多參數(shù)約束分布式儲(chǔ)能逆變并聯(lián)均衡控制

摘 要： 為解決分布式儲(chǔ)能逆變并聯(lián)系統(tǒng)功率分配受儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)影響的問題，通過建立逆變并聯(lián)下垂系數(shù)與儲(chǔ)能系統(tǒng)剩余電量、系統(tǒng)端電壓、放電時(shí)長、額定容量之間的函數(shù)表達(dá)，并結(jié)合剩余電量無跡卡爾曼濾波估計(jì)算法和虛擬電感下垂控制算法，提出一種新的多參數(shù)約束分布式儲(chǔ)能逆變并聯(lián)均衡控制策略。在多種工況下樣機(jī)測(cè)試和仿真實(shí)驗(yàn)表明，新算法能夠提高儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配均衡度性，通過對(duì)同容量不同SOC 初值、不同容量以及突增負(fù)載等工況進(jìn)行分析驗(yàn)證，在突增負(fù)載工況下電流控制精度較為明顯提升約0.6%，且無畸變。在剩余電量、端電壓、額定容量等存在偏差的狀況下，并聯(lián)功率均能夠自動(dòng)完成動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)SOC 的均衡控制。最后通過等比例實(shí)物驗(yàn)證，結(jié)果實(shí)現(xiàn)均衡效果。

關(guān)鍵詞： 分布式儲(chǔ)能; 無跡卡爾曼濾波; 儲(chǔ)能逆變并聯(lián); 虛擬電感; 多參數(shù)約束

中圖分類號(hào)： TB9; TM464; TM919 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674–5124（2024）10–0035–07

0 引 言

分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)由于具有功率響應(yīng)快、功率雙向流通、調(diào)控靈活及選址布局方便等優(yōu)勢(shì)[1]，是解決分布式微電網(wǎng)存在的新能源消納能力弱、抗負(fù)載沖擊能力有限、源荷功率波動(dòng)大等問題的重要手段，在全電化船舶微電網(wǎng)、分布式新能源發(fā)電、智能配電網(wǎng)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用[2-3]。

受儲(chǔ)能電池容量、端電壓、剩余電量（state ofcharge， SOC）、電池健康狀態(tài)（state of health， SOH）等參數(shù)影響，SOH 可由電池當(dāng)前容量、電量、內(nèi)阻、循環(huán)次數(shù)和峰值功率與額定參數(shù)之間偏差百分比決定。由此可見，隨著電池使用時(shí)間增加，傳統(tǒng)固定下垂分配系數(shù)的分布式儲(chǔ)能功率分配準(zhǔn)確性會(huì)受到較大的影響，容易導(dǎo)致單個(gè)儲(chǔ)能單元電量消耗過快而退出并聯(lián)運(yùn)行，使得分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)源載功率不匹配而難以穩(wěn)定運(yùn)行。

文獻(xiàn)[4] 提出一種應(yīng)用于直流微電網(wǎng)的基于各電池電壓SOC 分段的均衡控制策略，并通過卡爾曼濾波算法提高SOC 估計(jì)值的準(zhǔn)確性。但是只考慮了開路電壓，并不能完全反映運(yùn)行過程中SOC 的變化。文獻(xiàn)[5] 在下垂系數(shù)中引入反正切函數(shù)，基于反正切函數(shù)單調(diào)性加速SOC 均衡速度，同時(shí)引入母線電壓積分補(bǔ)償法，彌補(bǔ)下垂造成的電壓降低。但安時(shí)積分法估計(jì)SOC 的準(zhǔn)確性以及通信的實(shí)時(shí)性是有待考慮的一點(diǎn)。文獻(xiàn)[6] 針對(duì)分布式儲(chǔ)能逆變并聯(lián)系統(tǒng)提出多約束條件下的無功功率、有功功率相結(jié)合的電壓、頻率下垂調(diào)節(jié)方法，使電壓、頻率恢復(fù)到可以接受的范圍。文獻(xiàn)[7] 研究了在傳統(tǒng)下垂控制中抑制空載有功分量和空載無功分量對(duì)SOC平衡的影響，可以進(jìn)行不同容量單元的SOC 均衡，但是沒有對(duì)電壓等參數(shù)進(jìn)行約束，容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定電壓崩潰。文獻(xiàn)[8] 提出一種基于剩余能量（state of energy， SOE） 的下垂方法，將傳統(tǒng)的下垂控制中的SOC 變量更換為剩余能量SOE，可以考慮電壓、電流參數(shù)對(duì)功率分配準(zhǔn)確性的影響。但是目前對(duì)于SOE 估算的準(zhǔn)確性仍然是眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[9] 提出目前常用的SOC 估計(jì)算法包括：查表法、安時(shí)積分法、電池模型+狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)法等。文獻(xiàn)[10-11] 通過對(duì)SOC 估算分析，開展了擴(kuò)展卡爾曼濾波（extended Kalman filter， EKF）和無跡卡爾曼濾波（unscented Kalman filter， UKF）狀態(tài)估計(jì)，進(jìn)一步提高了功率分配的準(zhǔn)確性。

本文綜合考慮剩余電量、端電壓、放電時(shí)長、額定容量多個(gè)狀態(tài)及物理參數(shù)對(duì)功率分配準(zhǔn)確性的影響，建立了下垂系數(shù)函數(shù)的非線性表達(dá)，提出一種基于時(shí)間預(yù)測(cè)的多參數(shù)約束分布式儲(chǔ)能逆變并聯(lián)均衡控制方法，通過對(duì)各個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和信息交互進(jìn)行分布式控制。克服傳統(tǒng)控制方法容易導(dǎo)致的過充過放、儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命銳減問題，并通過無跡卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)了SOC 狀態(tài)的準(zhǔn)確估計(jì)，進(jìn)一步提高了分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配的準(zhǔn)確性。仿真實(shí)驗(yàn)表明，在多種工況下，可以實(shí)現(xiàn)逆變并聯(lián)控制，并且在SOC 動(dòng)態(tài)均衡的調(diào)節(jié)下，系統(tǒng)可運(yùn)行時(shí)間得到顯著增長。最后通過實(shí)物驗(yàn)證進(jìn)行分析。

1 分布式儲(chǔ)能逆變并聯(lián)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

分布式儲(chǔ)能逆變并聯(lián)系統(tǒng)由多個(gè)不同容量鋰電池經(jīng)過DC-DC（ DAB） 變換器升壓后通過單相DC/AC 變流器輸出接于同一交流母線端口形成離網(wǎng)交流并聯(lián)系統(tǒng)，其總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

多個(gè)儲(chǔ)能單元通過DC/AC 逆變器逆變輸出并聯(lián)。在傳統(tǒng)固定下垂系數(shù)或主從控制方式中，功率分配很少考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)剩余電量、端電壓、放電時(shí)長、額定容量等狀態(tài)參量對(duì)功率分配準(zhǔn)確性的影響，容易導(dǎo)致由于單個(gè)儲(chǔ)能單元功率分擔(dān)過大而退出并聯(lián)運(yùn)行，嚴(yán)重影響分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的帶負(fù)載能力和全系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。