直流配電網(wǎng)中多退役電池儲能組并聯(lián)的協(xié)調(diào)控制

張華，蘇學能，萬承寬

(1. 國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，成都610000；2. 成都星河科技責任有限公司，成都610041)

0 引言

隨著化石能源的逐漸枯竭和世界各國電池技術(shù)的進步，電動汽車開始得到廣泛的普及和應用[1 - 2]。然而，充放電次數(shù)的增加會使電池性能不斷下降。當動力電池的荷電狀態(tài)(state of charge，SoC)降至80%時，它們將無法滿足電動汽車的嚴格要求[3 - 4]。隨著電動汽車數(shù)量的增加，越來越多的鋰離子電池出現(xiàn)了不同程度的電池老化、容量衰減和一致性降低的問題，導致無法充分發(fā)揮最大的經(jīng)濟效益[5 - 7]。因此，鑒于配電網(wǎng)電化學儲能系統(tǒng)對電池性能要求較低的特點，將退役電池二次利用作為配電網(wǎng)儲能系統(tǒng)是一種很好的方法[8 - 9]，可以充分挖掘其剩余價值，獲得更大的經(jīng)濟和社會價值。

近年來，退役動力電池作為儲能系統(tǒng)在直流配電網(wǎng)中的二次利用得到了迅速的應用和發(fā)展。由于電池電壓差大、異質(zhì)性多樣化的特點，傳統(tǒng)的集中式拓撲難以實現(xiàn)不同類型和梯度的退役電池重組。因此，通常需要提前對退役電池進行篩選和分組以形成儲能系統(tǒng)，并將其應用于直流配電網(wǎng)[10]。文獻[11]提出了一種基于機器學習算法的模塊級快速排序和重組方法。通過研究充電曲線與電池剩余有效容量之間的相關(guān)性，采用基于支持向量機的快速排序模型對電池容量進行評估，并采用改進的k-均值算法對退役電池進行重組。文獻[12]建立了從單個電池到電池模塊的相關(guān)函數(shù)，根據(jù)電池模塊的參數(shù)描述退役動力電池的外部特性，利用最小二乘法對剩余壽命周期健康狀態(tài)(state of health, SoH)曲線進行擬合和排序。

因此，帶變流器的多支路拓撲在退役電池二次利用中顯示出更明顯的體系結(jié)構(gòu)優(yōu)勢[13 - 14]。在直流配電網(wǎng)中，多分支儲能系統(tǒng)通過在直流母線上并聯(lián)多個DC/DC轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。這種拓撲結(jié)構(gòu)不僅具有良好的兼容性，而且具有很強的可擴展性，特別適用于光伏等可再生能源發(fā)電的接入，但它主要考慮不同的退役電池儲能系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)應用，沒有涉及各儲能系統(tǒng)中每個退役電池的最佳運行[15 - 16]。

退役電池儲能系統(tǒng)運行期間健康狀態(tài)的一致性是不同退役電池二次利用的關(guān)鍵因素之一[17 - 20]。由于退役動力電池退役前的不同應用場景和運行條件，SoH和SoC也將有所不同[21 - 22]。這種不一致性將導致并聯(lián)儲能充放電過程中的“馬太效應”。更具體地說，SoC最低的儲能電池組最先耗盡，SoC最高的儲能電池組最先充滿電[23]，這不僅導致儲能系統(tǒng)容量的無效利用，但也使SoC較低的電池保持在高放電深度(depth of discharging，DoD)循環(huán)中[24]。退役電池劣化速度加劇，系統(tǒng)運行壽命和效率進一步降低。因此，根據(jù)各退役電池儲能組的充放電特性，采用協(xié)調(diào)控制策略，確保SoH逐漸趨于一致，直到儲能組停運退役。針對由普通蓄電池組成的儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，已有一些研究成果。文獻[25]提出了一種基于分布式多智能體共識的控制算法，以實現(xiàn)SoC軌跡跟蹤控制、經(jīng)濟負荷分配、有功和無功功率共享控制以及電壓和頻率調(diào)節(jié)作用。文獻[26]提出了一種基于SoC的分散下垂控制方法，實現(xiàn)了比例負載功率共享。這樣，SoC越高的電池提供的負載功率越大，SoC越低的電池提供的負載功率越小[27]。然而，在上述控制方法中，未考慮由退役電池構(gòu)成的儲能組所具有的特性。

因此，本文提出了一種適用于直流配電網(wǎng)的多退役電池組并聯(lián)的新型拓撲結(jié)構(gòu)及其控制方法。這種拓撲結(jié)構(gòu)有利于多退役電池儲能組能夠通過電池重組和協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)單個退役電池的優(yōu)化運行，以及退役電池儲能組之間的協(xié)調(diào)運行。通過一致性算法獲取全局退役電池SoH，調(diào)整各個儲能組中退役電池的投切開關(guān)。同時，基于二次電壓恢復控制。根據(jù)工作退役電池的SoC分布，調(diào)整儲能器組中DC/DC變換器的下垂系數(shù)，從而實現(xiàn)儲能組之間退役電池SoC的一致性，并優(yōu)化組內(nèi)退役電池的SoH。

1 多退役電池儲能組并聯(lián)運行系統(tǒng)拓撲

本文研究的新型多并聯(lián)退役電池儲能組拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，每個儲能組通過雙向DC/DC變換器連接到直流配電網(wǎng)，多個儲能組可以同時并聯(lián)運行。

圖1 多退役電池的儲能組并聯(lián)的拓撲Fig.1 Topology of parallel energy storage banks with multiple retired batteries

該拓撲結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點。

1)利用率高。該拓撲兼顧儲能組中每個蓄電池特性的差異(包括電壓、容量、SoH和SoC)，退役電池可以根據(jù)需要通過斷路器K連接至儲能組，避免了“馬太效應”造成的容量浪費。

2)轉(zhuǎn)換效率高。在該拓撲中，多個退役電池串聯(lián)形成能量存儲組，由于每個儲能組中只有一個DC/DC電源轉(zhuǎn)換器，因此轉(zhuǎn)換效率高于為每個退役電池配備DC/DC轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)。

3)兼容性強。即使每個回收電池的終端電壓不同，回收電池也可以通過串聯(lián)在直流母線上并聯(lián)運行。也就是說，可以混合使用性能和容量不同的回收電池。

4)結(jié)構(gòu)簡單。每個DC/DC轉(zhuǎn)換器的占空比可通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，以確保從儲能組到直流母線的電壓輸出基本相同，從而基本上消除了組間的循環(huán)電流，而不依賴于復雜的蓄電池管理系統(tǒng)。

當配備有多個退役電池儲能組的直流配電網(wǎng)系統(tǒng)運行時，直流配電網(wǎng)通常向本地負載供電，儲能電池組可根據(jù)調(diào)度中心的指令實現(xiàn)電力穩(wěn)定。另一方面，儲能系統(tǒng)還可以根據(jù)直流母線電壓自動輸出或吸收功率，當直流配電網(wǎng)發(fā)生故障時，配電網(wǎng)斷路器斷開，儲能組可在應急電源模式下運行，為本地負荷提供應急電源。

2 多退役電池儲能組并聯(lián)運行下直流配電網(wǎng)下垂特性分析

在直流配電系統(tǒng)中，通常對儲能設(shè)備采用基于電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的下垂控制方法。不同容量的儲能組可以根據(jù)下垂系數(shù)自動按比例分配輸出或吸收功率，并將直流母線電壓保持在一定范圍內(nèi)，具有控制簡單，無需通信的優(yōu)點。

本文對各儲能組的DC/DC變換器采用下垂控制，如式(1)所示。

VDC,ref=VDC,0+mPES

(1)

式中：PES為儲能組的輸出/吸收功率；m<0, 為下垂控制系數(shù)；VDC,0為直流母線電壓的額定值；VDC,ref為儲能組DC/DC電壓控制環(huán)參考電壓。

在多個儲能組并聯(lián)運行下，以兩個為例進行分析，在采用(1)所示的下垂控制方法下，則有：

VDC,1=VDC,0+m1PES，1

(2)

VDC,2=VDC,0+m2PES，2

(3)

考慮直流配電網(wǎng)中各個儲能組之間存在線路電阻的情況下，式(2)—(3)可改寫為如下形式。

(4)

(5)

式中：Rline,1和Rline,2分別為儲能組1和儲能組2和直流配電網(wǎng)母線的之間的線路電阻。

由并聯(lián)運行可得VDC,1=VDC,2，因此兩個儲能組之間具有式(6)所示關(guān)系。

(6)

因此，采用下垂控制的多個儲能組并聯(lián)運行下的直流配電網(wǎng)存在以下局限性。

1)功率分配精度受到線路電阻影響，功率分配比值由m1/m2=PES,2/PES,1變?yōu)槭?6)，其功率分配精度下降；

2)直流配電網(wǎng)母線電壓降落由m1PES1變?yōu)閙1PES1+m1Rline1/VDC,0，其電壓降落增大。

3 多退役電池儲能組協(xié)調(diào)控制方法

3.1 基于離散一致性算法的二次電壓恢復

為了消除多組儲能電池系統(tǒng)中組與組之間存在的線路電阻和下垂控制本身造成的電壓偏差，本文基于平均電壓偏差設(shè)計了一個電壓二次恢復控制器。令xi代表退役電池i的狀態(tài)變量，退役電池只與其鄰居節(jié)點通信，當且僅當所有退役電池的狀態(tài)變量相同時，系統(tǒng)達到一致收斂。其算法為[28]：

(7)

式中：ui(t)為退役電池i的輸入變量，由鄰居退役電池根據(jù)通信反饋決定，即為：

(8)

式中aij為退役電池連接圖的鄰接矩陣元素。

然而在實際的應用中，由于數(shù)據(jù)在計算、采樣、傳輸以及控制過程中均需要時間。因此，連續(xù)的時間不再使用。將時間進行離散化，得到離散一致性算法為：

(9)

式中：dij為系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣參數(shù)；k為數(shù)組索引。

當dij構(gòu)造成的矩陣為雙隨機矩陣時，xi一致收斂于系統(tǒng)某一均衡點。該均衡點與系統(tǒng)初值相關(guān)，可由式(10)描述。

(10)

一致性算法的收斂速度取決于dij構(gòu)造的系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣D矩陣的本質(zhì)譜半徑ρ(D)， 定義為：

Esr(D)=max{|λ|,λ∈ρ(D)}

(11)

式中Esr(D)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣D的第二大特征值。

本質(zhì)譜半徑的大小及結(jié)構(gòu)決定了收斂的模式及速度。本文采用的dij構(gòu)造方法如式(12)所示[29]。

(12)

本文提出的二次電壓恢復控制方法在原有的儲能組DC/DC下垂控制的基礎(chǔ)上加入了平均電壓偏差進行修正。DC/DC電壓外環(huán)參考值計算方法如式(13)所示。

VDC,ref=VDC,0+mPES+ΔV[∞]

(13)

首先，定義儲能組DC/DC輸出電壓差ΔV為：

ΔV=Vave-VDC

(14)

式中：Vave為直流配電網(wǎng)平均額定電壓；Vave=VDC,0-ΔVave；ΔVave為本文自定義允許偏差值。

為了使得各個儲能組的輸出電壓差最終能夠收斂到系統(tǒng)平均電壓偏差值，對每個儲能電池組的DC/DC變換器設(shè)置同步時鐘，該時鐘能夠產(chǎn)生一個周期脈沖，以次驅(qū)動儲能組DC/DC輸出電壓差計算及電壓信息一致迭代，從而達到恢復由下垂系數(shù)帶來的直流配電網(wǎng)平均電壓差。

因此，各儲能電池組計算得到ΔV后，將該值作為初值，下一個時鐘產(chǎn)生的周期脈沖作用下進行一致性迭代，迭代公式如式(15)所示。

(15)

經(jīng)過若干次迭代后，每個儲能組輸出電壓差將一致收斂于全網(wǎng)平均電壓差ΔV[∞]，其收斂判據(jù)為：

(16)

式中：M為迭代的次數(shù)，取值范圍為1～5；ε為收斂閾值，數(shù)量級為10-2。

基于離散一致性算法的儲能組二次電壓恢復控制框圖如圖2所示。

圖2 基于離散一致性算法的二次電壓恢復控制拓撲Fig.2 Topology of voltage recovery control based on discrete consensus algorithm

DC/DC變換器為雙向Buck-Boost變換器，外環(huán)為基于下垂控制的電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。外環(huán)參考值由式(13)得到，一致性迭代按照式(15)更新，由式(16)判斷是否進行輸入。DC/DC變換器的開關(guān)管Q1和Q2通過電流內(nèi)環(huán)輸出值進行脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation, PWM)。

3.2 基于全局退役電池SoH的投切控制

SoH是電池老化和衰減過程的一個重要指標。SoH主要受蓄電池電壓、截止電壓、溫度、電流比等因素的影響。由于本文研究對象為基于退役電池的儲能系統(tǒng)，因此有必要建立退役電池的衰減機制。

假設(shè)當蓄電池的初始SoH為100%，記錄從100%衰減到80%的總循環(huán)數(shù)次數(shù)。根據(jù)該循環(huán)次數(shù)可得，電池相對于充電/放電循環(huán)數(shù)SoH滿足主要函數(shù)關(guān)系為：

SOH=-kt+B

(17)

式中：k為擬合函數(shù)的斜率；t為蓄電池充電/放電循環(huán)次數(shù)；B為擬合函數(shù)的常數(shù)項。這些參數(shù)均可通過電池退役前的歷史數(shù)據(jù)得到。

上述方法需要知道蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù)，不適用于儲能組的實時控制，因此，本文采用的SoH更新方式為：

取同一批供試品溶液各 10 μL，分別于1.4，1.5，1.6 mL/min流速下進樣，測定的有關(guān)物質(zhì)結(jié)果分別為0.05%，0.06%，0.06%；在流動相V（磷酸鹽緩沖液）：V（甲醇）：V（四氫呋喃）分別為 575∶335∶90，587∶323∶90 與 600∶310∶90 的條件下進樣，所測定的有關(guān)物質(zhì)結(jié)果分別為0.07%，0.06%及0.06%；將色譜柱更換為DikmaInertsilC8（4.6 mm×75 mm，3 μm），測定的有關(guān)物質(zhì)結(jié)果為0.05%。上述試驗結(jié)果表明該方法的系統(tǒng)耐用性良好。

(18)

式中：ΔC為單次充放電下的容量變化量；ΔSOC為單次充放電下的SoC變化量；CN為額定容量。

各蓄電池組收集其組內(nèi)的退役電池SoH，并計算得到自身組內(nèi)退役電池的SoH平均值。該平均值通過建立的通信網(wǎng)絡(luò)向其他儲能組傳輸，從而獲得全局退役電池平均SoH。儲能組SoH平均值更新方式為：

(19)

經(jīng)過若干次迭代后，每個儲能組SoH將一致收斂于全局退役電池SoH平均值SOH,ave，其收斂判據(jù)為：

(20)

各儲能組根據(jù)得到的SOH,ave對其組內(nèi)的退役電池進重組，其投切方法為：

(21)

3.3 基于多儲能組SoC的下垂系數(shù)實時調(diào)整

由于下垂特性下，功率分配比和下垂系數(shù)相關(guān)。因此，只要將下垂系數(shù)設(shè)置為與SoC相關(guān)參數(shù)，輸出或吸收功率就可以與儲能組的剩余容量成比例，實現(xiàn)充電情況下，SoC高的儲能組吸收功率小；放電情況下，SoC高的儲能組輸出功率大。

SoC的估計方法有安培-小時積分法、卡爾曼濾波法、開路電壓法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。結(jié)合本文提出的控制方法，開路電壓法可以更方便地估計退役電池的剩余容量。由于退役電池的參數(shù)不精確，需要重新測量開路電壓(open circuit voltage，OCV)，再根據(jù)OCV與SoC之間的關(guān)系來描述電池特性。根據(jù)等效模型電路，失效電池的端子電壓滿足式(22)所示關(guān)系。

Vbat=Voc±RoIbat

(22)

式中：Voc為退役電池在當前SoC下的開路電壓；Ibat和Ro分別為電池的工作電流和內(nèi)阻。

由于電池SoC與OCV之間存在非線性關(guān)系，通過數(shù)據(jù)擬合方法可以得到電池SoC與OCV之間的關(guān)系函數(shù)。本文采用7次多項式擬合，其形式為：

(23)

式中：a、b、c、d、e、f、g、h為擬合參數(shù)；SOC為電池的荷電狀態(tài)。

根據(jù)擬合的非線性多項式函數(shù)，在已知電池內(nèi)部充放電電阻的情況下，可根據(jù)退役電池的測得的開路電壓估計其SoC。

因此，重組后的退役電池儲能組的下垂系數(shù)為：

(24)

式中kc和kd分別為充電和放電下的系數(shù)。

3.4 所提協(xié)調(diào)控制方法流程圖

協(xié)調(diào)控制方法的總體流程如圖3所示。

圖3 所提協(xié)調(diào)控制方法流程圖Fig.3 Flow chart of proposed coordinated control method

1)步驟1：系統(tǒng)中每個退役電池儲能組根據(jù)式(18)計算得到自身健康狀態(tài)變量SoH；

2)步驟2：各個退役電池儲能組根據(jù)式(19)獲得系統(tǒng)中所有退役電池健康狀態(tài)變量的平均值SOH,ave；

3)步驟3：比較SOH和SOH,ave，選擇大于平均值的退役電池進行工作，控制對應的斷路器K將其放入儲能組；

4)步驟4：重組后的儲能組根據(jù)式(23)計算投入到儲能電池組中退役電池的荷點狀態(tài)SOC；

5)步驟5：根據(jù)式(24)設(shè)置DC/DC轉(zhuǎn)換器的下垂系數(shù)與SoC成比例，使得儲能組的充電功率和SoC成反比，和放電功率成正比；

6)步驟6：根據(jù)式(13)計算得到儲能組DC/DC變換器電壓外環(huán)參考值，使用PWM技術(shù)對其開關(guān)管進行控制。

4 所提協(xié)調(diào)控制方法穩(wěn)定性分析

由于本文所提控制方法涉及分布式控制，而通信延時是影響分布式控制穩(wěn)定性的重要因素。因此，將式(9)所示的離散一致性算法改寫為含有通信延時的一致性迭代方程，即為：

(25)

式中τ為本文所假定的通信延時。

根據(jù)式(25)即可分析通信延時對所提控制策略的性能：根據(jù)τ的大小，其對控制策略性能的影響不同。如果通信延時τ小于時鐘脈沖周期，控制策略性能不收影響。這是由于本文采用的離散控制決定的。

如果通信延時τ大于時鐘脈沖周期，此時控制策略對系統(tǒng)的影響主要是由于一致性收斂效果帶來的。若D的對角元素不全為0，則系統(tǒng)仍能收斂，控制策略性能不受影響。

一致收斂的性能由矩陣Z決定，可表示為：

(26)

式中：A為D的對角矩陣，F(xiàn)=D-A。

該矩陣對控制策略性能如下：若Esr(Z)對應的特征值為實數(shù)，則收斂速度呈指數(shù)；若Esr(Z)對應的特征值為共軛復數(shù)，則收斂速度按幅值衰減。本文采用的如式(12)所示的D，保證了對角元素不為0，且為雙隨機矩陣，因此所提控制策略可靠。

5 仿真分析

為驗證所提出的協(xié)調(diào)控制方法的有效性，搭建直流配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和平臺如圖4所示。圖4所示的直流配電網(wǎng)系統(tǒng)有3組退役的電池儲能組，每組由不同容量和端電壓的退役電池通過開關(guān)K的控制串聯(lián)而成。為了結(jié)合實際情況更清楚地驗證所提出的協(xié)調(diào)控制方法的有效性，將各儲能組作為一個獨立的系統(tǒng)進行了仿真實驗。所研究系統(tǒng)的初始工作條件和參數(shù)如表1所示。

圖4 測試系統(tǒng)的配置 Fig.4 Configuration of tested system

表1 退役電池儲能電池組的參數(shù)Tab.1 Parameters of retired battery-based energy storage bank

在仿真實驗驗證中，直流配電網(wǎng)的額定直流電壓為400 V，系統(tǒng)用電量按季節(jié)和工作日動態(tài)劃分。春季單個工作日用電需求P設(shè)定為75 kW，非工作日用電需求P設(shè)定37.5 kW。夏季單個工作日用電需求P設(shè)定為100 kW，非工作日用電需求P設(shè)定為50 kW。秋冬兩季單工作日用電需求P設(shè)定為50 kW，非工作日用電需求P設(shè)定為25 kW。不同季節(jié)的電力需求如圖5所示。

圖5 不同季節(jié)的電力需求Fig.5 Electricity demand in different seasons

下文對春季運行結(jié)果進行了詳細的分析和描述，闡述了所提出的協(xié)調(diào)控制方法的有效性。其他工況下的結(jié)果相似，本文不再重復。

5.1 直流電壓波動性分析

首先，繪制了所研究系統(tǒng)中直流電壓的運行結(jié)果，如圖6所示。可以看出，在系統(tǒng)運行期間，由于所需功率的變化，在所提出的協(xié)調(diào)控制方法下，直流電壓始終可以保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。根據(jù)直流配電網(wǎng)的標準要求，直流電壓的波動范圍約為額定電壓的±5%。結(jié)果中顯示的最大和最小直流電壓波動分別為415 V和395 V，波動范圍為-4%～4%。因此，可以認為，在所提出的協(xié)調(diào)控制方法下，被測系統(tǒng)能夠穩(wěn)定供電。

圖6 直流電壓測試結(jié)果Fig.6 Results of DC voltage test

5.2 充電/放電模式下功率切換

系統(tǒng)中每個退役電池儲能組的功率運行結(jié)果如圖7所示。

圖7 基于退役電池的儲能組電源充放電狀態(tài)Fig.7 Charge and discharge state of retired battery-based energy storage bank power

結(jié)合圖7，可知在系統(tǒng)運行期間，由于所需功率的變化，在所提出的協(xié)調(diào)控制方法下，儲能組的放電/充電功率不同。這是因為DC/DC變換器采用的下垂控制，使儲能器組能夠根據(jù)系統(tǒng)的功率不足輸出/輸入相應的功率。同時，從圖7可以看出，各儲能組在充放電狀態(tài)下的功率也不同，本文提出的協(xié)調(diào)控制方法能夠根據(jù)蓄電池組中工作的退役電池的SoC進行功率分配。0～5 s內(nèi)，儲能系統(tǒng)工作在放電狀態(tài)，在這種情況下，SoC較大的儲能組將承受更多的負載功率。因此，儲能組2在0～5 s承擔了主要的電量輸出，儲能組1和3的輸出功率基本相同。5 s后，系統(tǒng)從儲能放電狀態(tài)切換到充電狀態(tài)。在這種情況下，SoC越大的儲能組吸收的功率越小。儲能組2由于剩余電量最多，SoC最高， 5 s后的充電功率最小。

5.3 SoH分析

最后，給出了系統(tǒng)中每個退役電池的SoH結(jié)果，如圖8所示。通過根據(jù)SoC分配充電和放電功率，可以看出每個退役電池在運行期間的充電和放電功率是不同的。SoC越大的儲能組在放電狀態(tài)下輸出的功率越大，而SoC越小的儲能組只需要輸出相對較小的功率。

圖8 所有退役電池的SoH結(jié)果Fig.8 Results of all retired battery’s SoH

在使用所提出的協(xié)調(diào)控制方法時，系統(tǒng)將根據(jù)退役電池的SoH覺得其工作狀態(tài)，所有退役電池的聯(lián)合輸出將切換為部分退役電池輸出。結(jié)果表明，系統(tǒng)中所有退役電池的SoH漸近收斂到相同值，直到系統(tǒng)中所有退役電池的SoH一致，每個儲能組的充電和放電都與SoC成比例。該系統(tǒng)將能夠最大限度地發(fā)揮退役電池的經(jīng)濟效益，避免儲能電池組過度充電和放電。

5.4 實驗分析

由于受到實驗條件的限制，本文僅對單組內(nèi)退役電池的投切進行了實驗驗證，多組退役電池儲能系統(tǒng)的投切同理。基于圖4(b)的測試實驗平臺，對表1中儲能組1進行了投切實驗測試。圖9所示為儲能組1的充放電實驗結(jié)果圖。圖9(a)為充電情況下退役電池投切波形，圖9(b)為放電情況下退役電池的投切結(jié)果。

圖9 儲能組放電實驗結(jié)果Fig.9 Experiment results of charging/discharging condition

圖9(a)中儲能組1首先由退役電池E31投入進行工作，在T0時刻投入了退役電池E21，此時E21開關(guān)兩端電壓由0上升為48 V，且開關(guān)狀態(tài)由K21=0，K′21=1改變?yōu)镵21=1，K′21=0。圖9(b)中儲能組1首先由退役電池E21和E31共同投入工作，在t0時刻增加了退役電池E11的投入，此時E11開關(guān)兩端電壓由0上升為110 V，且開關(guān)狀態(tài)由K11=0，K′11=1改變?yōu)镵11=1，K′11=0。同理，本文依次對儲能組2和儲能組3進行了相同的實驗測試。

實驗結(jié)果表明，不同開關(guān)短時切換下退役電池組在充電、放電模式下端電壓都介于較小的變化范圍，表明其電壓端特性都比較穩(wěn)定可控，也間接驗證了所提下垂系數(shù)調(diào)整模式下協(xié)調(diào)控制策略的有效性。

6 結(jié)論

針對退役電池SoH不一致的問題，本文提出了一種應用于直流配電網(wǎng)的退役電池儲能組的并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)及其控制方法，可以實現(xiàn)直流配電網(wǎng)中多個退役電池儲能組的協(xié)同運行，并通過控制退役電池的運行狀態(tài)來優(yōu)化退役電池的性能。經(jīng)實驗分析，驗證了所提控制策略的可行性和有效性。

1)采用基于離散一致性的二次電壓恢復控制解決了由下垂控制和線路電阻引起的母線電壓偏差。

2)采用離散一致性算法獲得全局退役電池平均SoH，選擇SoH良好的單個退役電池投入儲能組中優(yōu)先輸出，實現(xiàn)了全局退役電池SoH優(yōu)化。

3)基于工作中的退役電池SoC，實時調(diào)整儲能組下垂控制系數(shù)，分配儲能組之間的功率，實現(xiàn)了退役電池SoC一致性。

關(guān)于不同通信拓撲結(jié)構(gòu)及設(shè)計模式對所提控制方法性能的影響，將在下一步的工作中重點研究。