直流微电网中SoC均衡的实时集群一致性框架的经济优化

《IEEE Transactions on Industrial Informatics》：Economic Optimization of a Real-Time Cluster-Based Consensus Framework for SoC Balancing in a DC Microgrid

　　

本文提出一种用于集成多个电池储能系统（BESSs）的直流微电网（MGs）中荷电状态（SoC）均衡的优化实时聚类策略。该方法采用邻居对邻居通信框架，根据本地负荷条件和储能单元的健康状态（SoH）动态形成集群。在每个集群内，通过sigmoid函数实现基于一致性的SoC均衡，确保控制动作平滑且无间断。此外，母线电压由相位滞后补偿器进行本地调节，并在直流链路电压恢复后激活，从而增强系统稳定性。通过理论分析、数值仿真和实验评估验证了所提方法的有效性。结果表明，与文献中报道的全局SoC均衡方案相比，该策略可将线路电阻功率损耗降低多达4.65%。此外，该策略可实现高达11.89%的运行成本降低，相当于每小时节省0.46美元，同时将BESS寿命延长达10.08%。该方法在不利条件下也表现出弹性，在通信故障和BESS断开情况下仍保持可靠性能。

论文解读

电池储能系统（BESSs）在直流微电网（MGs）中被广泛应用，以缓解化石燃料污染、促进一次能源多样化并平衡发电与负荷。其有效集成需依靠能量管理系统（EMS）协调分布式发电机（DG）。分层控制结构中，初级层负责电压/电流调节与功率共享，次级层补偿电压偏差并保证功率共享精度，三级层进行潮流优化。然而，各BESS间荷电状态（SoC）因线路电阻、端电压和容量差异而失衡，导致过充/过放、寿命缩短、环流和功率损耗增加。现有分布式SoC均衡策略多通过修改下垂曲线实现，但存在功率共享与电压调节的权衡；sigmoid加权一致性（SWC）虽能消除充放电切换不连续，却未考虑BESS非线性与运行优化。已有动态聚类策略多依赖集中式通信，缺乏分布式优化，且未将健康状态（SoH）、热效应和运行成本纳入聚类与调度。为此，研究人员提出一种实时集群sigmoid SoC均衡（RTC-SB）策略，基于一致性理论与sigmoid函数，采用邻居对邻居通信，按本地负荷和SoH动态分群，在集群内实现无间断的SoC均衡，并通过粒子群优化（PSO）最小化总运行成本。理论分析、数值仿真和硬件在环（HIL）实验表明，该策略在提高能效、降低成本、延长寿命和抗通信故障方面具有明显优势。研究成果发表于《IEEE Transactions on Industrial Informatics》。

关键技术方法包括：①分布式实时聚类（RTC）：以修正本地电流需求i_loc,i^mod＝i_loc,i/(C_b,iSoH_i)为聚类变量，基于邻居间交换的簇心估计按加权距离最小划分集群；②SWC均衡：使用sigmoid函数构造增益，依据集群内平均一致性SoC计算参考电流，避免控制不连续；③本地母线电压恢复：采用相位滞后补偿器（PL_loc），仅在直流链路电压恢复后激活；④PSO经济优化：以最小化线路损耗、能量和退化成本为目标，更新每簇参考电流增益，受电流、SoC和增益约束。HIL平台由Speedgoat与dSPACE组成，直流MG含7个BESS。

A. 数值结果：在含7个BESS的直流MG中进行仿真。结果表明，初始分群后各簇内SoC达到平衡，重新分群后建立新的平衡；BESS端电压和直流链路电压均恢复至参考值。各簇达到SoC一致的时间分别约为925s、925s和1075s，重新分群后约为3580s；电流最大的BESS₁表现出最大的SoH衰减。

B. 实验结果：1) 通信故障与BESS断开：BESS₃与BESS₇之间通信链路在t=100s失效，因图连通性保持，SoC均衡和聚类不受影响；BESS₃在t=240s断开后，BESS₂被重新聚类并在簇1内继续均衡，表明系统对物理变更具有弹性。2) 异构BESS、连续通信故障与一致性停用：三次连续通信故障后通信图断开，BESS₇的SoC开始偏离；停用一致性机制后所有BESS趋向全局SoC平衡，说明关键故障时无需关闭整个MG。3) 与其他策略比较：与传统SWC和分布式动态聚合（DDA）策略相比，RTC-SB（含优化）使所有BESS同时充电或放电，避免环流；平均SoH衰减率最低（-1.864×10^-6%/s），寿命延长10.08%；线路损耗较全局均衡降低4.65%，运行成本降低11.89%（0.46美元/小时）。

讨论部分指出，聚类本身（DDA和无优化RTC-SB）可分别带来1.18%和2.00%的成本下降，加入PSO后进一步达到11.89%；相比DDA，所提策略的年节省分别为262.8美元和3591.6美元。这些结果凸显了聚类与优化结合对经济性和电池寿命的协同效益。

研究结论：本文提出了一种用于多BESS直流MG的优化实时聚类SoC均衡策略。该方法依靠邻居对邻居通信，基于本地负荷需求和SoH进行实时聚类，通过sigmoid函数在簇内实现一致性SoC均衡，从而避免控制不连续；同时由相位滞后补偿器在直流链路电压恢复后调节本地母线电压。理论分析、数值仿真和实验验证表明，该策略通过实时聚类与SoC均衡将线路电阻损耗最多降低4.65%；优化框架将运行成本最多降低11.89%，相当于每小时节省0.46美元，并将BESS寿命延长最多10.08%。在通信故障和BESS断开情况下，该策略仍保持有效性。未来工作将扩展到超电容、光伏和燃料电池等多种能源，研究不同类型网络攻击下的鲁棒性，并探索事件触发通信、故障检测层和自动确定聚类数K的方法。