王 武

（许昌学院 电气与机械工程学院，河南 许昌，461000）

1 引言

推动能源低碳绿色转型，大力加强可再生能源开发与利用，将成为推动能源结构调整和绿色能源消费的主要方式。能源低碳转型是一个需要长期坚持的基本理念，“碳峰值”“碳中和”对新能源发电及利用提出了更高要求。面对新能源大规模接入，要在系统层面引导源网荷储互补互动，通过系统布局风光煤储多能互补综合能源基地，缓解新能源发电出力的随机性和波动性。微电网将分布式发电系统、储能系统、变换器装置、交直流负荷等组合在一起，通过施加控制算法，实现微网内各系统的可靠运行。BESS（Battery Energy Storage Systems）对微电网的安全可靠运行至关重要，微电网接入大电网时，由于缺少旋转备用容量，惯性小，需要BESS作为能量缓冲，平抑频率和电压波动。微电网处于孤岛运行状态时，由于可再生能源随外部环境条件变化而呈现出发电的不确定性，会导致系统内能量供需不平衡，需要BESS进行功率调节。由于微电网内可再生能源和负荷数量众多，一般需要配置多个BESS 来保证微电网负荷可靠供电及稳定运行。多BESS 分布式安装可以有效减少系统线路损耗，从整体上提高系统的运行经济性，由于多BESS构成了储能冗余，可以有效降低储能系统的故障发生率，提高其运行可靠性。

实现多BESS 的SOC 协调控制可保持BESS 间的充、放电速度一致，延长其服务寿命，相对提高微电网的经济性，也引起了广泛关注。文献将储能进行主导模式划分，各储能单元的过充、过放实现功率交互控制，极限功率限值按照充放电比例分配，使临界单元荷电状态自动恢复至稳定工作区间[1]。文献提出一种基于电池能量管理系统的SOC协同控制方案，通过控制DC-DC变换器来控制蓄电池组内各个储能单元放电速率，从而实现SOC协同控制[2]。文献得出了储能系统的SOC，求解其放电效率，对整个储能系统进行了优化控制[3]。文献提出直流电微网多储能系统的下垂控制方法，分析了SOC值与储能放电之间的关系，设计了输出功率可分配的协调控制器[4]。文献提出一致性控制策略，通过在系统控制中设置加速因子，对储能系统实现了在线优化[5]。文献给出了储能单元的分层控制方法，验证了一致性算法和分层协调控制策略的有效性[6]。文献提出考虑蓄电池SOC的多源协调控制策略[7]。文献提出光储直流微电网的分层协调控制策略，能够进行最大功率控制模式和下垂控制模式切换[8]。本文提出多BESS直流微电网的SOC协调控制，给出了微电网的结构、BESS建模及SOC估算、储能系统的下垂控制及改进策略，通过算例证明系统能够实现发电单元和储能单元的协调配合，维持系统能量吞吐平衡。

2 多BESS独立直流微电网的结构

图1给出了系统的结构，主要由储能系统、新能源发电系统、交直流负载三个部分组成，储能系统中的各储能模块通过DC/DC变换器连接至直流母线上，由光伏和风电构成新能源发电系统，光伏单元将太阳能转化为电能，并通过DC/DC双向变换器连接至直流母线，风电单元将风能转化为电能，并通过AC/DC双向变换器连接至直流母线。各储能单元通常作为系统主电源运行于下垂控制模式，当储能模块达到最大充放电功率时，系统投切至定功率运行；光伏发电系统通常运行于最大功率点跟踪模式，在光伏出力过大时，将其投切至限定功率运行模式。

图1 独立直流微网的结构

系统实际运行时，微网内的光伏发电功率会发生变化，负荷功率也会根据实际消耗发生变化，储能装置会发生功率吞吐，其功率关系描述为：

上式中，PPV表示光伏发电输出功率，Pwind表示风电输出功率，PL为负荷总额定功率，PBS+为储能装置储存的电功率，PBS-为储能装置输出的电功率。

3 BESS建模及SOC估算

BESS 是一个典型的非线性时变系统，其参数和性能受外界温度、环境和老化等因素的影响。为了实施SOC 的协调控制，需要建立BESS 的数学模型，测量其电压、电流等参数，估算SOC，此处采用电气模型中的Rint模型，其表达式描述为：

上式中，Voc为电池的开路电压，主要和SOC有关而与温度无关，Ro为电池的等效内阻，主要由温度决定。

SOC用以表征电池剩余容量和额定容量之比，主要通过估算方法得出。目前计算简单，精度较高，应用较多的安培积分法经常在估算SOC时被采用，其公式为：

上式中，SOC0表示电池的初始SOC值，Ce表示电池容量，iin表示电池的输出电流。考虑到电池容量较大，其放电过程缓慢，将其输出电压近似看作常数VDC，根据功率守恒定律，可以用其有功功率表示其大小。目前常用不均衡度指标εi来判断SOC是否能实现协调控制，其定义为：

其中SOCave代表所有SOC的平均值。

4 储能系统的下垂控制

上式中，udc_i表示储能单元i的输出电压，idc_i表示其输出电流，udcref为直流母线参考电压，Rdroop_i为储能单元的虚拟阻抗。为了保证系统稳定运行，令其虚拟阻抗满足以下约束条件：

式中，Δudcmax为直流母线电压允许偏差的最大值，Δudcmin为直流母线电压允许偏差的最小值，idcmax为储能变换器端口输出最大电流，idcmin为储能单元变换器端口输出最小电流。结合储能单元的安时计量法，可求出SOC变化率为：

为了克服传统下垂控制的不足，实现SOC值趋于一致，此处采用动态调节下垂系数的方式，其模型可表述为：

上式中，k 为权重系数，kD为均衡因子，幂指数n 的选取上限不能使其输出功率超过额定功率，均衡因子取值不能破坏系统的稳定性，一般取值为：

为了保证储能单元之间出力均匀，储能控制采用电压观测器及均流控制器，控制结构如图2所示。

图2 储能模块控制系统结构

5 仿真与结论

本系统中用1 个光伏发电单元，其额定功率为2.1kW，用了3 个储能单元构造BESS，其额定功率分别为1.2kW、0.9kW 和0.6kW，直流负载用可调电阻器代替，分别在三种工况下进行了系统验证，具体工况如表1所示。

表1 仿真实验及结果

工况1下，光伏发电单元只发出大约一半功率，选择表1中的参数，储能单元的输出功率和母线电压比较平稳；工况2下，进行了权重系统和幂指数对系统特性的分析，当将权重系数从5增大至7，幂指数由2增加至2.6，SOC的均衡速度变快；工况3下，给系统加入均流控制，储能单元输出功率均匀，母线电压能保持在额定电压附近。通过算例可见，本文提出的多BESS独立直流微电网SOC协调控制策略能够实现发电单元和储能单元的协调配合，维持系统能量吞吐平衡。后期将加大对储能元件SOC 变化相对剧烈情况的分析，加强多单元、多节点下控制系统及通信网络研究，加强不同类型分布式能源接入及不同类型储能系统接入时的协同控制研究，加强独立微电网和并网系统的协调控制研究。