具有间歇性和波动性，为保证系统稳定运行及供电质 量，需加入储能系统 （ＥＳＳ）［３－４］。 一 个 储 能 单 元 （ＥＳＵ）通 常 由 多 节电池串联组成，通过变换器连接到直流母线。储能单元中需配 备电池管理系统（ＢＭＳ），但 ＢＭＳ只能对电池组内每个电池单元 的 ＳｏＣ进行均衡，而无法均衡各个电池组之间的 ＳｏＣ。为了防止 部分电池组 ＳｏＣ过低提前退出影响系统功率分配，需要根据 ＳｏＣ 合理分配各 ＥＳＵ之间的功率输出［５］。
下垂控制因其控制器设计简单、无需通信等优点常被用于直 流微电网本地控制中［６］。但传统下垂控制并没有考虑储能单元 状态，无法对 ＳｏＣ进行均衡，且由于下垂系数的存在导致母线电 压偏差问题。 文 献 ［７］将 模 糊 控 制 引 入 下 垂 控 制，算 法 较 为 复 杂。针对以上情况，提出了一种带有电压补偿的 ＳｏＣ均衡控制策