電力電子節(jié)能與傳動(dòng)控制河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(燕山大學(xué))的研究人員吳青峰、孫孝峰等，針對(duì)孤島交流微電網(wǎng)中的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)(DESS)采用傳統(tǒng)的P-f下垂控制時(shí)出現(xiàn)的荷電狀態(tài)(SOC)不平衡問題，提出一種分布式下垂控制。
該方案通過在傳統(tǒng)的P-f下垂控制基礎(chǔ)加入SOC平衡因子控制逆變器輸出的有功功率，從而實(shí)現(xiàn)不同容量的DESS充電和放電過程中SOC平衡，并且在SOC平衡過程中頻率不會(huì)發(fā)生偏移。當(dāng)SOC平衡以后，SOC平衡因子為1，控制算法自動(dòng)變?yōu)閭鹘y(tǒng)的P-f下垂控制。由于下垂系數(shù)一般很小，頻率可以保持在規(guī)定的范圍(±1%)內(nèi)。
此外，通過調(diào)節(jié)SOC的下垂系數(shù)，可以調(diào)節(jié)SOC的平衡速度。最后，不同工況下的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方案的有效性。
隨著環(huán)境問題的加劇和人們環(huán)保意識(shí)的提高，由具有清潔、可再生性、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)的光伏、風(fēng)機(jī)等可再生能源(Renewable Energy Sources, RES)組成的微電網(wǎng)逐步發(fā)展起來[1]。微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，光伏、風(fēng)機(jī)等RES和分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)(Distributed Energy Storage Systems, DESS)(蓄電池)通過逆變器并聯(lián)接入交流電網(wǎng)。
微電網(wǎng)通過靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(Static Transfer Switch, STS)與公共電網(wǎng)連接于公共耦合點(diǎn)(Point of Common Coupling, PCC)。STS斷開時(shí)微電網(wǎng)處于孤島模式;STS閉合時(shí)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)模式。由于微電網(wǎng)中的RES具有間歇性、隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，孤島微電網(wǎng)中含有蓄電池、超級(jí)電容等儲(chǔ)能單元[2]。
為了實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的擴(kuò)容和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)內(nèi)一般含有多個(gè)DESS。由于生產(chǎn)DESS的原材料及生產(chǎn)工藝等方面的原因造成了DESS的初始荷電狀態(tài)(Stateof Charge, SOC)一般是不同的。另一方面，由于微電網(wǎng)線路長度和老化程度的不同，微電網(wǎng)的線路阻抗Zi一般是不相等的。
由于微電網(wǎng)的線路阻抗Zi和DESS的初始SOC的不同，DESS的逆變器采用傳統(tǒng)的下垂控制時(shí)在充電或者放電過程中的SOC是不平衡的[3]。SOC不平衡會(huì)導(dǎo)致微電網(wǎng)某個(gè)DESS先放完電再退出系統(tǒng)，從而加快剩余的DESS的放電速度，縮短DESS的使用壽命。當(dāng)剩余的DESS的容量不足以支持系統(tǒng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰[4]。此外，DESS是微電網(wǎng)中比較昂貴的成分。因此，實(shí)現(xiàn)DESS的SOC平衡是十分必要的。
為了實(shí)現(xiàn)電池SOC平衡，文獻(xiàn)[5,6]提出一種基于電池管理系統(tǒng)(Battery Management System, BMS)的SOC平衡控制策略，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池組內(nèi)部各個(gè)蓄電池單元之間SOC平衡，但是這些方案并不適用于DESS。
為了實(shí)現(xiàn)DESS的SOC平衡，文獻(xiàn)[7-13]提出了功率變換器(Power Converter System, PCS)的方案，這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線，能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用功能，所以被廣泛研究。
文獻(xiàn)[7,8]提出一種基于下垂控制的直流微電網(wǎng)DESS的SOC平衡方案，通過改變下垂系數(shù)實(shí)現(xiàn)SOC平衡，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率均分，但是該方案基于P-E下垂控制，不適用于采用P-f下垂控制的交流微電網(wǎng)。
文獻(xiàn)[9-11]提出一些基于P-f下垂控制的交流微電網(wǎng)DESS的SOC平衡方案，但SOC平衡過程中會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的頻率偏移，需要加入額外的頻率恢復(fù)方案來恢復(fù)頻率。此外，這些方案沒有考慮充電過程SOC平衡問題。文獻(xiàn)[12]利用一種級(jí)聯(lián)H橋電路獲得SOC平衡，但是該方案電路復(fù)雜，需要集中控制器，增加了系統(tǒng)的成本且控制復(fù)雜。
文獻(xiàn)[13]提出一種基于分布式控制的SOC平衡方案，利用低帶寬通信線來傳遞各個(gè)變量的信息，該方案計(jì)算量大且控制復(fù)雜，同時(shí)，導(dǎo)致頻率發(fā)生偏移。
本文提出一種分布式下垂控制來實(shí)現(xiàn)DESS的SOC平衡。所提方案的優(yōu)點(diǎn)在于能實(shí)現(xiàn)不同容量DESS充、放電過程中的SOC平衡，并且所提方案在SOC平衡中不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的頻率偏移。通過調(diào)節(jié)SOC的下垂系數(shù)可以調(diào)節(jié)SOC的平衡速度。
結(jié)論
本文提出一種分布式下垂控制來實(shí)現(xiàn)孤島交流微電網(wǎng)中DESS的SOC平衡。通過將SOC平衡因子以乘法關(guān)系加入到傳統(tǒng)的下垂控制中，對(duì)逆變器輸出的有功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)DESS的SOC平衡。
該方案不但實(shí)現(xiàn)了DESS充電和放電過程中的SOC平衡，在SOC平衡過程中頻率不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的偏移并且可以保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)下垂系數(shù)kSOC可以調(diào)節(jié)SOC的平衡速度。
文章來源：電工技術(shù)學(xué)報(bào)
