一种考虑电动汽车和蓄电池联合储能的混合微电网功率协调控制方法

在“双碳”目标的推动下，储能技术逐渐成为能源领域的研究热点。针对电动汽车作为灵活储能分散接入交直流混合微电网后，过度依赖双向互联接口变换器（BILC）进行子网间储能交互的问题，河南理工大学河南省煤矿装备智能检测与控制重点实验室的王浩、仵哲、康博阳、李斌、李绍令，在2024年第19期《电工技术学报》上撰文，提出了一种考虑电动汽车和蓄电池联合储能的交直流混合微电网功率协调控制策略。

研究背景

近年来，随着高比例分布式电源（DG）和直流负荷接入微电网，交直流混合微电网因具备接纳交/直流DG和负荷的能力，且兼具单一交/直流微电网的优势，成为微电网的研究热点。对交直流混合微电网功率协调控制研究，能够解决由于DG功率波动和负荷频繁投切导致的系统功率不平衡问题。

此外，随着电动汽车的普及和蓄电池储能技术的不断发展，将电动汽车作为灵活储能单元接入交直流混合微电网，与蓄电池共同组成联合储能系统（CESS），成为了一个极具潜力的研究方向。

论文所解决的问题及意义

现阶段针对交直流混合微电网功率协调控制的研究，存在三点不足：

1）传统分散储能接入交、直流子网时，在均衡网间储能荷电状态（SOC）时同样会造成能量交互损耗。

2）在无互联通信条件下，仅依靠BILC底层控制协调功率流动，不能满足所有工况灵活运行。

3）储能系统多采用单一储能，不能满足各种复杂场景下储能多元化需求。

针对上述问题，本文提出一种考虑电动汽车和蓄电池联合储能的交直流混合微电网功率协调控制策略。

本文通过将地理位置临近的储能单元互连组成储能子网，接入交直流混合微电网并对其进行功率协调控制。

该策略考虑交、直流子网净功率和功率互济级最大传输功率作为约束条件，将其划分为4种运行状态，并进一步分析功率互济级功率传输方向和储能SOC，详细划分不同模式对应的具体工况。

并通过考虑电动汽车和蓄电池的响应优先级，设计联合储能动作规则，详细研究交、直流子网和联合储能子网间的功率交互，制定功率协调控制策略。

论文方法及创新点

1、分层控制结构：将电动汽车和蓄电池组成联合储能系统，双向DC-AC变换器（BDAC）和双向DC-DC变换器（BDDC）分别连接交、直流子网，实现了储能系统的多元化和灵活调度。

如图1所示，在设备控制层，交直流混合微电网孤岛运行状态下，为避免产生功率环流，通过关断一个换流器，使其开环运行。同时，设备控制层会实时测交流母线频率、直流母线电压、储能母线电压以及联合储能中蓄电池、电动汽车的储能SOC等信息，并将其上传至协调控制层。

协调控制层作为中间层，发挥着至关重要的作用。它根据设备控制层上传的信息，通过微电网中央控制器（MGCC）计算并匹配相应的运行模式工况。然后，根据预设的功率协调策略，将处理后的指令下达给BILC、BDAC和BDDC组成的功率互济级协调控制单元，生成传输功率的参考值。

图1 含联合储能系统的AC/DC混合微电网分层控制结构

2、运行模式及工况划分及联合储能动作规则的设定：考虑电动汽车和蓄电池的响应优先级，设计了联合储能动作规则。通过设计蓄电池响应优先级和功率协调策略，实现了储能SOC的均衡，避免了储能交互损耗，并分担了BILC的功率传输压力。

根据其净功率以及功率互济级互联接口变换器功率传输的最大值，可将其分为如图2所示的4种运行状态：子网自主运行、网间盈余互济、网间亏缺互济和功率越限运行。A1、A2、A3和坐标轴正半轴部分区域对应网间盈余互济运行；B1、B2、B3和坐标轴负半轴部分区域对应网间亏缺互济运行；ΔPDC+ΔPAC=0对应子网自主运行；其余空白部分为功率越限运行。

图2 两子网运行状态划分

储能单元作为调节系统DG出力不可或缺的一部分，储能单元的SOC状态是影响其充放电动作的重要因素。在该策略中，研究人员根据储能SOC的特性，设置了蓄电池和电动汽车车群的响应优先级，以避免储能过充过放，并实现储能SOC的均衡。

对于电动汽车（EV）来说，其作为灵活储能单元，首先需要满足车主的出行需求。因此，在设备控制层，会将车主约束SOC和完成充放电计划后车主参与后续充/放电的意愿信息上传至协调控制层。协调控制层再根据这些信息，结合电动汽车的充电和放电优先级，来制定具体的充放电计划。

如图3所示，联合储能系统的运行模式包括充电和放电两种模式，分别对应系统网间盈余互济和网间亏缺互济两个模式。当系统工作在特定的区间时，电动汽车车群和蓄电池储能单元会按照预设的优先级进行充放电动作，以维持系统的功率平衡。

图3 联合储能系统的动作划分规则

3、功率协调控制策略：制定了各模式下交直流混合微电网功率协调控制策略，并提出了基于分层控制的功率协调控制策略。

该策略详细研究了交、直流子网和联合储能子网间的功率交互，制定了功率协调控制策略，并提出了系统模式及工况切换方法。通过Matlab/Simulink仿真平台搭建的交直流混合微电网仿真模型，本文对所提出的策略进行了验证。结果表明，该策略在有效均衡储能SOC、避免储能交互损耗以及分担BILC功率传输压力方面均取得了显著的效果。

如图4所示，交直流混合微电网的模式及工况会随着交、直流子网净功率的变化而切换，不同箭头表示工况切换的原因。

图4 交直流混合微电网模式及工况切换图

结论

该论文通过提出一种考虑电动汽车和蓄电池联合储能的交直流混合微电网功率协调控制策略，有效解决了电动汽车接入微电网后的储能交互问题，提高了系统的灵活性和稳定性。同时，该策略还实现了储能系统的多元化和灵活调度，为交直流混合微电网的功率协调控制提供了新的思路和方法。未来，我们将继续深化这一领域的研究，为交直流混合微电网的功率协调控制贡献更多力量。

团队介绍

研究人员隶属于河南省煤矿装备智能检测与控制重点实验室。该实验室于2020年获批成立，现有教授17人，副教授26人，博士学位51人。实验室在深耕煤矿井下信息检测与智能处理、煤矿装备智能控制、煤矿供电研究等传统优势领域的同时，面向新能源与微电网、储能电站一体化、车网互动技术等前沿热点方向开展持续攻关，发展形成了以中青年人才为主，包括中原科技创新领军人才、中原青年拔尖人才和中原教学名师等各层次人才的创新型科技团队。