基于权重因子优化的SOC平衡控制策略，用于模块化级联储能系统

《Journal of Energy Storage》：Weight factor optimization-based SOC balancing control strategy for modular cascaded energy storage system

模块化级联储能系统（MC-CES）在DC微网中提升可再生能源并网能力的关键在于SOC均衡控制，但传统策略在平衡速度与电压稳定间存在矛盾。本文提出基于权重因子优化的动态调整策略，通过负载功率与子模块电压范围的关联性设计二级调节机制，在确保直流母线电压稳定的前提下最大化子模块间电压差异，从而加速SOC均衡过程。实验验证了该方法在提高平衡速度和容量利用率方面的有效性。

　　

张晓彤|赵元哲|高光亮|童向谦|马文涛|季俊鹏|丁涛

西安工业大学电气工程学院，中国西安，710048

摘要

模块化级联储能系统被广泛用于提高电力系统的可再生能源集成能力。储能系统中的荷电状态（SOC）平衡控制对于提高电池容量利用率和延长电池使用寿命至关重要。然而，在直流微电网中的模块化级联储能系统中，SOC平衡速度与直流母线电压稳定性之间的协同优化仍然是一个挑战。因此，本文提出了一种基于权重因子优化的SOC平衡控制策略。根据储能系统中子模块电压的工作范围与负载功率之间的关系，该策略引入了权重因子的二次调整机制，以保持每个子模块的输出电压和功率在允许的工作范围内。此外，该策略最大化了子模块之间的输出电压差，从而在各种负载条件和SOC分布下显著加快了SOC平衡过程。最后，分别在PLECS仿真和硬件在环仿真中比较了具有自适应系数权重因子的SOC平衡策略和所提出的策略。结果验证了所提出策略的有效性和可行性，证明了其在各种工作条件下稳定直流母线电压、提高SOC平衡速度和增加储能系统负载容量的能力。

引言

为了实现多种能源的全面利用并解决与温室气体排放相关的环境问题，最理想的解决方案是利用可再生能源（RESs）[1]，[2]。然而，可再生能源受天气影响，导致电力输出具有随机性和间歇性。随着可再生能源的发展，储能技术也取得了进步。电池储能系统（BESS）能够以可调度的方式吸收或供应电能，使其成为解决可再生能源随机电力供应及其带来的挑战的主要解决方案之一[3]，[4]。同时，BESS因其灵活的部署、快速响应和高能量密度而受到关注[5]。因此，高比例可再生能源渗透的电网需要大量的BESS来支持其运行并保持电力稳定性[6]。与交流微电网相比，直流微电网没有频率和相位同步的问题，从而降低了控制复杂性[7]，[8]。此外，电池组制造过程的不同可能导致电池组之间的特性差异。即使电池组具有相同的标称参数，在类似的充放电操作中，它们的SOC也可能有所不同[9]。然而，由于缺乏SOC控制，直流微电网中的BESS可能会出现显著的SOC差异。在频繁的负载变化下，SOC差异会进一步加剧[10]，[11]。较大的SOC差异会导致单个或多个电池组过充或过放电，从而降低BESS的容量利用率并缩短电池使用寿命[12]。因此，通过协调电池组之间的功率分配来实现SOC平衡已成为储能控制策略的主要目标之一。

为了在储能系统中实现更高的电压和功率，电池组被直接以串联-并联方式连接到电力转换系统。然而，串联-并联电池架构在实现不同电池组之间的SOC平衡方面存在困难，从而降低了储能系统的容量利用率。因此，参考文献[13]采用了模块化级联储能系统。模块化配置在双向电力供应系统中具有显著优势，包括便于系统配置、可扩展的扩展性、标准化的模块设计和提高的操作可靠性[14]。此外，模块化级联结构有助于减少子模块内电力设备的电压应力，并能够独立控制每个子模块，从而在满足负载功率需求的同时实现电池组之间的SOC平衡。因此，在直流微电网中，结合SOC平衡控制的模块化级联DC-DC储能系统为提高高压和高功率储能系统的容量利用率和负载能力提供了有效的解决方案。

近年来，模块化级联DC-DC储能系统的SOC平衡控制策略受到了越来越多的关注。参考文献[15]引入了一种基于SOC的权重因子，以在子模块之间分配输出功率，从而实现SOC平衡并提高储能系统的容量利用率。参考文献[16]采用了一种下垂控制策略，根据子模块的放电深度调整其功率，从而实现SOC平衡，而无需电池之间的通信。然而，这两种策略在平衡过程进行过程中都会逐渐降低平衡速度。由于SOC平衡速度直接决定了整个储能系统的容量利用率，因此控制策略提高SOC平衡速度非常重要。参考文献[17]，[18]在提出的SOC平衡策略中加入了积分项，以在SOC平衡过程的后期增加子模块输出电压之间的差异，从而在后期提高SOC平衡速度。然而，合适的积分项系数难以确定。较小的系数可能导致平衡速度的改善有限，而较大的系数可能会威胁平衡控制的稳定性。参考文献[19]提出了一种使用Sigmoid函数和平衡调整因子的SOC平衡策略。Sigmoid函数在SOC平衡过程的后期增加了子模块之间的功率差，提高了SOC平衡的准确性和速度。参考文献[20]，[21]，[22]在SOC平衡策略中加入了自适应系数，这加快了平衡过程的速度，而不会引入SOC平衡稳定性的问题。然而，自适应系数的采用仅改善了平衡过程的后期速度，而早期阶段仍需进一步改进。

平衡过程的早期的SOC平衡速度与策略中特定参数值的选择呈正相关。然而，过度增加子模块输出电压之间的差异以加快平衡可能会导致电压超出其正常工作范围，从而破坏直流母线电压的稳定性。因此，结合电压限制的下垂控制被用来保持子模块输出电压在正常工作范围内，这提高了储能系统的SOC平衡速度并增强了控制系统的稳定性[23]。为了在给定的储能系统中实现最快的SOC平衡，参考文献[24]提出了一种基于级联模块化多级双向DC-DC转换器的快速平衡策略，该策略分别为SOC最高和最低的子模块分配最高的允许放电和充电功率参考值。这种策略迅速减少了SOC差异，从而显著缩短了平衡时间。然而，子模块数量的增加使功率分配变得复杂。参考文献[25]提出了一种利用迭代计算基于并行结构储能系统的功率参考值的SOC平衡策略，通过保持至少一个单元处于最大功率状态来实现最快的允许平衡速度。然而，对于模块化级联DC-DC储能系统，还需要进一步考虑最大功率限制和子模块输出电压的正常工作范围限制。

基于上述分析，当前的SOC平衡控制策略可以通过调整参数来提高平衡速度。然而，SOC分布模式、输出电压的正常工作范围和额定功率的限制限制了任意修改参数以提高速度的能力。此外，将自适应系数纳入策略仅在一定程度上加快了过程后期的平衡速度，未能在整个平衡过程中最大化速度。

本文提出了一种基于权重因子优化的SOC平衡控制策略。通过首先确定然后调整每个子模块的权重因子，它找到了一组能够同时稳定直流母线电压并最大化SOC平衡速度的权重因子。本文的主要贡献总结如下：

1.

该策略提出了一种根据负载功率动态调整子模块输出电压范围的方法，结合了模块级联储能系统的结构特点。这实现了稳定直流母线电压和限制子模块输出功率的双重目标。通过将子模块输出电压控制在这个范围内，该策略有效地防止了电池组超出其额定功率运行，从而延长了它们的使用寿命。

2.

该策略将子模块输出电压范围与权重因子的设计和调整步长参数相结合。通过迭代调整子模块权重因子，它在各种SOC分布情况下最大化了SOC平衡速度。

本文的结构如下：第二节描述了模块化级联DC-DC储能系统架构；第三节详细介绍了采用的直流母线电压控制策略，确定了子模块输出电压范围，并彻底分析了所提出的SOC平衡控制策略中权重因子和优化步长的设计方法；第四节通过仿真和实验验证了所提出的SOC平衡策略的有效性。

部分摘录

模块化级联储能DC-DC系统描述和控制策略

本文考虑的系统结构是一种混合直流微电网结构，集成了并网转换器、分布式光伏（PV）发电、模块化级联DC-DC储能系统和直流负载。模块化级联DC-DC储能系统能够有效克服由于PV发电的间歇性和负载功率的随机性引起的直流母线功率不平衡和电压不稳定问题。

基于权重因子优化的储能系统SOC平衡控制策略和子模块级控制器设计

本文提出了一种基于权重因子优化（WFO）的储能系统SOC平衡控制策略。该策略通过调整权重因子的大小来稳定子模块的输出电压在其工作范围内，并在稳定直流母线电压的同时尽可能增加子模块输出电压之间的差异。

模块化级联DC-DC储能的SOC平衡控制策略

仿真和实验

为了验证所提出的储能系统SOC平衡控制策略的有效性，在PLECS中建立了由三个电池组组成的储能系统的仿真模型。储能系统的参数列在表1中。对表2中的条件1下使用WFPF、WFEF和WFO的控制策略进行了平衡性能的比较分析。

选择了三个评估指标进行比较

结论

提出了一种基于WFO的SOC平衡控制策略，以实现储能系统中配备电池组的多个子模块之间的SOC平衡。仿真和实验结果表明，基于权重因子优化的所提出的SOC平衡控制策略可以有效提高储能系统的SOC平衡速度并增加容量利用率。

(1)

考虑了每个子模块的输出功率限制和正常工作范围

CRediT作者贡献声明

张晓彤：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、方法论、资金获取、概念化。赵元哲：撰写 – 原始草稿、验证、软件、数据管理。高光亮：可视化、调查。童向谦：项目管理、正式分析。马文涛：方法论、资金获取。季俊鹏：调查。丁涛：撰写 – 审稿与编辑、方法论、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52507032）和陕西省自然科学基础研究计划（项目编号：2025JC-YBQN-582）的支持。