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随着能源与负荷“即插即用”需求的与日俱增、终端用户负荷直流化趋势明显,直流微电网逐渐成为能源生产消费和技术变革的一项重要支撑[1-2]。其中,低压直流微电网的研究与应用展现出巨大的潜力和市场[3]。
为满足系统的稳定运行、增大容量配置[4],储能系统(energy storage system, ESS)中各储能单元(energy storage units, ESUs)通常以分布式结构并联接入直流母线[5]。但是随着多个储能单元的接入,各单元之间荷电状态(state of charge, SoC)的不一致将会造成储能单元过度充放电及频繁投切,严重影响到储能元件的使用寿命以及系统的稳定性[6]。
文献[7]利用SoC的不断变化实时改变下垂系数,实现各储能单元放电过程SoC以及负荷功率的动态均衡。文献[8]对此做出了进一步展开,将SoC的n次方分别应用在下垂系数的分子和分母中,实现ESUs在充放电两种模式下动态均衡,但是控制器中需要选择两种不同的下垂表达式分别控制ESUs的充电和放电过程。文献[9]将ESUs的SoC平均值加入下垂系数中,进而达到SoC均衡的目的。但加入SoC后的下垂系数值较大,导致过大的母线电压偏差[10]。文献[11]把与SoC相关的算法引入下垂控制的参考电压中实现对SoC均衡速度的控制。而文献[12]提出的控制方案,能够对低压直流微电网实现高精确度、无电压偏差的SoC均衡目标,但提高了系统的通信压力,且控制器过于复杂提高了其设计成本。
为此,本文提出了一种适用于用户侧低压直流微电网的改进下垂控制策略。本控制方案可以同时用于储能系统的充电和放电过程,不需要采样储能单元的输出电流,降低设计难度的同时,可有效降低母线电压偏差范围;且各储能之间不存在互联通信,降低系统的整体通信压力。其次,依据SoC函数的曲线变化特性提出了曲线法分析系统的动态特性,基于小信号模型分析了系统的稳定性,并由此给出设计参数的选取原则。最后,搭建了基于系统的多储能单元并联的微电网硬件实验平台,通过实验验证所提理论的合理性和有效性。
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根据式(6)~式(9),函数f(SoC)与输出电流、SoC的变化率有直接关联。故提出一种曲线法,直观地分析运行过程中系统的SoC均衡速率。
本文采用的函数f(SoC)表达式为:
式中,k和n分别为比例系数和自变量SoC的指数系数,作为调节因子来调节SoC的均衡速率;δ的取值与函数值域相关,在控制器中作为母线电压偏差调节因子,可控制母线电压偏差范围。为保持ESUs输出电压恒定,SoC的取值范围可限制在10%~90%。
图4分别分析了k和n取值不同时,f(SoC)的曲线变化率。由图4a所示,保持n不变,随着k值的增大,f(SoC)的曲线变化率明显增大,系统将会获得更快的均衡速率。由图4b所示,保持k不变,SoC取值较大时,曲线变化率都随着n的增大而增大,系统有更快的均衡速率;相反,当SoC取值较小时,曲线变化率会随n的增大而变低,相应均衡速率也会降低。
进一步,由式(5)可得母线电压与函数f(SoC)的关系,若忽略线路电阻引起的少量压降,f(SoC)取值即可近似为母线电压偏差,f(SoC)的值域即为母线电压的偏差范围。图5比较了δ取值不同时的函数曲线,调节因子δ取值不同时,对应f(SoC)值各不相同,即母线电压偏差范围。
根据上述曲线法的分析,只需保证控制器中选取的函数f(SoC)曲线特性合理,即可达到控制均衡速率和改善母线电压偏差的目的。
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对式(3)进行小信号扰动,得:
式中,变换器的输入电流
$I_{{\rm{bat}}_i}$ 和输出电流$I_{{\rm{o}}_i}$ 之间的比例关系可写为:对式(5)和式(9)联立后进行小信号扰动,可得:
将式(10)和式(11)代入式(12),有:
ESUs在放电过程中,能量流动方式可简化为:
式中,Rload视为系统放电过程中的等效负载。
相应的,ESUs在充电过程中,能量流动过程的稳态可以依据文献[16]分析:
式中,Icps为系统向ESUs充电的恒功率源输出电流;Pcps为恒功率源的输出功率大小,在稳态条件下可视为常数;vbus_op为母线电压额定值;R′为系统的实际负载大小,取正值。
联立式(15)和式(16)可得:
为了化简表达式,可设:
得化简后的充电过程能量流动表达式:
式中,Rload同放电过程一样,可视为系统在充电过程中的等效负载。需要指出的一点是,系统在放电过程中,等效负载Rload取正值,而在充电过程中,等效负载Rload取负值。
式(14)、式(19)进行小信号扰动后均可得到:
联立式(13)和式(20),可得系统的特征方程:
式中,
$\;A = (r_{\rm{l}}^{\rm{2}} + 2{r_{\rm{l}}}\eta {R_{{\rm{load}}}})C_{\rm{e}}^{\rm{2}} $ ;$B = kn({\rm{SoC}}_1^{n - 1} + {\rm{SoC}}_{\rm{2}}^{n - 1}) $ $ ({r_{\rm{l}}} + \eta {R_{{\rm{load}}}}){C_{\rm{e}}}$ ;$C = {k^2}{n^2}{\rm{SoC}}_1^{n - 1}{\rm{SoC}}_{\rm{2}}^{n - 1}$ 。由于系统ESUs之间为相互等价,如图6所示保持SoC1不变的同时,绘制SoC2在合理范围内变化的根轨迹图,以对所提控制策略进行稳定性分析。用于计算的系统参数选择如表1所示。
参数 取值 SoC1初始值SoC1_0 0.75 SoC2初始值SoC2_0 0.1~0.9 ESUs中各变换器输入电压Vin/V 20 母线电压额定值vdc/V 48 线路电阻rl/Ω 0.2 图6绘制了调节因子取值不相同情况下SoC2变化时的根轨迹图。不同颜色标记代表着调节因子的不同取值,相同颜色标记了SoC变化情况下的闭环主导极点。系统的主导极点均分布在s域的左半部,系统的稳定性得到保证。
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在所提改进控制系统的应用设计过程中,相关约束条件及参数的选取需从以下方面具体考虑。
1)参数选取:对于初始SoC较大的情况,控制系统中可以取较大的n和k加速SoC均衡;对于初始SoC较小的情况,可以选择较小的n和较大的k以提高均衡速率。
2)约束条件1:f(SoC)中3个调节因子的变动,可能会造成母线电压偏差过大。结合曲线法初步预估母线电压的偏差范围,适当调节f(SoC)的曲线特性,确保系统在运行中母线电压始终在最大允许范围内波动,同时由式(5)量化f(SoC)的取值范围:
式中,Iimax为接口变换器实际过程中可流过的最大电流;Δvbusmax为最大直流母线偏差。
3)约束条件2:在设计过程中,控制系统中f(SoC)还受最大充放电电流及接口变换器的功率等级限定。根据式(8)输出电流与f(SoC)的关系,可表达为:
式中,Iload为流过储能系统的最大输出(输出)电流值;verr为直流母线偏差。以此量化参数作为参考,在实际设计中,保证输出电流不高于最大功率限制和充放电电流限制即可满足参数选取要求。