單立新，吳 靖，趙海榮，高 峰

(1.浙江大有集團(tuán)有限公司，浙江杭州 310050；2.浙江大有實(shí)業(yè)有限公司杭州科技發(fā)展分公司，浙江杭州 310052；3.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250061)

為了解決圖1 中儲(chǔ)能變換器(power converter system，PCS)直流側(cè)多支路并聯(lián)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(battery energy storage system，BESS)[1]中個(gè)別電池組率先完成充放電，進(jìn)而退出系統(tǒng)造成整體功率不足的問題，不同電池組之間需要進(jìn)行荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)均衡。不同電池組間SOC的均衡控制分為有通訊線控制與無通訊線控制兩種。已有諸多研究使用集中式控制器實(shí)現(xiàn)了不同電池組之間的SOC均衡[2-3]。無通訊線控制主要采用下垂控制方式。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于SOC的自適應(yīng)下垂控制策略，將帶有指數(shù)項(xiàng)的SOC加入到下垂系數(shù)中，可以在無通訊的情況下實(shí)現(xiàn)孤島條件下不同電池組間SOC均衡。

圖1 PCS直流側(cè)多支路并聯(lián)的并網(wǎng)型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

但是，基于不同類型或不同生產(chǎn)批次的電池組構(gòu)成的多支路并聯(lián)型BESS 還存在著各電池組間健康狀態(tài)(state of health，SOH)不一致的問題，隨著實(shí)際使用時(shí)間增長系統(tǒng)內(nèi)電池組SOH下降，SOH離散程度增大。

在工程中通常采用安時(shí)積分法估計(jì)電池組SOC，且目前的電池管理系統(tǒng)(battery management system,BMS)一般不考慮儲(chǔ)能電池組的SOH衰退，普遍采用電池組額定容量Qrated來進(jìn)行SOC估計(jì)，如式(1)所示。其中Qremain是運(yùn)行過程中電池的剩余可放出容量，SOCini為初始SOC；而儲(chǔ)能電池SOC的實(shí)際值SOC'，則需要使用電池組實(shí)際最大容量Qmax計(jì)算得到，如式(2)所示。

因此，當(dāng)某電池組SOH小于100%時(shí)，Qmax小于Qrated，導(dǎo)致SOC與SOC'之間產(chǎn)生偏差。而傳統(tǒng)SOC自適應(yīng)下垂控制方法將電池組SOC估計(jì)值作為均衡變量，SOC與SOC'的偏差會(huì)使SOC均衡存在困難；并且隨著SOH的離散程度增大，該問題將越發(fā)嚴(yán)重，最終導(dǎo)致在電池組間SOH差值較大時(shí)無法實(shí)現(xiàn)SOC均衡，使得SOH較小的電池組電壓在充/放電時(shí)率先達(dá)到充/放電截止電壓而被電池管理系統(tǒng)切除運(yùn)行，進(jìn)而產(chǎn)生并網(wǎng)型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充/放電功率跌落。此外，即使在BMS 中采用更加準(zhǔn)確的SOC估計(jì)算法，傳統(tǒng)SOC均衡方法下的功率分配結(jié)果也會(huì)導(dǎo)致SOH離散程度增大，SOH最小的電池組將首先達(dá)到報(bào)廢條件使整個(gè)系統(tǒng)需要退出來進(jìn)行電池組更換維護(hù)。

針對(duì)上述問題，本文進(jìn)一步提出了一種計(jì)及SOH的SOC自適應(yīng)下垂控制策略，適用于在PCS 直流側(cè)進(jìn)行匯集的大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)時(shí)SOH不一致的多支路電池組的SOC均衡，各個(gè)雙向DC/DC 變換器之間無需通信即可進(jìn)行獨(dú)立控制，下垂系數(shù)可實(shí)時(shí)根據(jù)SOC與SOH進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)具有多支路電池組的儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的靈活并機(jī)與退出。仿真結(jié)果驗(yàn)證了上述控制策略的可行性。

1 計(jì)及SOH 的電池組SOC 自適應(yīng)下垂控制均衡策略

傳統(tǒng)SOC自適應(yīng)下垂控制的下垂系數(shù)一旦在初始時(shí)設(shè)定，在儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過程中將不再進(jìn)行修正[4]。但是隨著SOH的離散程度逐漸增大，初始設(shè)定的下垂系數(shù)會(huì)出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致SOC均衡過程中，尤其是多支路SOC相近時(shí)功率分配不合理，各并聯(lián)支路電池組SOC無法均衡。為了解決上述問題，本文提出了一種計(jì)及SOH的SOC自適應(yīng)下垂控制策略。該策略適用于在PCS 直流側(cè)并聯(lián)的并網(wǎng)型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，各個(gè)雙向DC/DC 變換器之間無需通信即可進(jìn)行獨(dú)立下垂控制，且下垂系數(shù)可實(shí)時(shí)根據(jù)SOC與SOH進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而避免了SOH較小的電池組電壓在充/放電時(shí)率先達(dá)到截止電壓而被電池管理系統(tǒng)切除，進(jìn)而產(chǎn)生并網(wǎng)型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充/放電功率跌落；而且該策略中電池組間的功率分配能夠防止組間SOH差異進(jìn)一步擴(kuò)大。

1.1 電池組SOH 在線估計(jì)方法

本文采用一種基于生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)(GAN)-卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)-長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)的鋰離子電池SOH估計(jì)模型[5]進(jìn)行估計(jì)。該方法準(zhǔn)確度高，無需考慮電池內(nèi)部老化機(jī)理和電化學(xué)反應(yīng)，其SOH估計(jì)流程如圖2 所示。主要步驟簡(jiǎn)述如下：

圖2 基于GAN-CNN-LSTM 模型的鋰離子儲(chǔ)能電池組SOH在線估計(jì)流程

(1)獲取訓(xùn)練數(shù)據(jù)。在投入運(yùn)行前將選用類型的鋰離子電池組進(jìn)行恒流-恒壓滿充操作，記錄該充電過程中的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)作為GAN-CNN-LSTM 的訓(xùn)練輸入；將滿充后的電池組進(jìn)行恒流放電，利用安時(shí)積分法記錄該放電過程中的最大電量Qmax，計(jì)算得鋰離子電池組SOH，將SOH作為GAN-CNN-LSTM 的訓(xùn)練輸出；

(2)將得到的訓(xùn)練數(shù)據(jù)加入到GAN 中，得到擴(kuò)充后的數(shù)據(jù)集；

(3)根據(jù)文獻(xiàn)[5]搭建GAN-CNN-LSTM 并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；

(4)訓(xùn)練GAN-CNN-LSTM 模型。將(2)中得到的數(shù)據(jù)集輸出到CNN-LSTM 模型中進(jìn)行訓(xùn)練，模型的損失函數(shù)為MSE，訓(xùn)練過程中使用Adam 優(yōu)化器調(diào)整模型的參數(shù)；

(5)實(shí)現(xiàn)鋰離子儲(chǔ)能電池組在線SOH估計(jì)。將運(yùn)行中的鋰離子電池組恒流-恒壓過程中所采集的電壓、電流、溫度等輸入訓(xùn)練后的GAN-CNN-LSTM 模型即可實(shí)時(shí)輸出SOH估計(jì)值。

實(shí)際上，SOH估計(jì)方法眾多，也可以結(jié)合實(shí)際應(yīng)用條件選擇其他準(zhǔn)確率滿足要求的在線估計(jì)方法。

1.2 計(jì)及SOH 的SOC 自適應(yīng)下垂控制

考慮到各個(gè)電池組之間存在差異，SOH較小的電池組SOC上升/下降速度較其他電池組更快。因此SOH較小的電池組應(yīng)該采用較小的充電/放電功率，SOH較大的電池組采用較大的充電/放電功率。設(shè)第i個(gè)電池組的充放電功率Pi在放電時(shí)為正，充電時(shí)為負(fù)，可以得到并網(wǎng)型BESS 放電工作時(shí)，計(jì)及SOH的SOC自適應(yīng)下垂控制表達(dá)式為：

式中:mdis為BESS 放電時(shí)初始下垂系數(shù)；udc為直流母線電壓；udc_dis_max為BESS 放電時(shí)直流母線電壓最大值；SOHi為第i個(gè)電池組的SOH；P*dis_i為BESS 放電時(shí)第i個(gè)電池組的放電功率參考值。

同理，在電網(wǎng)給BESS 充電時(shí)，計(jì)及SOH的SOC自適應(yīng)下垂控制表達(dá)式為：

式中：mch為BESS 充電時(shí)初始下垂系數(shù)；udc_ch_min為BESS 充電時(shí)直流母線電壓最小值；P*ch_i為BESS 充電時(shí)第i個(gè)電池組的充電功率參考值。

不妨設(shè)udc_dis_max=udc_ch_min=udc0，則計(jì)及SOH的SOC自適應(yīng)下垂控制曲線如圖3 所示。在放電時(shí)，當(dāng)電池組SOH降低后，SOC下降速度增快，此時(shí)應(yīng)增大該電池組下垂系數(shù)，從而減小該電池組輸出功率參考值，降低SOC下降速度；同理,在充電時(shí)，當(dāng)電池組SOH降低后，SOC上升速度增大，應(yīng)增大該電池組下垂系數(shù)，從而減小該電池組充電功率參考值，減小SOC上升速度，實(shí)現(xiàn)了下垂系數(shù)的自動(dòng)修正。

圖3 計(jì)及SOH的SOC自適應(yīng)下垂控制曲線

本文所提出的計(jì)及SOH的SOC自適應(yīng)下垂控制框圖如圖4 所示。雙支路并聯(lián)的BESS 在投入運(yùn)行前通過完全充放電實(shí)驗(yàn)的方式測(cè)得兩個(gè)電池組的SOH，得到其初始下垂系數(shù)m1、m2。投入實(shí)際使用后，系統(tǒng)通過估計(jì)各電池組實(shí)時(shí)的SOH，自動(dòng)修正下垂系數(shù)m1、m2，以適應(yīng)各電池組可用最大容量的衰減。如圖4 所示，系統(tǒng)通過下垂控制得到各電池組充電/放電功率參考值Pi*，從而得到電池組的充電/放電電流參考值ii*，通過電流控制器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖4 計(jì)及SOH的SOC自適應(yīng)下垂控制框圖

2 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述控制策略的有效性，在Matlab/Simulink 環(huán)境中搭建了系統(tǒng)仿真模型，其主電路部分見圖5。模型中，設(shè)定每個(gè)電池組為額定電壓480 V、額定容量37 Ah 的磷酸鐵鋰電池，對(duì)應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)中常用的儲(chǔ)能電池組；雙向DC/DC 變換器、直流母線與雙向DC/AC 變換器對(duì)應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)的PCS 部分；LC濾波器與380 V 三相電壓源則對(duì)應(yīng)系統(tǒng)并網(wǎng)部分[6]。系統(tǒng)具體參數(shù)總結(jié)見表1。在控制部分，DC/DC 部分中雙向Buck/Boost變換器采用電流閉環(huán)控制，由計(jì)及SOH的SOC自適應(yīng)下垂控制策略分別提供兩個(gè)變換器的電感電流參考值；DC/AC 部分中的三相全橋變換器采用基于前饋解耦的定功率控制策略。

圖5 基于Matlab/Simulink環(huán)境的雙支路并網(wǎng)型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真模型

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)

2.1 電池組不同SOH 差異值條件下仿真分析

由于生產(chǎn)工藝和使用環(huán)境的不同，多支路并聯(lián)型BESS存在各支路電池組間SOH不一致的問題，并且隨著長期使用這一問題將逐步加劇。根據(jù)電力儲(chǔ)能用鋰離子電池國家標(biāo)準(zhǔn)[7]，能量型儲(chǔ)能電池SOH應(yīng)不低于90%，功率型儲(chǔ)能電池SOH應(yīng)不低于80%。本節(jié)首先在不同SOH差異值下對(duì)所提出的計(jì)及SOH的SOC自適應(yīng)下垂控制策略進(jìn)行仿真。

圖6(a)為當(dāng)SOH1=90%，SOH2=100%時(shí)，電池組SOC變化曲線與電池組間SOC差異曲線。由圖6(a)可知，電池組1、電池組2 的SOC實(shí)際值逐漸接近，并在23.9 s 達(dá)到均衡。同理，圖6(b)表示，當(dāng)SOH1=80%，SOH2=100%時(shí)，電池組1、電池組2的SOC實(shí)際值同樣能夠在27.5 s 時(shí)達(dá)到均衡。這證明所提方法在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)電池組間SOH差值分別達(dá)到能量型和功率型BESS 所允許的最大SOH差異10%和20%時(shí)依然有效，即所提方法在BESS中電池組允許SOH范圍內(nèi)均具有有效性。

圖6 計(jì)及SOH的SOC自適應(yīng)下垂控制策略在不同SOH 差異值條件下的仿真波形圖

2.2 與傳統(tǒng)SOC 自適應(yīng)下垂控制方法的SOC 均衡對(duì)比分析

為了說明本文提出的計(jì)及SOH的SOC自適應(yīng)下垂控制方法的優(yōu)勢(shì)，本節(jié)以放電為例，在SOH1=80%、SOH2=100%的條件下，使用本文所提出方法與傳統(tǒng)SOC自適應(yīng)下垂控制方法進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖7 所示。

圖7(a)表示采用傳統(tǒng)SOC自適應(yīng)下垂控制方法時(shí)，電池組SOC變化曲線與電池組輸出功率曲線。由圖7(a)可以看出，采用傳統(tǒng)方法時(shí)，電池組1 的SOC估計(jì)值與電池組2 實(shí)際值逐漸均衡，電池組1、2 的輸出功率也逐漸均衡。但由于SOH1=80%，電池組1 的SOC實(shí)際值下降更快，而此時(shí)兩電池組輸出功率被控制為相同，因此兩電池組SOC實(shí)際值之差又會(huì)逐漸增大，無法實(shí)現(xiàn)兩電池組SOC實(shí)際值均衡，有可能造成實(shí)際工作中的過放電，或者導(dǎo)致SOH較小的電池組電壓在放電時(shí)率先達(dá)到放電截止電壓被電池管理系統(tǒng)切除運(yùn)行。

圖7(b)表示采用計(jì)及SOH的SOC自適應(yīng)下垂控制方法時(shí)，電池組SOC變化曲線與電池組輸出功率曲線。由圖7(b)可知，所提方法可以使SOH較大電池組分配更大的輸出功率，SOH較小電池組分配更小的輸出功率，以實(shí)現(xiàn)電池組間SOC的快速均衡，且電池組1、電池組2 的SOC實(shí)際值可以快速實(shí)現(xiàn)均衡。此外，這一功率分配結(jié)果使得SOH較大電池組2的放電深度大于SOH較小電池組1，使得電池組1 相對(duì)于電池組2衰減得更慢，能夠有效防止組間SOH差異進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖7 計(jì)及SOH的SOC自適應(yīng)下垂控制策略與傳統(tǒng)SOC自適應(yīng)下垂控制方法的對(duì)比波形圖

3 結(jié)論

本文提出了一種計(jì)及SOH的SOC自適應(yīng)下垂控制方法，與傳統(tǒng)SOC自適應(yīng)下垂控制相比，可以根據(jù)電池組的衰減情況更為準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)多支路并聯(lián)時(shí)各電池組的SOC均衡，而且能夠有效防止組間SOH差異進(jìn)一步擴(kuò)大，并在Matlab/Simulink 仿真平臺(tái)上進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。