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摘要 “柔-儲-充”（SOP-storage-charger，SSC）裝置集柔性互聯(lián)、儲能、充電于一體，可平抑配電網(wǎng)能量波動，然而其在運行過程中需要頻繁調(diào)用儲能資源，導(dǎo)致電池大功率充放電，影響電池壽命。為此，提出一種基于可調(diào)虛擬阻抗的SSC裝置電池優(yōu)化運行策略。首先，將柔性互聯(lián)、儲能、充電均等效為虛擬阻抗，分析了配電網(wǎng)能量波動過程中的多種能量通路，通過調(diào)節(jié)虛擬阻抗有效疏導(dǎo)波動能量。在此基礎(chǔ)上，針對SSC運行特點，分別提出了各部分可調(diào)虛擬阻抗控制方法，并分析了關(guān)鍵參數(shù)的物理意義及設(shè)計原則。最后，基于硬件在環(huán)系統(tǒng)搭建實驗平臺驗證所提策略。結(jié)果表明，所提方法能夠在平抑配電網(wǎng)電壓波動的同時降低儲能系統(tǒng)的充放電電流，提高電池壽命。
1 SSC裝置基本結(jié)構(gòu)
SSC裝置由SOP、儲能、充電樁組合而成，如圖1所示。傳統(tǒng)思路多采用SOP、儲能、充電樁分離的思路，整體成本較高，且在實際運營中面臨設(shè)備利用率低的問題，導(dǎo)致資源浪費。
圖1 SSC裝置接入配電網(wǎng)示意
Fig.1 Diagram of the SSC device connected to the distribution network
進(jìn)一步分析SOP、儲能、充電樁的功率電路結(jié)構(gòu)可知，3類裝置均包含了DC/DC、DC/AC等基本功率變換單元?；谘b置復(fù)用的思路構(gòu)建SSC裝置如圖1所示，其主要包含了多個DC/DC和DC/AC變換器。SSC的外部接口包含了交流（AC）接口和直流（DC）接口。其中，AC接口與電網(wǎng)相連實現(xiàn)柔性互聯(lián)的功能，DC接口則與電池、電動汽車相連，實現(xiàn)儲能和充電的功能。
在運行中，SSC可根據(jù)工作模式靈活選用變換器和接口。圖1展示了常見的幾種工作模式，例如，當(dāng)運行在互聯(lián)模式時，多個DC/AC變換器將實現(xiàn)配電網(wǎng)互聯(lián)，當(dāng)運行在“互聯(lián)+儲能”模式時，在多個DC/AC變換器實現(xiàn)配電網(wǎng)互聯(lián)的同時，DC/DC變換器將控制電池的充放電，由于篇幅原因，其他模式不再贅述?？傊琒SC可根據(jù)具體需求實現(xiàn)SOP、儲能、充電中的一種功能或多種功能。以下將分別介紹SSC各部分的常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
SOP主要由全控型電力電子器件組成，其常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為背靠背電壓源型變流器，其特點是通過一個電容將2個變流器背靠背連接，并且兩側(cè)呈對稱結(jié)構(gòu)，如圖2所示。SOP在運行過程中，需要維持直流鏈電壓的穩(wěn)定，因此其中一側(cè)的電壓源型變流器需要工作在整流模式下，另外一側(cè)的電壓源型變流器工作在逆變模式下。其具體的控制策略根據(jù)當(dāng)前配電網(wǎng)的運行狀態(tài)而有所調(diào)整，主要包括用于功率調(diào)控的VdcQ-PQ控制和維持負(fù)載電壓穩(wěn)定的VdcQ-Vacf控制。
圖2 SSC裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
Fig.2 Topology diagram of the SSC device
儲能和充電部分均接入到SOP的直流鏈，兩者結(jié)構(gòu)類似，所不同的是，儲能需要功率雙向傳輸，而充電樁僅需要功率單向傳輸，近年來，隨著電網(wǎng)-充電樁互動技術(shù)（vehicle to grid，V2G）的發(fā)展，部分充電樁也可以采用雙向功率變換器。DC/DC直流變換器種類繁多，雙向功率變換器常見的結(jié)構(gòu)是雙向有源橋（dual active bridge，DAB），單向功率變換器常見的結(jié)構(gòu)是隔離型全橋變換器，如圖2所示。
鑒于本文主要改進(jìn)了SSC的控制算法，因此在硬件結(jié)構(gòu)部分不再贅述?？紤]到實現(xiàn)SSC的結(jié)構(gòu)有多種，本文所提控制方法稍加改造后仍可適用。
2 面向電池優(yōu)化的可調(diào)虛擬阻抗控制
在上一章SSC硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本章將主要介紹可調(diào)虛擬阻抗控制的基本思路，以及如何利用可調(diào)虛擬阻抗優(yōu)化電池的充放電策略，提升電池的壽命，并為下一章具體的控制策略奠定基礎(chǔ)。
對配電網(wǎng)而言，其自身的負(fù)荷本身具有較強的波動性，考慮到存在線路阻抗，負(fù)荷波動會導(dǎo)致配電網(wǎng)電壓的波動影響電能質(zhì)量。更為嚴(yán)重的是，新能源的強波動性、電動汽車的隨機性會導(dǎo)致配電網(wǎng)功率有正有負(fù)，最終導(dǎo)致配電網(wǎng)電壓大幅波動。柔性互聯(lián)可在空間上靈活轉(zhuǎn)移功率，實現(xiàn)不同配電網(wǎng)間的功率靈活互濟(jì)，儲能可在時間上靈活轉(zhuǎn)移功率，充電樁也可通過可調(diào)負(fù)荷的方式參與調(diào)節(jié)，這些措施均可有效抑制能量波動。如圖3所示，對于接入SSC的配電網(wǎng)而言，波動性能量流通路徑主要有3種：柔性互聯(lián)功率流通路徑、充電口功率流通路徑和儲能功率流通路徑。若想優(yōu)化電池的運行狀態(tài)，提升壽命，可以讓柔性互聯(lián)功率流通路徑、充電口功率流通路徑承擔(dān)高頻能量波動，讓儲能承擔(dān)低頻能量波動。
圖3 SSC裝置可調(diào)虛擬阻抗示意
Fig.3 Diagram of the adjustable virtual impedance of the SSC device
為此構(gòu)建如圖3所示虛擬阻抗網(wǎng)絡(luò)，將SSC等效成包含2個柔性互聯(lián)阻抗（Zsop1、Zsop2）、一個電池阻抗ZB、一個充電阻抗ZC的阻抗網(wǎng)絡(luò)，充電口和電池均等效成虛擬電壓。通過上述處理，便可在功率層面將包含DC/DC、DC/AC變換器的SSC等效成簡單的電路結(jié)構(gòu)。
3 面可調(diào)虛擬阻抗的控制策略
3.1 SOP控制策略
由于三相交流信號具有非線性、難控制和有效值無法實時反映狀態(tài)信息的特點，均不適合作為控制量。而在DQ域下的電壓分量呈直流狀態(tài)，能夠通過PI控制器進(jìn)行控制，又能實時反映電壓的變化情況，可作為控制環(huán)節(jié)輸入信號。因此，可以通過Park變換，將兩側(cè)的交流電壓變?yōu)镈Q域下的直流量，再對直流量做差進(jìn)行負(fù)反饋控制。
3.1.1 SOP輸出功率控制策略
SOP輸出功率控制策略如圖4所示。通過PLL獲得SOP兩端交流電壓的d軸分量，分別表示為u1,d和u2,d，為了讓功率根據(jù)電壓高低自動流通，可通過式（1）獲得兩側(cè)SOP的電流參考值，即
圖4 SOP裝置輸出功率控制側(cè)主要控制框圖
Fig.4 Main control block diagram of the output power control side of the SOP
式中：i2,dref為功率控制側(cè)d軸電流信號參考值；Rsop為針對SOP設(shè)定的虛擬電阻值，該值越大，相同電壓差值下的i2,dref越小。
為了降低兩側(cè)配電網(wǎng)功率突變對SSC裝置的沖擊，進(jìn)一步加入虛擬電感以平抑功率突變，即
式中：Lsop為設(shè)定的虛擬電感值，該值越大，越能平抑功率突變。
在實際應(yīng)用中，配電網(wǎng)兩側(cè)電網(wǎng)參數(shù)存在差異，其理想狀況下的電壓值也存在靜態(tài)差異，因此引入電壓偏差值Δu來體現(xiàn)配電網(wǎng)參數(shù)的差異，即
由此可通過調(diào)節(jié)虛擬阻抗Rsop、Lsop的值來調(diào)節(jié)SOP對兩端波動的平移能力。Rsop、Lsop越小，表示兩端配電網(wǎng)聯(lián)系越密切，兩端的功率互濟(jì)能力越強，能夠更好地承擔(dān)配電網(wǎng)中的功率波動，兩端配電網(wǎng)的電壓也更趨向于一致。Rsop、Lsop越大，則兩端配電網(wǎng)直接的互濟(jì)能力越差。Lsop體現(xiàn)對動態(tài)功率的阻尼能力，Lsop較小時，SOP的功率響應(yīng)越快，反之越慢。
3.1.2 SOP直流電壓控制策略
不同于傳統(tǒng)的電壓固定值控制模式，本文中的SOP直流電壓將隨兩端電壓波動而變化，其目的是將兩端電壓的波動狀況反映到直流電壓波動，進(jìn)而與儲能、充電樁形成聯(lián)動，更好地平移兩端電網(wǎng)的波動。
SOP中間直流電壓定義為udc，通過電壓外環(huán)控制可將其控制到參考值udc,ref，udc,ref為
式中：Bac-dc為交流側(cè)額定電壓與直流側(cè)額定電壓之間的比值，其具體取值應(yīng)綜合考慮儲能、充電的輸入電壓需求；r1、r2反映兩側(cè)交流電與中間直流鏈之間的密切關(guān)系，數(shù)值越大說明該側(cè)與直流鏈之間的關(guān)系越密切，該側(cè)與直流鏈之間的阻抗越小，反之則說明該側(cè)與直流鏈之間的阻抗越大。
進(jìn)一步結(jié)合3.1.1中的虛擬阻抗值可計算出虛擬阻抗在SOP兩側(cè)的具體分配情況與r1和r2之間的關(guān)系，假設(shè)兩端的虛擬阻抗的比值為x1∶x2，則根據(jù)電路理論可計算出中間點電壓uo與兩側(cè)電壓的關(guān)系為
結(jié)合式（4），可得出r1和r2分別為
通過設(shè)置r1和r2可靈活調(diào)節(jié)儲能、充電樁對兩側(cè)電網(wǎng)響應(yīng)的分配比例，也有助于優(yōu)化儲能系統(tǒng)的運行狀態(tài)，提高儲能系統(tǒng)的壽命。
SOP直流電壓控制策略如圖5所示。
圖5 SOP裝置直流電壓控制側(cè)主要控制框圖
Fig.5 Main control block diagram of the DC voltage control side of the SOP
3.2 儲能控制策略
在控制儲能系統(tǒng)時，需要獲得儲能系統(tǒng)的充電狀態(tài)荷電狀態(tài)（state of charge，SOC），在此基礎(chǔ)上，基于檢測到的直流電壓值靈活調(diào)節(jié)其充放電功率。
如前所述，本文擬將電池的狀態(tài)轉(zhuǎn)化成虛擬電源ubat,vir，其計算式為
式中：SOC為實時監(jiān)測到的SOC；Bbat為SOC與虛擬電壓間的轉(zhuǎn)化系數(shù)；ubat,vir0為虛擬電壓的基準(zhǔn)值。
進(jìn)一步將直流電壓udc與電池的虛擬電壓ubat,vir之間做差，再經(jīng)過儲能系統(tǒng)的虛擬阻尼值和低通濾波器環(huán)節(jié)（low pass filter，LPF）獲得電流參考值ibref為
式中：Rb為針對儲能設(shè)定的虛擬電阻值，該值越大，儲能電池充放電功率越小。
考慮到儲能系統(tǒng)通常需要控制電池端的功率，因此將直流側(cè)的電流參考值轉(zhuǎn)化成電池側(cè)的電流參考值，并基于該參考值控制電池的充放電。其中LPF的作用是濾除直流電壓中的高頻波動，因此，儲能系統(tǒng)只須承擔(dān)其中的低頻波動部分，降低了儲能系統(tǒng)的充放電功率，提升了儲能系統(tǒng)的運行壽命。
儲能系統(tǒng)充放電控制策略如圖6所示。
圖6 電池儲能系統(tǒng)主要控制框圖
Fig.6 Main control block diagram of the battery energy storage system
在鋰離子電池的使用過程中，大電流充電（如快速充電）會導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高，增加電化學(xué)反應(yīng)的速率，進(jìn)一步導(dǎo)致電解質(zhì)的分解和電極材料的過度應(yīng)力，除此之外，大電流充電還會導(dǎo)致鋰離子在負(fù)極表面積累，形成鋰枝晶，這種結(jié)構(gòu)會穿透隔膜導(dǎo)致短路，還會降低電池的可循環(huán)性。因此，通過在SSC裝置中加入可調(diào)虛擬阻抗控制，可在抑制配電網(wǎng)電壓波動的同時降低儲能電池充放電電流，從而提高儲能壽命。
3.3 充電控制策略
相較于儲能系統(tǒng)，充電系統(tǒng)的功率只是單向流通，不存在電池反復(fù)充放電的過程，因此，短時的功率波動對電池的影響較小，僅對充電時間有影響。為了提升儲能系統(tǒng)壽命，減少頻繁的充放電過程，擬讓充電系統(tǒng)承擔(dān)部分高頻功率波動。
為了實現(xiàn)該功能，首先將直流電壓值udc與設(shè)定的充電電壓值ucharger進(jìn)行比較，獲得電壓差，該電壓差經(jīng)過虛擬阻抗和高通濾波器后得到充電功率的參考值icref，充電系統(tǒng)根據(jù)該充電功率的參考值對電動汽車進(jìn)行充電，icref計算式為
式中：Rc為充電系統(tǒng)的虛擬電阻。
充電系統(tǒng)充放電控制策略如圖7所示。其中限幅模塊是為了限制充電功率為正，若功率為負(fù)則將充電功率設(shè)為0，即暫時停止充電。
圖7 充電系統(tǒng)主要控制框圖
Fig.7 Main control block diagram of the charging system
4 實驗驗證
為驗證本文所提策略，搭建了SSC裝置的HIL實驗平臺。其中功率電路部分采用HIL裝置Typhon HIL 404構(gòu)建。考慮到實際應(yīng)用中SOP、儲能、充電均采用自身的控制器進(jìn)行控制，因此，實驗中采用3套控制系統(tǒng)（TMS320 F28377），整體實驗平臺如圖8所示。
圖8 基于HIL的實驗平臺
Fig.8 Experimental platform based on HIL
在HIL中構(gòu)建如圖9所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Z1為配電網(wǎng)1的線路阻抗，其值設(shè)定為2 Ω，Z2為配電網(wǎng)2的線路阻抗，其值設(shè)定為0.1 Ω。采用2個三相AC/DC變流器和2個DC/DC變流器構(gòu)成SSC裝置，所采用的關(guān)鍵控制參數(shù)如表1所示。
圖9 HIL內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)示意
Fig.9 Schematic diagram of the internal circuit structure of HIL
表1 SSC裝置的主要控制參數(shù)
Table 1 Main control parameters of the SSC device
4.1 功率波動對配電網(wǎng)的影響驗證
為了體現(xiàn)光伏發(fā)電、負(fù)荷波動等對配電網(wǎng)的影響，采用脈沖功率源模擬極端的功率波動情況。功率脈沖如圖10所示，功率脈沖為正表示向系統(tǒng)注入正向功率，對應(yīng)實際中光伏出力較高的場景，功率為負(fù)表示從系統(tǒng)吸收功率，對應(yīng)實際中負(fù)荷較高、光伏出力較低的場景。功率脈沖在–15 kW與15 kW之間切換，切換周期為2 s，模擬實際中光伏、負(fù)荷劇烈變化對配電網(wǎng)的影響。另外，選擇脈沖功率源也便于后續(xù)比較和分析。
圖10 脈沖型功率源輸出功率波形
Fig.10 Waveform of the output power of a pulse-type power source
首先，在不加入SSC裝置的情況下，測量兩端配電網(wǎng)的電壓波形，以反映配電網(wǎng)功率波動對配電網(wǎng)電壓的影響。圖11展示了配電網(wǎng)1中功率波動導(dǎo)致的電壓波動，其中配電網(wǎng)1中的電壓u1峰值為260~390 V，當(dāng)脈沖型功率源吸收功率時，線路壓降導(dǎo)致電壓較低，當(dāng)脈沖型功率源發(fā)出功率時，多余的功率向電網(wǎng)反向輸送導(dǎo)致電壓較高。配電網(wǎng)2作為配電網(wǎng)1的參考，其阻抗較低，因此電壓u2波動較小。進(jìn)一步，采集u1和u2的波形如圖12所示，由波形圖可知，u1的波動范圍較大，驗證了功率波動對配電網(wǎng)1電壓的影響較大。
圖11 兩端配電網(wǎng)相電壓峰值變化軌跡
Fig.11 Trajectory of the peak value changes of phase voltage for the two-end distribution network
圖12 接入SSC裝置前兩端配電網(wǎng)電壓波形
Fig.12 Voltage waveform of the two-end distribution network before the connection of the SSC device
4.2 傳統(tǒng)控制方法對儲能的影響驗證
將SSC裝置接入配電網(wǎng)，并采用傳統(tǒng)的控制方法，驗證傳統(tǒng)控制方法對儲能充放電的影響。當(dāng)采用傳統(tǒng)方法時，SOP的一端運行在定功率模式，另一端運行在定直流電壓模式，充電樁運行在恒功率充電模式，儲能則用來平抑配電網(wǎng)1中的能量波動。
圖13展示了采用傳統(tǒng)方法時，配電網(wǎng)1電壓u1、儲能電流iB、SOP接入配電網(wǎng)1的電流i1的波形。當(dāng)配電網(wǎng)電壓較高時，配電網(wǎng)1能量富余，儲能開啟充電模式，充電電流iB為正，由i1的方向可知，此時功率從配電網(wǎng)1流向儲能，由于富余功率被儲能吸收，因此配電網(wǎng)1的電壓波動有所緩解，最大值從圖12中的390 V降低到圖13中的316 V，接近額定值311 V；反之，儲能開啟放電模式，功率從儲能流向配電網(wǎng)，配電網(wǎng)1的電壓最小值從圖12的260 V提升到圖13中的306 V，接近額定值311 V。結(jié)果表明，采用傳統(tǒng)方法，通過調(diào)節(jié)儲能電池充放電，可以有效降低配電網(wǎng)的電壓波動。然而，由iB波形可知，此時儲能充放電電流差值高達(dá)47 A，導(dǎo)致儲能大功率充放電，嚴(yán)重影響儲能的壽命。
圖13 采用傳統(tǒng)方法時的u1、iB、i1波形
Fig.13 Waveform diagram of the u1, iB, and i1 when using traditional methods
4.3 可調(diào)虛擬阻抗對儲能的影響驗證
將本文所提可調(diào)虛擬阻抗方法加入SSC裝置的控制器，驗證該方法的有效性。
首先，在SOP和儲能中加入虛擬阻抗控制，將虛擬電阻值調(diào)整為0.1 Ω、電感值調(diào)整為1 mH，儲能系統(tǒng)的虛擬阻抗值調(diào)整為1 Ω。u1、iB、i1的波形如圖14所示。相較于圖13，電網(wǎng)電壓的波動同樣可以控制在較小的范圍內(nèi)，但通過iB波形可知，此時儲能充放電電流明顯降低。其原因是，通過調(diào)節(jié)虛擬阻抗可調(diào)節(jié)配電網(wǎng)2對配電網(wǎng)1的支援能力，此時大多數(shù)的能量波動被配電網(wǎng)2分擔(dān)，因此儲能只須承擔(dān)小部分充放電能量，由iB波形可知，儲能充放電電流差值從47 A降低到11 A，可顯著提升儲能電池壽命。
圖14 加入SOP、儲能虛擬阻抗控制后的u1、iB、i1波形
Fig.14 Waveform diagram of the u1, iB, and i1 after using virtual impedance control in SOP and battery storage system
然后，同時調(diào)節(jié)SOP、儲能和充電樁虛擬阻抗，驗證其對充放電的改善效果。將SOP的虛擬電阻值調(diào)整為0.1 Ω、電感值調(diào)整為1 mH，將充電樁的虛擬阻抗值調(diào)整為1 Ω，儲能的虛擬阻抗值調(diào)整為1 Ω，在充電樁中加入高通濾波器，截止頻率為0.5 Hz，在儲能系統(tǒng)中加入低通濾波器，截止頻率為0.5 Hz。u1、iB、i1和充電樁波形iC如圖15所示。對比圖14、15可知，電網(wǎng)電壓的波動同樣可以控制在較小的范圍內(nèi)，由iC波形可知，此時充電樁根據(jù)配網(wǎng)電壓主動調(diào)節(jié)充電功率，在電網(wǎng)電壓較高時提高充電功率，在電網(wǎng)電壓較低時降低充電功率，幫助儲能承擔(dān)高頻功率波動。因此，由iB波形可知，儲能系統(tǒng)充放電電流差值進(jìn)一步降低至4 A，且充電電流更為平緩，進(jìn)一步延長了電池的壽命。
圖15 加入SOP、儲能、充電虛擬阻抗控制的u1、iB、i1、iC波形
Fig.15 Waveform diagram of the u1, iB, i1 and iC after using virtual impedance control in SOP, battery storage system and charger
在實際應(yīng)用中，可以通過SOP、儲能、充電樁的參數(shù)靈活調(diào)節(jié)虛擬阻抗值，也可以在運行過程中根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)靈活調(diào)節(jié)虛擬阻抗值。
5 結(jié)語
本文提出一種基于可調(diào)虛擬阻抗的SSC裝置電池優(yōu)化運行策略。首先，分析了配電網(wǎng)能量波動過程中的多種能量通路，通過調(diào)節(jié)虛擬阻抗可有效疏導(dǎo)波動能量，讓柔性互聯(lián)、充電承擔(dān)大功率波動能量，讓儲能承擔(dān)小功率波動能量。然后，針對SSC運行特點，分別提出了實現(xiàn)可調(diào)虛擬阻抗的控制方法，并分析了關(guān)鍵參數(shù)的物理意義及設(shè)計原則。最后，基于硬件在環(huán)系統(tǒng)搭建實驗平臺驗證理論成果。研究表明，所提方法能夠在平抑配電網(wǎng)電壓波動的同時降低儲能系統(tǒng)的充放電幅值，提高裝置整體使用壽命。鑒于可調(diào)虛擬阻抗有多重組合形式，下一步可深入研究其最優(yōu)參數(shù)的選擇。
