一种多能源接入储能移动方舱的电压控制方法

叶海涵，陈 武，郝文波，王长宝，侯 凯，江小兵，胡秦然

（1.东南大学 电气工程学院（先进电能变换技术与装备研究所），南京 210096；2.国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，哈尔滨 150030；3.南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），南京 211000）

0 引言

移动电源车作为车载式移动电站，具备灵活部署和临时供电的能力，可有效减小供电中断或长时间停电对经济社会的影响，在重大活动保障供电、配电网不停电检修、抢险救灾、野外生存等场合有广泛应用。其中，储能移动方舱作为标准化、模块化、高强度的应急电源车具有良好的海拔、温度、复杂道路机动适应性，有助于拓宽应急电源车的应用场景。

现有移动电源车的输出为三相四线制交流电压，一般不具备直流接口和即插即用功能，较难响应通信、计算机等新型负荷日益增长的供电需求。而且，现有移动电源车产品仅局限于单车运行，与应急现场可能存在的光伏、外部储能、柴油发电机以及不同功率等级与剩余容量的其他移动电源车相互独立，能量来源和运行方式单一，不具备多能源接入、多车并联与协调运行能力，无法构建完善、可靠的临时供电网络，也不便于后续移动电源车系列产品的多层次开发与扩展。因此，对移动电源车进行交直流供电、多源接入与协调运行、即插即用、高可靠性与高品质供电的研究具有重要意义。

针对应急现场可能涉及的多源接入[1-2]、电流均衡[3-4]、电压与频率恢复[5-6]问题，许多专家学者已经进行了深入研究。文献[7]采用电阻型下垂控制蓄电池以持续性按比例分担负荷功率，采用电容型下垂控制超级电容以输出暂态高频功率，但未涉及直流母线电压校正。文献[8]提出兼顾功率精确分配和直流母线电压无偏差的自适应下垂控制策略。文献[9]将母线电流作为补偿量进行二次调压，在功率均分的基础上恢复母线电压，减小线路损耗。文献[10-11]详细介绍了在包含光伏、储能、柴油发电机的微网中VSG（虚拟同步发电机）的设计方法。文献[12]在下垂控制的逆变器中引入SOC（荷电状态）功率指令，可根据当前SOC 线性调节输出功率。文献[13]在VSG 有功指令的频率控制模块和SOC 控制模块中加入自适应权重系数，用于在调节交流频率时防止储能过充过放，但频率调节速度缓慢。另外，上述文献仅涉及移动电源车多源接入与协调控制的直流侧或交流侧，整体拓扑过于简单，难以满足应急现场的高可靠用电要求，也缺乏一种简单、通用的系统参数设计方法。

本文首先分析适用于多源接入的基本拓扑，论证直流母线分立、交流母线互联的整体拓扑的合理性，并以电感电流或电容电压波动范围限制为统一参数设计依据，补足多变换器系统主电路参数设计的空缺。然后依次提出直流母线和交流母线控制方案：直流母线采用分段下垂方法，在系统额定运行时取消下垂控制的稳态静差，在储能电池临近极限时调动外部能源防止内部储能过冲过放；交流母线控制方案可实现频率实时校正、新能源及方舱内部储能电池优先供电、储能电池SOC 均衡，有助于防止重要负荷供电中断、避免应急保障系统电路重组；柴油发电机仅作为热备用，可减少燃料运输负担。最后，通过仿真对所提方案的有效性进行验证。

1 拓扑结构

1.1 整体系统基本拓扑

图1 整体系统的基本拓扑

整体系统的基本拓扑如图1 所示。整体系统由光伏模块、直流负荷模块、外部储能模块、两台相同的储能移动方舱、交流负荷和柴油发电机组成，每台储能移动方舱包含200 kW/100 kWh钛酸锂电池、200 kW/200 kWh 磷酸铁锂电池、两台交错并联DC/DC、双向升压模块和PCS（储能变流器）模块。

每台储能移动方舱提供两个直流接口和两个交流接口，直流接口电压为800 V，分别连接光伏模块、直流负荷模块和外部储能模块；交流接口线电压有效值为380 V，PCS 模块1 上方的交流接口连接交流负荷，PCS 模块1 下方交流接口与PCS 模块2 上方的交流接口相连，PCS 模块2下方交流接口连接柴油发电机。其中，光伏额定功率Ppvn=150 kW，恒功率直流负荷的额定功率Pdcln=300 kW，外部储能额定功率Pessn=150 kW，储能移动方舱额定功率Pvsgn=300 kW，恒功率交流负荷额定功率Pacln=300 kW，柴油发电机额定功率Pgenn=100 kW。另外，本文不考虑储能电池模块内部拓扑、控制与均衡措施，将其等效为单一储能电池与交错并联DC/DC 级联。

考虑到储能移动方舱的抢险救灾、应急保障需求，图1 中的交流负荷为重要负荷，因此将两台储能移动方舱的交流母线并联以提高交流供电可靠性，确保单个方舱闭锁时交流供电不中断。此时若再将直流母线并联，虽可增大储能移动方舱的等效功率，但方舱间出现环流，降低整体系统运行效率，因此采用图1 所示直流母线相互独立、交流母线并联的整体拓扑。另外，考虑到交流负荷可能出现随机性增减，且对供电质量较为敏感，因此所提系统必须能在负荷突变时稳定运行，且需要尽可能地提高交流供电质量。考虑到应急现场可能存在光伏、外部储能、柴油发电机等其他类型的电源，因此所提系统必须具备多能源接入与协调运行的能力。考虑到柴油发电机高能耗、高污染、震动、噪音、红外特征明显，且燃油运输困难，因此所提方案尽可能采用现场新能源及方舱内部储能电池供电，柴油发电机仅作为热备用，以提高重要负荷供电可靠性，减少燃料运输负担。考虑到光伏存在波动性、随机性，外部储能与直流负荷可能在任意时刻接入与退出，因此所提系统必须能在电源投退时实现整体系统协调稳定运行。考虑到重要负荷可能随机接入某个储能移动方舱的交直流母线，而各储能移动方舱的剩余容量与负荷水平可能不尽相同，为防止重要负荷供电中断还需实现方舱间的SOC 均衡。

1.2 光伏模块

光伏模块的拓扑和控制算法如图2 所示。其中，Ppvref为光伏参考功率，Ipv为光伏电流，Upvref和Upv为光伏板的参考电压与测量电压，Cpv1和Cpv2为低压侧和高压侧滤波电容，Lpv和ULPV为滤波电感及其电压，Udc为直流母线电压。

图2 光伏模块拓扑和控制算法

光伏模块的变换器采用定电压控制的boost变换器。当Upv降低时，占空比减小，由伏秒平衡可知Lpv的压降增大，从而Upv上升直至稳定于Upvref。MPPT 算法借鉴文献[14]。

Cpv2的设计借鉴文献[15]。设计Lpv使输出功率波动不超过10%，具体过程见附录A，可表示为：

式中：Udcn为直流母线电压额定值；fpv为光伏变换器开关频率；ΔPpvn=10%Ppvn为光伏输出有功偏差范围；ΔUdcn为直流母线电压偏差范围。

GB/T 35727—2017《中低压直流配电电压导则》中规定：1 500 V 以下电压等级的直流供电电压偏差范围为标称电压的-20%～5%，因此ΔUdcn=5%Udcn。

图1 中直流负荷模块、外部储能模块设计方法与光伏模块类似，详见附录A。

1.3 双向DC/DC 变换

储能移动方舱中交错并联DC/DC[16]的拓扑和控制算法如图3 所示。其中，Ubatt为储能移动方舱中储能电池电压，Lbi为并联支路电感，Ib1和Ib2分别为上下并联支路电感电流，Cbi为高压侧滤波电容。

图3 双向DC/DC 拓扑和控制算法

借鉴福建某公司500 kW 应急电源车的技术方案，稳定运行时内部储能电池存在约±14%的电压波动。为稳定直流母线电压、实现内部储能电池与直流接口的隔离，在储能电池和直流母线间加入双向DC/DC。为提高储能电池模块的故障冗余能力与供电可靠性，本文推荐图3 所示交错并联型双向DC/DC。将图3 所示结构视为2 个图4 所示双向DC/DC 并联，电压外环输出乘以0.5后得到各自支路的给定电流，通过Ib1和Ib2电流环得到各自支路的开关信号。

图4 PCS 模块拓扑和控制算法

其中，Lbi和Cbi的设计可借鉴附录A 的式（A5）。由于并联支路中Lbi流经的电流相等，各自传输一半额定功率，因此Lbi仅需式（A5）中电感值的一半。

1.4 PCS 模块

储能移动方舱中PCS 模块的拓扑和控制算法见图4。其中，Lpcs，Cpcs，Rpcs分别为LCL 滤波器电感、电容、电阻，uiac和iiac分别为输出电压和电流（下标“i”表示第i 个PCS，i=1，2，下同）。

图4 中VSG 算法的具体模型为：

式中：Pvsgrefi和Qvsgrefi分别为有功和无功功率参考值；Dpvsg和Dqvsg分别为有功下垂系数和无功下垂系数；ωacref，ωacn和ωac分别为输出电压的电角速度参考值、额定值和测量值；Uacref和Uac分别为输出电压的幅值参考值和测量值；Pvsgi和Qvsgi分别为输出有功和无功功率测量值；Jvsg和Kvsg分别为有功惯性系数和无功惯性系数；Evsg为VSG 的内电势幅值。

GB/T 15945—2008《电能质量电力系统频率偏差》中规定：系统容量较小时频率偏差限值为±0.5 Hz，GB/T 12325—2008《电能质量 供电电压偏差》中规定：20 kV 及以下电压等级三相供电电压偏差为标称电压的±7%，因此：

式中：Svsgn为PCS 的额定容量；Δωac为输出电压的电角速度偏差范围；ΔUac为输出电压的幅值偏差范围。

借鉴文献[17]设计Jvsg和Kvsg。根据有功环相角裕度不小于45°，则：

式中：fcpp为有功环截止频率；Xvsg=ωacrefLpcs；Jvsgmax为Jvsg的最大值。

根据PCS 交流侧电压相量关系，PCS 出口侧相电压幅值Uom为：

根据两电平逆变器的直流电压增益，常用调制比0.85，因此：

由式（6）求解Lpcs可得：

结合式（4）和式（7），Jvsg的数值解见图5。

图5 Jvsg的数值解

可见，fcpp∈（0.801 Hz，1.132 Hz）。本文取fcpp=0.96 Hz，代入式（4）可得Jvsg=31.57。

同理Kvsg表达式为：

式中：fcqq为无功环截止频率。

由于式（8）中根号内计算结果小于0，所以无功环环路增益全频段内均低于0 dB。为抑制倍频波动，取无功环截止频率为10 Hz，则：

最后，根据文献[15]中PWM 整流器的滤波电路设计结论，若仅采用式（7）所示单电感滤波，则Lpcs上电流波动峰值接近40%，交流母线处重要负荷的供电质量难以保障。借鉴文献[18]设计LCL 滤波器参数，将Cpcs上消耗的无功限制为Pvsgn的1%，即：

1.5 参数汇总

综上，储能移动方舱系统的主要参数汇总于表1。另外，各模块的开关频率均为5 kHz。

柴油发电机模块可适用上述VSG 模型，也可直接使用同步发电机模型，其设计依据及所需锁相环、准同步措施等详见附录A。

表1 图1 系统的主要参数

2 协调控制方法

根据图1 所示基本拓扑和表1 所示主要参数，设计整体系统的协调控制方法，以实现如下控制目标：

目标1，稳态运行及光伏退出、负荷突变等暂态过程中直流母线电压满足GB/T 35727—2017《中低压直流配电电压导则》，交流母线电压满足GB/T 15945—2008《电能质量 电力系统频率偏差》和GB/T 12325—2008《电能质量 供电电压偏差》，且尽可能提高交流供电质量；

目标2，促进或实现储能移动方舱间的SOC均衡；

目标3，尽可能采用现场新能源及方舱内部储能电池供电，柴油发电机仅作为热备用，待方舱内部电池组能量不足时再由柴油发电机自动补足差额功率。

2.1 直流母线协调控制方法

根据图1 所示拓扑，直流母线与光伏、直流负荷、外部储能和储能移动方舱中的双向DC/DC相连。为实现控制目标1 和2，直流母线协调控制方法如图6 所示。

图6 直流母线协调控制方法

结合图6，当Ubatt∈（0.93 p.u.，1.07 p.u.）时，认为储能电池工作正常，控制双向DC/DC 使Udc=1 p.u.，取消下垂控制的稳态静差。此时，光伏处于MPPT 模式，外部储能的输出功率为0，优先采用光伏供电。

当Ubatt≤0.93 p.u.时，认为储能电池电压过低，控制双向DC/DC 使Udc开始线性下降，外部储能发出功率线性上升，光伏依旧处于MPPT 模式，因此通过增大输入功率、减小阻性负荷功率来抑制储能电池电压进一步下降。当Ubatt=0.86 p.u.时，认为储能电池临近停机，此时控制外部储能和光伏处于最大功率输出，储能方舱用外部电源最大限度维持供电。

Ubatt≥1.07 p.u.时，认为储能电池电压过高，控制双向DC/DC 使Udc线性上升，外部储能吸收的功率线性上升，光伏退出MPPT 模式且输出功率线性下降，因此通过减小输入功率、增大输出功率来抑制储能电池电压进一步上升。当Ubatt=1.14 p.u.时，认为储能电池电量饱和，此时控制光伏停机、外部储能吸收额定功率，储能方舱用外部电源最大限度吸收电能以防止储能电池过度充电。

图6 中左侧分段下垂控制曲线的具体实施算法如图7 所示。

图7 双向DC/DC 电压给定

当Ubatt∈（1.07 p.u.，1.14 p.u.]时，支路1 将Ubatt相对于1.07ubatt的增量成比例地转化为Udc的增量，支路2 输出为0，Udcref与Ubatt成正比。当Ubatt∈[0.86 p.u.，0.93 p.u.）时，支路1 输出为0，支路2将Ubatt相对于0.93Ubatt的增量成比例地转化为Udc的增量，Udcref与Ubatt成正比。当Ubatt∈[0.93 p.u.，1.07 p.u.]时，支路1 和支路2 输出均为0，Udcref为额定值。将上述Udcref输送至图3 中的Udcref，用双向DC/DC 控制Udci以实现图6 所示分段下垂控制曲线。

结合图2 和图6，光伏的有功功率参考值为：

结合图4 和图6，外部储能电流参考值为：

2.2 交流母线二次调节方法

根据图1，交流母线与两台PCS 和柴油发电机相连。为实现控制目标1，2 和3，本部分推导交流母线二次调节方法。

化简文献[19]中带调速器的转矩方程，设计SOC 均衡函数，并与式（2）中的有功环连列，可得：

式中：Pgenref和Pgen为柴油发电机的有功功率参考值和测量值；Jgen为柴油发电机的转动惯量；fi（SOC1，SOC2）为第i 个储能移动方舱的SOC 均衡函数，其中SOC1，SOC2为电池荷电状态值。

式（13）可化简为：

式中：Pacl为交流负荷功率测量值。

根据式（13）和（14），求解输出功率可得：

动力电池SOC 可用范围一般为[15%，95%]，设计SOC 均衡算法为：

根据控制目标1 和3，稳态运行时ωac=ωacn，Pgen=0。结合式（16），式（15）第二式可化简为：

根据式（15）、式（16）、式（17）可得交流母线二次调节方法为：

式（18）中Pvsg1，Pvsg2，SOC1，SOC2可由方舱自身传感器测量得到，其余参数为固定值。因储能移动方舱之间可实现通信（2 ms 延时），因此式（18）所需信息均可快速获得，且不涉及附加传感器及通信建设，还避免了算法切换、环路更改、控制参数在线调整等问题。

将式（18）前三式代入式（2）、后两式代入柴油发电机的调速器，即可实现控制目标1，2 和3。对于控制目标1，PCS 和柴油发电机自带下垂特征，负荷突变时可自动参与交流母线电压调节，维持系统稳定。根据式（15）和式（18）的第三式，即使在负荷突变的暂态过程中交流母线频率依旧稳定于ωacn。对于控制目标2，根据式（2）和式（18）的前两式，若某方舱储能电池的SOC 过高，则该方舱的输出功率线性增大，另一方舱的输出功率线性减小，通过更改方舱间的功率分配来促进SOC 均衡。考虑到实际储能移动方舱的储能电池容量较大、惯性较大，所提SOC 均衡函数可能难以实现储能移动方舱间的SOC 实时相等。对于控制目标3，根据式（16）、式（17）和式（15）的第二式，稳定运行时Pgen=0，稳态时交流负荷所需功率均由储能移动方舱承担，柴油发电机仅作为热备用。

3 方案验证

采用图1 所示拓扑、图7 和式（18）所示协调控制方法，对所提系统在稳态、交流负荷突变和光伏切除工况下的运行性能进行仿真验证。

设置储能移动方舱1 中储能电池SOC 初始值为70%、储能移动方舱2 中储能电池SOC 初始值为80%，以验证式（16）所示SOC 均衡函数效果。结合图1 所示结构可知，储能移动方舱1与储能移动方舱2 相比，不但初始SOC 较低，而且直流母线额外接有300 kW 负荷。因此，储能移动方舱1 运行工况更加恶劣。

1.35 s 并联开关合闸，柴油发电机并入交流母线。3 s 时发生负荷突增100%以验证所提交流母线二次调节方法的有效性，或切除光伏2 以验证图7 所示直流母线协调控制方法的有效性。

3.1 稳态运行仿真结果

稳态运行仿真结果如图8 所示。

图8 稳态运行仿真结果

图8 中，1.35 s 并联开关合闸，柴油发电机并入交流母线，因准同期并列条件较为宽泛而使系统出现暂态调节过程。根据图8（a）和（b），储能移动方舱1 和储能移动方舱2 的直流母线输出电压均稳定在800 V，满足GB/T 35727—2017 要求。因储能移动方舱1 的运行工况更加恶劣，Udc1存在±15 V 的波动，Udc2更加平稳。根据图8（c）和（d），光伏1、直流负荷、光伏2 额定运行，外部储能不工作，与图6 中Udc=1 p.u.的设定工况相符。结合图8（e）和（f），交流母线频率为额定值，电能均由储能方舱提供，柴油发电机仅作为热备用而不参与供电。其中，PCS1 输出功率112.4 kW，PCS2输出功率187.4 kW，与式（15）所得结果115 kW 和190 kW 吻合。因此，仿真结果与预期目标相符。

3.2 交流负载功率突变仿真结果

图9 交流负载功率突变仿真结果

交流负载功率突变仿真结果如图9 所示。3 s时交流负荷突增100%。由图9（a）—（d）可知，交流负荷突增后，直流母线1 和直流母线2 电压无波动，光伏、直流负荷、外部储能输出功率稳定，对比图8（a）—（d）可知交流负荷突变不影响直流母线运行情况。图9（e）显示交流母线频率出现瞬间下跌，但在0.05 s 内恢复至额定值，调节速度和精度不受PCS 大惯性影响。根据图9（f），稳态时负荷功率均由储能移动方舱承担，柴油发电机仅作为热备用，功率分配满足式（15）。结合图9（e）和图8（f）可知，即使PCS 处于暂态调节过程中，交流母线同样可以实现额定频率供电，这充分展示了交流母线二次调节方法的有效性。

3.3 光伏切除仿真结果

光伏切除仿真结果如图10 所示。

图10 光伏切除仿真结果

3 s 时切除光伏2。根据图10（a）和（c）可知，切除直流母线2 处光伏时，直流母线1 处电压稳定，光伏1 和直流负荷输出波形无波动。根据图10（e）和（f）可知，仅PCS2 功率出现极小幅波动，交流母线频率和功率波形与图8（e）和（f）吻合，因此直流母线处模块切除不影响交流母线动态，重要负荷的电能质量可得到保障。由图10（b）可知，光伏切除瞬间直流母线电压尖峰不超过7%，且能在0.1 s 内恢复至额定值。图10（d）显示，外部储能输出功率随Udc2的下降而上升，与图6 所示调节规律相符。

4 结论

本文提出了一种多能源接入储能移动方舱的拓扑与电压控制方案，得到如下结论：

（1）直流母线分立、交流母线并联的方式适用于应急现场多能源汇集，且可屏蔽新能源在线投退对重要负荷供电质量的影响。

（2）设计了交直流母线电压校正、SOC 均衡措施，自动实现储能移动方舱优先供电，柴油发电机仅作为热备用。在外部能源切除工况下的直流电压变化不超过7%，重要负荷突变工况下频率可在0.1 s 内恢复至额定值。

附录A

1 滤波参数设计

设计Lpv使输出功率波动不超过10%，具体过程如图A1 所示。其中，ULpv为电感Lpv的电压，Dpv为光伏模块占空比，Tpv为光伏模块开关时间。

图A1 电感参数设计

假设Cpv1仅吸收Ipv的高频波动，对Ipv的低频分量无影响。因此，忽略Cpv1和Ipv的高频波动，用Ipv的平均值代替瞬时值，一个开关周期内ULpv和Ipv的波形如图A1 所示。

稳定运行时Upv=Upvn，Udc=Udcn。要求输出功率波动不超过10%，即ΔIpv不超过10%。以图A1中虚线阶段为例，可得：

根据boost 占空比关系可得：

将式（A2）代入式（A1）可得：

2 直流负荷模块

图1 中直流负荷的具体拓扑和控制算法如图A2 所示。其中，Rdcl为直流负荷的负载电阻，Udclref和Udcl为直流负荷的电压参考值和测量值，Cdcl为滤波电容，Ldcl为滤波电感。

图A2 直流负荷模块

直流负荷模块采用定电压控制的buck 变换器和负荷电阻实现，通过维持Rdcl端电压不变以模拟恒功率直流负荷。

与式（A1）方法类似，设计Ldcl使负载功率波动不超过10%，可得：

式中：fdcl为光伏变换器开关频率；ΔPdcln=10%Pdcln为直流负荷有功偏差范围；ΔUdclref=5%Udclref为直流负荷电阻端电压偏差范围。

3 外部储能模块

图1 中外部储能的具体拓扑和控制算法如图A3 所示。其中，Uess为外部储能电压，Iessref和Iess为外部储能的电流参考值和测量值，Cess为输出滤波电容，Less为滤波电感。

图A3 外部储能模块

外部储能的双向变换器采用定电流控制的非隔离型双向buck/boost 变换器，输出PWM 信号送至下开关管，取反后送至上开关管。当Iess减小时，占空比增大，由伏秒平衡可知Less的压降减小，Iess上升直至稳定于Iessref。

Less的设计借鉴文献[15]。与式（A1）方法类似，设计Cess使Udc波动不超过5%，可得：

式中：Uessn为外部储能电压参考值；fess为外部储能的开关频率；ΔPessn=10%Pessn为外部储能的有功偏差范围。

4 柴油发电机模块

根据GB/T 2820.5—2009/ISO 8528—5:2005《往复式内燃机驱动的交流发电机组 第5 部分：发电机组》，柴油发电机主要由发电机、励磁器和调速器构成，具备频率-有功下垂特性。因此，借鉴文献[19]中调速器和励磁器结构，并采用100 kW 凸极同步发电机模拟图1 中的柴油发电机。

GB/T 2820.5—2009/ISO 8528—5:2005《往复式内燃机驱动的交流发电机组 第5 部分：发电机组》表明，G3 等级发电机组在稳定运行条件下突加100%有功时，频率降应不大于7%。因此，调差系数kδ或有功下垂系数Dpgen应设置为：

5 其他

因PCS、柴油发电机均为电压源，不同的电压源无法直接并联，因此还需在PCS 和柴油发电机中加入准同期算法。根据GB/T 15945—2008《电能质量 电力系统频率偏差》和GB/T 12325—2008《电能质量 供电电压偏差》，稳态运行时交流电压频率差应不大于0.5 Hz、幅值差应不大于7%，因此将幅值差7%、频率差0.5 Hz、相位差5°作为并联开关合闸条件。

因准同期算法中需要频率和相位信息，为此还需设计锁相环。本文采用同步锁相环，具体设计方法借鉴文献[20]。