基于分布式下垂控制的微电网分布式储能系统SOC平衡策略

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电力电子节能与传动控制河北省重点实验室（燕山大学）的研究人员吴青峰、孙孝峰等，在2018年第6期《电工技术学报》上撰文，针对孤岛交流微电网中的分布式储能系统（DESS）采用传统的P-f下垂控制时出现的荷电状态（SOC）不平衡问题，提出一种分布式下垂控制。

该方案通过在传统的P-f下垂控制基础加入SOC平衡因子控制逆变器输出的有功功率，从而实现不同容量的DESS充电和放电过程中SOC平衡，并且在SOC平衡过程中频率不会发生偏移。当SOC平衡以后，SOC平衡因子为1，控制算法自动变为传统的P-f下垂控制。由于下垂系数一般很小，频率可以保持在规定的范围（±1%）内。

此外，通过调节SOC的下垂系数，可以调节SOC的平衡速度。最后，不同工况下的仿真和实验结果验证了所提方案的有效性。

随着环境问题的加剧和人们环保意识的提高，由具有清洁、可再生性、高可靠性等优点的光伏、风机等可再生能源（Renewable Energy Sources, RES）组成的微电网逐步发展起来[1]。微电网的结构如图1所示，光伏、风机等RES和分布式储能系统（Distributed Energy Storage Systems, DESS）（蓄电池）通过逆变器并联接入交流电网。

微电网通过静态转换开关（Static Transfer Switch, STS）与公共电网连接于公共耦合点（Point of Common Coupling, PCC）。STS断开时微电网处于孤岛模式；STS闭合时微电网处于并网模式。由于微电网中的RES具有间歇性、随机性和不稳定性，为了保证系统的稳定运行，孤岛微电网中含有蓄电池、超级电容等储能单元[2]。

为了实现微电网的扩容和提高系统的稳定性，系统内一般含有多个DESS。由于生产DESS的原材料及生产工艺等方面的原因造成了DESS的初始荷电状态（Stateof Charge, SOC）一般是不同的。另一方面，由于微电网线路长度和老化程度的不同，微电网的线路阻抗Zi一般是不相等的。

由于微电网的线路阻抗Zi和DESS的初始SOC的不同，DESS的逆变器采用传统的下垂控制时在充电或者放电过程中的SOC是不平衡的[3]。SOC不平衡会导致微电网某个DESS先放完电再退出系统，从而加快剩余的DESS的放电速度，缩短DESS的使用寿命。当剩余的DESS的容量不足以支持系统时会导致整个系统的崩溃[4]。此外，DESS是微电网中比较昂贵的成分。因此，实现DESS的SOC平衡是十分必要的。

图1  微电网的结构

为了实现电池SOC平衡，文献[5,6]提出一种基于电池管理系统（Battery Management System, BMS）的SOC平衡控制策略，该方案能够实现蓄电池组内部各个蓄电池单元之间SOC平衡，但是这些方案并不适用于DESS。

为了实现DESS的SOC平衡，文献[7-13]提出了功率变换器（Power Converter System, PCS）的方案，这些控制方案主要包括分散式控制、分布式控制和集中控制方案。由于基于下垂控制的分散式控制不需要通信线，能够实现即插即用功能，所以被广泛研究。

文献[7,8]提出一种基于下垂控制的直流微电网DESS的SOC平衡方案，通过改变下垂系数实现SOC平衡，同时能够实现有功功率均分，但是该方案基于P-E下垂控制，不适用于采用P-f下垂控制的交流微电网。

文献[9-11]提出一些基于P-f下垂控制的交流微电网DESS的SOC平衡方案，但SOC平衡过程中会导致严重的频率偏移，需要加入额外的频率恢复方案来恢复频率。此外，这些方案没有考虑充电过程SOC平衡问题。文献[12]利用一种级联H桥电路获得SOC平衡，但是该方案电路复杂，需要集中控制器，增加了系统的成本且控制复杂。

文献[13]提出一种基于分布式控制的SOC平衡方案，利用低带宽通信线来传递各个变量的信息，该方案计算量大且控制复杂，同时，导致频率发生偏移。

本文提出一种分布式下垂控制来实现DESS的SOC平衡。所提方案的优点在于能实现不同容量DESS充、放电过程中的SOC平衡，并且所提方案在SOC平衡中不会出现严重的频率偏移。通过调节SOC的下垂系数可以调节SOC的平衡速度。

图13  实验平台

结论

本文提出一种分布式下垂控制来实现孤岛交流微电网中DESS的SOC平衡。通过将SOC平衡因子以乘法关系加入到传统的下垂控制中，对逆变器输出的有功功率进行调节，可以实现DESS的SOC平衡。

该方案不但实现了DESS充电和放电过程中的SOC平衡，在SOC平衡过程中频率不会发生严重的偏移并且可以保持在规定的范围内，通过调节下垂系数kSOC可以调节SOC的平衡速度。