王波，張占營，張霄，席晟哲，鄧錦，米陽

(1. 國網(wǎng)河南省電力公司安陽供電公司，河南 安陽 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載的有效方式[2-4]。直流微電網(wǎng)因其對于直流源具有較少的功率轉(zhuǎn)換，且不需要考慮頻率、無功等問題[5-6]，而受到廣泛研究。

為確保直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，可配置儲能系統(tǒng)（energy storage system，ESS）參與協(xié)調(diào)控制[7-8]。若分布式儲能單元（distributed energy storage units，DESUs）在不均衡荷電狀態(tài)（state of charge,SOC）下持續(xù)運行，部分DESUs可能存在過度充放電過程，從而縮短ESS的使用壽命[9-11]。因此，需要設(shè)計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，無法實現(xiàn)DESUs的SOC均衡[13]。針對上述問題，文獻[14]提出了一種考慮不同容量的SOC均衡策略。文獻[15]提出了一種基于SOC冪指數(shù)下垂系數(shù)的改進下垂控制來快速均衡SOC。由于沒有考慮不匹配線路阻抗的存在，上述SOC均衡控制方法無法保證精確分配電流或功率。文獻[16]通過采樣保持器自適應(yīng)修改下垂控制中的參考電壓，克服不匹配線阻對電流分配的影響。然而，該策略無法實現(xiàn)不同容量儲能單元的SOC均衡。文獻[17]引入虛擬額定功率以消除線路阻抗的影響，然而，DESUs的SOC快速達到相同后，卻無法一直保持均衡。

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，在充電過程中亦然。此外，進行所提策略的穩(wěn)定性分析。最后，基于實時數(shù)字仿真系統(tǒng)（real time digital simulation，RTDS）驗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（WTG）、負載和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跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）模式運行，以提高RES的最大利用率。同時，ESS通過充放電過程來維持系統(tǒng)發(fā)電和負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均衡就會受到影響。

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

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

最后，用于實現(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

為了驗證所提SOC均衡控制策略的有效性，基于RTDS[20]平臺構(gòu)建了包括1個RES（光伏）、3 個 DESUs（DESU 1、DESU 2、DESU 3）和 3個負載的直流微電網(wǎng)，如圖6所示。此外，詳細系統(tǒng)參數(shù)配置見表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正常充放電過程

在算例1中，通過在充電和放電過程與文獻[21]的方法進行對比驗證，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實驗結(jié)果。

圖7 穩(wěn)定充電實驗結(jié)果Fig. 7 Results of stable charging experiment

圖8 穩(wěn)定放電實驗結(jié)果Fig. 8 Results of stable discharge experiment

穩(wěn)定充電過程如圖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)下垂控制運行，由于不匹配線路電阻和電池容量的存在，進一步導(dǎo)致SOC不均衡。在5 s時，DESUs切換到本文所提策略的下垂控制，DESUs的SOC開始收斂，如圖7 a)所示。在所提方案下，各DESU的電流通過自適應(yīng)虛擬阻抗調(diào)節(jié)和精確電流分配策略進行分配，最終可以實現(xiàn)SOC均衡。而采用文獻[21]方法的DESUs電流分配無法均衡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)定充電過程中，2種策略下的RTDS實驗結(jié)果驗證了所提方案的有效性，具體對比分析如表3所示。

表3 實驗結(jié)果對比分析Table 3 Comparative analysis of experimental results

ESS的穩(wěn)定放電過程如圖8所示。DESUs的初始SOC為75%、80%、85%。在0～5 s內(nèi)，DESUs在傳統(tǒng)下垂控制下運行，這將導(dǎo)致SOC不均衡。在5 s時，DESUs切換到文中所提下垂控制。對比2種策略下的實驗結(jié)果可知，所提策略可以均衡DESUs的SOC，而文獻[21]的控制方法無法實現(xiàn)SOC均衡，運行過程如圖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[21]方法下母線電壓存在較大偏差。RTDS實驗結(jié)果驗證了所提方案在ESS穩(wěn)定放電過程中的有效性。

4.2 算例2：RES輸出功率波動

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

圖9 RES的輸出功率Fig. 9 Output power of RES

光伏突變時所提下垂控制的SOC均衡過程如圖10所示。DESUs在0～5 s內(nèi)運行在傳統(tǒng)下垂控制下，固定的電流分配比無法均衡DESUs的SOC。在5 s時，DESUs的控制策略切換到所提下垂控制，DESUs的SOC開始收斂。而后在25 s時，PV的輸出功率突然減小。圖10 a)和10 b)為具體SOC均衡和電流分配實驗結(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)果說明了所提SOC均衡控制策略不會受到RES輸出功率波動的影響。

圖10 光伏突變時的實驗結(jié)果Fig. 10 Experimental results when PV abruptly changes

4.3 算例3：負載側(cè)功率變化

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

圖11 負載功率Fig. 11 Load power

負載變化時所提下垂控制的SOC均衡過程如圖12所示。在0～5 s內(nèi)，DESUs運行在傳統(tǒng)下垂控制下，會導(dǎo)致SOC的不均衡。在5 s時，DESUs切換到文中所提出的下垂控制，DESUs的SOC開始收斂。而后負載側(cè)功率在20 s和30 s時突然減小。圖12 a)和12 b)為具體SOC均衡和電流分配實驗結(jié)果。所提下垂控制有效地消除不匹配線路電阻的影響，并通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)虛擬阻抗實現(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實驗結(jié)果驗證了所提控制策略在負載側(cè)功率變化時的有效性。

圖12 負載變化時的實驗結(jié)果Fig. 12 Experimental results when the load varies

5 結(jié)論

文中針對直流微電網(wǎng)中的分布式儲能系統(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)計了考慮不匹配線路電阻的精確電流分配策略。通過理論分析和實驗測試證明了所提方案的可行性。主要得出以下結(jié)論。

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

（2）不同容量的分布式儲能單元在運行過程中可以根據(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)定運行。此外，基于RTDS平臺的測試結(jié)果驗證了所提方案的有效性。