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摘要 “柔-储-充”（SOP-storage-charger，SSC）装置集柔性互联、储能、充电于一体，可平抑配电网能量波动，然而其在运行过程中需要频繁调用储能资源，导致电池大功率充放电，影响电池寿命。为此，提出一种基于可调虚拟阻抗的SSC装置电池优化运行策略。首先，将柔性互联、储能、充电均等效为虚拟阻抗，分析了配电网能量波动过程中的多种能量通路，通过调节虚拟阻抗有效疏导波动能量。在此基础上，针对SSC运行特点，分别提出了各部分可调虚拟阻抗控制方法，并分析了关键参数的物理意义及设计原则。最后，基于硬件在环系统搭建实验平台验证所提策略。结果表明，所提方法能够在平抑配电网电压波动的同时降低储能系统的充放电电流，提高电池寿命。

1 SSC装置基本结构

SSC装置由SOP、储能、充电桩组合而成，如图1所示。传统思路多采用SOP、储能、充电桩分离的思路，整体成本较高，且在实际运营中面临设备利用率低的问题，导致资源浪费。

图1  SSC装置接入配电网示意

Fig.1  Diagram of the SSC device connected to the distribution network

进一步分析SOP、储能、充电桩的功率电路结构可知，3类装置均包含了DC/DC、DC/AC等基本功率变换单元。基于装置复用的思路构建SSC装置如图1所示，其主要包含了多个DC/DC和DC/AC变换器。SSC的外部接口包含了交流（AC）接口和直流（DC）接口。其中，AC接口与电网相连实现柔性互联的功能，DC接口则与电池、电动汽车相连，实现储能和充电的功能。

在运行中，SSC可根据工作模式灵活选用变换器和接口。图1展示了常见的几种工作模式，例如，当运行在互联模式时，多个DC/AC变换器将实现配电网互联，当运行在“互联+储能”模式时，在多个DC/AC变换器实现配电网互联的同时，DC/DC变换器将控制电池的充放电，由于篇幅原因，其他模式不再赘述。总之，SSC可根据具体需求实现SOP、储能、充电中的一种功能或多种功能。以下将分别介绍SSC各部分的常见拓扑结构。

SOP主要由全控型电力电子器件组成，其常见的拓扑结构为背靠背电压源型变流器，其特点是通过一个电容将2个变流器背靠背连接，并且两侧呈对称结构，如图2所示。SOP在运行过程中，需要维持直流链电压的稳定，因此其中一侧的电压源型变流器需要工作在整流模式下，另外一侧的电压源型变流器工作在逆变模式下。其具体的控制策略根据当前配电网的运行状态而有所调整，主要包括用于功率调控的VdcQ-PQ控制和维持负载电压稳定的VdcQ-Vacf控制。

图2  SSC装置拓扑结构

Fig.2  Topology diagram of the SSC device

储能和充电部分均接入到SOP的直流链，两者结构类似，所不同的是，储能需要功率双向传输，而充电桩仅需要功率单向传输，近年来，随着电网-充电桩互动技术（vehicle to grid，V2G）的发展，部分充电桩也可以采用双向功率变换器。DC/DC直流变换器种类繁多，双向功率变换器常见的结构是双向有源桥（dual active bridge，DAB），单向功率变换器常见的结构是隔离型全桥变换器，如图2所示。

鉴于本文主要改进了SSC的控制算法，因此在硬件结构部分不再赘述。考虑到实现SSC的结构有多种，本文所提控制方法稍加改造后仍可适用。

2 面向电池优化的可调虚拟阻抗控制

在上一章SSC硬件结构的基础上，本章将主要介绍可调虚拟阻抗控制的基本思路，以及如何利用可调虚拟阻抗优化电池的充放电策略，提升电池的寿命，并为下一章具体的控制策略奠定基础。

对配电网而言，其自身的负荷本身具有较强的波动性，考虑到存在线路阻抗，负荷波动会导致配电网电压的波动影响电能质量。更为严重的是，新能源的强波动性、电动汽车的随机性会导致配电网功率有正有负，最终导致配电网电压大幅波动。柔性互联可在空间上灵活转移功率，实现不同配电网间的功率灵活互济，储能可在时间上灵活转移功率，充电桩也可通过可调负荷的方式参与调节，这些措施均可有效抑制能量波动。如图3所示，对于接入SSC的配电网而言，波动性能量流通路径主要有3种：柔性互联功率流通路径、充电口功率流通路径和储能功率流通路径。若想优化电池的运行状态，提升寿命，可以让柔性互联功率流通路径、充电口功率流通路径承担高频能量波动，让储能承担低频能量波动。

图3  SSC装置可调虚拟阻抗示意

Fig.3  Diagram of the adjustable virtual impedance of the SSC device

为此构建如图3所示虚拟阻抗网络，将SSC等效成包含2个柔性互联阻抗（Zsop1、Zsop2）、一个电池阻抗ZB、一个充电阻抗ZC的阻抗网络，充电口和电池均等效成虚拟电压。通过上述处理，便可在功率层面将包含DC/DC、DC/AC变换器的SSC等效成简单的电路结构。

3 面可调虚拟阻抗的控制策略

3.1  SOP控制策略

由于三相交流信号具有非线性、难控制和有效值无法实时反映状态信息的特点，均不适合作为控制量。而在DQ域下的电压分量呈直流状态，能够通过PI控制器进行控制，又能实时反映电压的变化情况，可作为控制环节输入信号。因此，可以通过Park变换，将两侧的交流电压变为DQ域下的直流量，再对直流量做差进行负反馈控制。

3.1.1  SOP输出功率控制策略

SOP输出功率控制策略如图4所示。通过PLL获得SOP两端交流电压的d轴分量，分别表示为u1,d和u2,d，为了让功率根据电压高低自动流通，可通过式（1）获得两侧SOP的电流参考值，即

图4  SOP装置输出功率控制侧主要控制框图

Fig.4  Main control block diagram of the output power control side of the SOP

式中：i2,dref为功率控制侧d轴电流信号参考值；Rsop为针对SOP设定的虚拟电阻值，该值越大，相同电压差值下的i2,dref越小。

为了降低两侧配电网功率突变对SSC装置的冲击，进一步加入虚拟电感以平抑功率突变，即

式中：Lsop为设定的虚拟电感值，该值越大，越能平抑功率突变。

在实际应用中，配电网两侧电网参数存在差异，其理想状况下的电压值也存在静态差异，因此引入电压偏差值Δu来体现配电网参数的差异，即

由此可通过调节虚拟阻抗Rsop、Lsop的值来调节SOP对两端波动的平移能力。Rsop、Lsop越小，表示两端配电网联系越密切，两端的功率互济能力越强，能够更好地承担配电网中的功率波动，两端配电网的电压也更趋向于一致。Rsop、Lsop越大，则两端配电网直接的互济能力越差。Lsop体现对动态功率的阻尼能力，Lsop较小时，SOP的功率响应越快，反之越慢。

3.1.2  SOP直流电压控制策略

不同于传统的电压固定值控制模式，本文中的SOP直流电压将随两端电压波动而变化，其目的是将两端电压的波动状况反映到直流电压波动，进而与储能、充电桩形成联动，更好地平移两端电网的波动。

SOP中间直流电压定义为udc，通过电压外环控制可将其控制到参考值udc,ref，udc,ref为

式中：Bac-dc为交流侧额定电压与直流侧额定电压之间的比值，其具体取值应综合考虑储能、充电的输入电压需求；r1、r2反映两侧交流电与中间直流链之间的密切关系，数值越大说明该侧与直流链之间的关系越密切，该侧与直流链之间的阻抗越小，反之则说明该侧与直流链之间的阻抗越大。

进一步结合3.1.1中的虚拟阻抗值可计算出虚拟阻抗在SOP两侧的具体分配情况与r1和r2之间的关系，假设两端的虚拟阻抗的比值为x1∶x2，则根据电路理论可计算出中间点电压uo与两侧电压的关系为

结合式（4），可得出r1和r2分别为

通过设置r1和r2可灵活调节储能、充电桩对两侧电网响应的分配比例，也有助于优化储能系统的运行状态，提高储能系统的寿命。

SOP直流电压控制策略如图5所示。

图5  SOP装置直流电压控制侧主要控制框图

Fig.5  Main control block diagram of the DC voltage control side of the SOP

3.2  储能控制策略

在控制储能系统时，需要获得储能系统的充电状态荷电状态（state of charge，SOC），在此基础上，基于检测到的直流电压值灵活调节其充放电功率。

如前所述，本文拟将电池的状态转化成虚拟电源ubat,vir，其计算式为

式中：SOC为实时监测到的SOC；Bbat为SOC与虚拟电压间的转化系数；ubat,vir0为虚拟电压的基准值。

进一步将直流电压udc与电池的虚拟电压ubat,vir之间做差，再经过储能系统的虚拟阻尼值和低通滤波器环节（low pass filter，LPF）获得电流参考值ibref为

式中：Rb为针对储能设定的虚拟电阻值，该值越大，储能电池充放电功率越小。

考虑到储能系统通常需要控制电池端的功率，因此将直流侧的电流参考值转化成电池侧的电流参考值，并基于该参考值控制电池的充放电。其中LPF的作用是滤除直流电压中的高频波动，因此，储能系统只须承担其中的低频波动部分，降低了储能系统的充放电功率，提升了储能系统的运行寿命。

储能系统充放电控制策略如图6所示。

图6  电池储能系统主要控制框图

Fig.6  Main control block diagram of the battery energy storage system

在锂离子电池的使用过程中，大电流充电（如快速充电）会导致电池内部温度升高，增加电化学反应的速率，进一步导致电解质的分解和电极材料的过度应力，除此之外，大电流充电还会导致锂离子在负极表面积累，形成锂枝晶，这种结构会穿透隔膜导致短路，还会降低电池的可循环性。因此，通过在SSC装置中加入可调虚拟阻抗控制，可在抑制配电网电压波动的同时降低储能电池充放电电流，从而提高储能寿命。

3.3  充电控制策略

相较于储能系统，充电系统的功率只是单向流通，不存在电池反复充放电的过程，因此，短时的功率波动对电池的影响较小，仅对充电时间有影响。为了提升储能系统寿命，减少频繁的充放电过程，拟让充电系统承担部分高频功率波动。

为了实现该功能，首先将直流电压值udc与设定的充电电压值ucharger进行比较，获得电压差，该电压差经过虚拟阻抗和高通滤波器后得到充电功率的参考值icref，充电系统根据该充电功率的参考值对电动汽车进行充电，icref计算式为

式中：Rc为充电系统的虚拟电阻。

充电系统充放电控制策略如图7所示。其中限幅模块是为了限制充电功率为正，若功率为负则将充电功率设为0，即暂时停止充电。

图7  充电系统主要控制框图

Fig.7  Main control block diagram of the charging system

4 实验验证

为验证本文所提策略，搭建了SSC装置的HIL实验平台。其中功率电路部分采用HIL装置Typhon HIL 404构建。考虑到实际应用中SOP、储能、充电均采用自身的控制器进行控制，因此，实验中采用3套控制系统（TMS320 F28377），整体实验平台如图8所示。

图8  基于HIL的实验平台

Fig.8  Experimental platform based on HIL

在HIL中构建如图9所示的拓扑结构。Z1为配电网1的线路阻抗，其值设定为2 Ω，Z2为配电网2的线路阻抗，其值设定为0.1 Ω。采用2个三相AC/DC变流器和2个DC/DC变流器构成SSC装置，所采用的关键控制参数如表1所示。

图9  HIL内部电路结构示意

Fig.9  Schematic diagram of the internal circuit structure of HIL

表1  SSC装置的主要控制参数

Table 1  Main control parameters of the SSC device

4.1  功率波动对配电网的影响验证

为了体现光伏发电、负荷波动等对配电网的影响，采用脉冲功率源模拟极端的功率波动情况。功率脉冲如图10所示，功率脉冲为正表示向系统注入正向功率，对应实际中光伏出力较高的场景，功率为负表示从系统吸收功率，对应实际中负荷较高、光伏出力较低的场景。功率脉冲在–15 kW与15 kW之间切换，切换周期为2 s，模拟实际中光伏、负荷剧烈变化对配电网的影响。另外，选择脉冲功率源也便于后续比较和分析。

图10  脉冲型功率源输出功率波形

Fig.10  Waveform of the output power of a pulse-type power source

首先，在不加入SSC装置的情况下，测量两端配电网的电压波形，以反映配电网功率波动对配电网电压的影响。图11展示了配电网1中功率波动导致的电压波动，其中配电网1中的电压u1峰值为260~390 V，当脉冲型功率源吸收功率时，线路压降导致电压较低，当脉冲型功率源发出功率时，多余的功率向电网反向输送导致电压较高。配电网2作为配电网1的参考，其阻抗较低，因此电压u2波动较小。进一步，采集u1和u2的波形如图12所示，由波形图可知，u1的波动范围较大，验证了功率波动对配电网1电压的影响较大。

图11  两端配电网相电压峰值变化轨迹

Fig.11  Trajectory of the peak value changes of phase voltage for the two-end distribution network

图12  接入SSC装置前两端配电网电压波形

Fig.12  Voltage waveform of the two-end distribution network before the connection of the SSC device

4.2  传统控制方法对储能的影响验证

将SSC装置接入配电网，并采用传统的控制方法，验证传统控制方法对储能充放电的影响。当采用传统方法时，SOP的一端运行在定功率模式，另一端运行在定直流电压模式，充电桩运行在恒功率充电模式，储能则用来平抑配电网1中的能量波动。

图13展示了采用传统方法时，配电网1电压u1、储能电流iB、SOP接入配电网1的电流i1的波形。当配电网电压较高时，配电网1能量富余，储能开启充电模式，充电电流iB为正，由i1的方向可知，此时功率从配电网1流向储能，由于富余功率被储能吸收，因此配电网1的电压波动有所缓解，最大值从图12中的390 V降低到图13中的316 V，接近额定值311 V；反之，储能开启放电模式，功率从储能流向配电网，配电网1的电压最小值从图12的260 V提升到图13中的306 V，接近额定值311 V。结果表明，采用传统方法，通过调节储能电池充放电，可以有效降低配电网的电压波动。然而，由iB波形可知，此时储能充放电电流差值高达47 A，导致储能大功率充放电，严重影响储能的寿命。

图13  采用传统方法时的u1、iB、i1波形

Fig.13  Waveform diagram of the u1, iB, and i1 when using traditional methods

4.3  可调虚拟阻抗对储能的影响验证

将本文所提可调虚拟阻抗方法加入SSC装置的控制器，验证该方法的有效性。

首先，在SOP和储能中加入虚拟阻抗控制，将虚拟电阻值调整为0.1 Ω、电感值调整为1 mH，储能系统的虚拟阻抗值调整为1 Ω。u1、iB、i1的波形如图14所示。相较于图13，电网电压的波动同样可以控制在较小的范围内，但通过iB波形可知，此时储能充放电电流明显降低。其原因是，通过调节虚拟阻抗可调节配电网2对配电网1的支援能力，此时大多数的能量波动被配电网2分担，因此储能只须承担小部分充放电能量，由iB波形可知，储能充放电电流差值从47 A降低到11 A，可显著提升储能电池寿命。

图14  加入SOP、储能虚拟阻抗控制后的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，同时调节SOP、储能和充电桩虚拟阻抗，验证其对充放电的改善效果。将SOP的虚拟电阻值调整为0.1 Ω、电感值调整为1 mH，将充电桩的虚拟阻抗值调整为1 Ω，储能的虚拟阻抗值调整为1 Ω，在充电桩中加入高通滤波器，截止频率为0.5 Hz，在储能系统中加入低通滤波器，截止频率为0.5 Hz。u1、iB、i1和充电桩波形iC如图15所示。对比图14、15可知，电网电压的波动同样可以控制在较小的范围内，由iC波形可知，此时充电桩根据配网电压主动调节充电功率，在电网电压较高时提高充电功率，在电网电压较低时降低充电功率，帮助储能承担高频功率波动。因此，由iB波形可知，储能系统充放电电流差值进一步降低至4 A，且充电电流更为平缓，进一步延长了电池的寿命。

图15  加入SOP、储能、充电虚拟阻抗控制的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

在实际应用中，可以通过SOP、储能、充电桩的参数灵活调节虚拟阻抗值，也可以在运行过程中根据系统状态灵活调节虚拟阻抗值。

5 结语

本文提出一种基于可调虚拟阻抗的SSC装置电池优化运行策略。首先，分析了配电网能量波动过程中的多种能量通路，通过调节虚拟阻抗可有效疏导波动能量，让柔性互联、充电承担大功率波动能量，让储能承担小功率波动能量。然后，针对SSC运行特点，分别提出了实现可调虚拟阻抗的控制方法，并分析了关键参数的物理意义及设计原则。最后，基于硬件在环系统搭建实验平台验证理论成果。研究表明，所提方法能够在平抑配电网电压波动的同时降低储能系统的充放电幅值，提高装置整体使用寿命。鉴于可调虚拟阻抗有多重组合形式，下一步可深入研究其最优参数的选择。