基于模糊逻辑的动态功率分配控制及多组混合储能直流微电网的稳定性分析（考虑线路阻抗因素）

《Journal of Energy Storage》：Fuzzy logic-based dynamic power allocation control and stability analysis of multi-group hybrid energy storage DC microgrids considering line impedance

针对DC微电网中多组混合储能系统（MHES）在线阻抗条件下组内功率平衡与组间分配问题，提出基于二维模糊逻辑的动态功率分配策略，通过阻抗建模和小信号稳定性分析验证策略有效性，Matlab/Simulink仿真证实其可行性。

　　

Jipeng Gu|Weijie Zhang|Jianxiao Wang|Youbing Zhang|Xu Dai

北京大学工程学院，北京，100871，中国

摘要

在直流微电网中，配置多组混合储能（MHES）有助于系统扩展和标准化。为了解决直流微电网中基于线路阻抗条件的组内功率平衡和组间功率分配问题，提出了一种利用二维模糊逻辑的电阻-电容（RC）降压控制的动态功率分配策略。首先分析了线路阻抗对传统RC降压控制动态功率分配特性的影响。接着，基于锂离子电池和超级电容器的物理特性，建立了支路特征变量与RC降压系数之间的二维模糊逻辑关系。这使得可以自适应调整降压系数，以确保同一储能组内的功率平衡以及不同组之间的有效功率分配。然后推导出直流微电网中每个支路的平均阻抗模型，并使用阻抗比分析方法对微电网系统在平衡点附近的扰动情况进行小信号稳定性分析。最后，通过Matlab/Simulink进行的仿真实验验证了所提出的模糊动态功率分配控制策略的可行性和有效性。

引言

随着全球能源挑战的加剧以及碳达峰和碳中和目标的推进，风能和太阳能等可再生能源在电力系统中的比例持续增加。特别是由风能和太阳能驱动的直流微电网，实现了分布式能源的高效和灵活利用。这些微电网通过高效利用可再生能源，对可持续能源发展至关重要[1]、[2]。然而，风能和太阳能发电的间歇性和不可预测性往往导致微电网中出现母线电压不稳定和功率不平衡等问题，从而缩短系统组件的寿命并阻碍长期稳定运行。

为了确保直流微电网运行的稳定性和可靠性，同时为终端用户提供高质量电力，实施了储能系统来补偿风能和太阳能的间歇性输出。单个储能单元无法同时满足高功率密度和高能量密度的双重要求。因此，由具有不同物理特性的储能单元组成的混合储能系统（HESS）成为研究的热点领域[3]、[4]。目前，广泛采用结合了锂离子电池和超级电容器的HESS。锂离子电池在能量密度方面具有显著优势，但在功率密度和动态响应速度上存在局限性；相反，超级电容器在功率密度和动态响应速度上表现优异，但能量密度相对较低[5]、[6]。这些固有的差异使得它们能够协同使用，从而显著提升HESS的整体性能，延长系统循环寿命，改善动态响应能力，并优化运行效率[7]。

缩写

术语表

MHES	多组混合储能
RC	电阻-电容
HESS	混合储能系统
PV	光伏
MPPT	最大功率点跟踪
DC	直流
AC	交流

参数和变量

Upv	光伏面板的输出电压
ipv	光伏面板的输出电流
Lpv	光伏逆变器的滤波电感
Cpv1	光伏逆变器的输入侧滤波电容
Cpv2	光伏逆变器的输出侧滤波电容
Ubi	锂离子电池的输出电压
iBi	锂离子电池的输出电流
Lbi	锂离子电池的滤波电感

MHES直流微电网的系统结构

本文选择结合使用锂离子电池和超级电容器，主要基于响应速度、功率密度、经济效益和技术成熟度等综合考量。超级电容器具有极高的功率密度和快速响应能力，可以有效平滑高频功率波动；而锂离子电池则在能量密度和循环寿命方面表现出色。将两者结合使用，可以在充电和放电之间实现良好的平衡。

线路阻抗对RC降压控制的影响

RC降压控制是一种结合了虚拟电阻器和虚拟电容器特性的方法，基于传统的U_ref降压控制[22]。对于单组HESS的电路特性分析，可以使用图3中所示的Thévenin等效模型进行表征。 在图3中，U_ref表示直流母线电压的设定目标值，而i_ob、U_oc和i_oc分别是锂离子电池和超级电容器的输出电流和电压。

单个支路的阻抗建模

光伏支路采用单向DC/DC逆变器，如图2所示。基于开关器件导通和截止状态下的等效电路分析，并在忽略开关损耗的理想条件下，建立单向DC/DC逆变器的基本模型： $\left(\begin{array}{c}{\mathrm{uLpv}}_{}={\mathrm{Upv}}_{}?\left(1?{\mathrm{Dpv}}_{},\mathrm{iCpv}={\mathrm{ipv}}_{}?{\mathrm{iLpv}}_{}\\ ,\mathrm{iCpv}=\left(1?{\mathrm{Dpv}}_{}\right)i_{\mathrm{Lpv}}?{\mathrm{ipvdc}}_{}\right)其中，u\end{array}\right)$_Lpv和i_Lpv分别是滤波电感L_pv的输出电压和电流；i_Cpv1和i_Cpv2分别是...

参数设置

在Matlab/Simulink环境中构建了一个MHES直流微电网模型（如图2所示）。在进行系统仿真时，锂离子电池组采用的电路结构和控制结构是相同的，即锂离子电池单元1和锂离子电池单元2的参数相同，只有线路阻抗不同。超级电容器组的设置也相同。系统参数总结在表3中。

结论

在孤岛式直流微电网中，部署MHES有利于系统的可扩展性和标准化。为了解决由于线路阻抗导致的储能支路（锂离子电池内部、超级电容器内部以及HESS单元之间）的功率分配不平衡问题，本文提出了一种基于二维模糊逻辑的改进RC降压控制方法，并使用阻抗比技术对微电网进行了小信号稳定性分析。

CRediT作者贡献声明

Jipeng Gu：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、验证、监督、项目管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、概念化。 Weijie Zhang：撰写 – 原稿、验证、方法论、正式分析、概念化。 Jianxiao Wang：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论、资金获取。 Youbing Zhang：验证、监督、软件开发、资源协调、方法论。

资金声明

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52277092）和内蒙古自治区自然科学基金（项目编号：2025QN05052）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。