Novel IoT-Based Droop Control for Battery SoC Balancing Among Multiple Microgrids

基于物联网的新型压降控制，用于多个微电网之间的电池 SoC 平衡 |IEEE期刊和杂志 |IEEE Xplore

摘要：储能系统是微电网的重要组成部分，弥补了其自主运行。因此，许多研究都集中在提高其使用寿命和运营效率上。最可行的主题之一是将连接的储能单元 （ESU） 保持在相同的充电状态 （SoC）。下垂控制技术以集中式、分散式和分布式方式开发。本文提出了一种基于物联网的新型下垂控制，不仅可以在同一微电网内实现 SoC 平衡，还可以在多个微电网之间实现 SoC 平衡。所提出的架构提高了可靠性和灵活性，同时允许系统进行扩展、重新配置或升级，从而更轻松地实现即插即用功能。首先，提出了所提出的基于物联网的分层控制和通信架构。然后，介绍了所提出的 SoC 平衡技术及其与 IoT 架构的协调。通过 24 小时仿真，在不同场景下验证了所提技术的可扩展性、适应性和鲁棒性，包括任何不同容量的微电网或 ESU 的运行以及通信故障下的运行。最后，使用物理实验室微电网对所提出的技术的物联网价值链进行了实验验证，该微电网使用 HTTP 协议通过 ThingSpeak 物联网云服务发送和接收数据。
背景

为了控制已达到临界水平的温室气体排放，微电网在世界不同地区继续快速增长 [1]。首先，微电网是满足偏远地区日益增长的电力需求的最可行的解决方案;否则，将建造昂贵的输电线路来为这些地区供电。在其他情况下，微电网是唯一可能的能源供应解决方案，例如在大型船舶、卫星和空间站或偏远岛屿中 [2]、[3]。其次，微电网总是与可再生能源相关 [4];这可能是由于这些偏远地区可以使用可再生能源 （RES）。此外，传统电网在连接到随机 RES 时存在限制;因此，将这些大型 RES 单元与本地负载连接是该问题的解决方案。此外，基于 RES 的微电网代表了实现净零社区的最可行解决方案。最后，随着当前全球建设智能电网的方向，预计基于 RES 的智能微电网将构成未来的智能电网 [5]。这种基于微电网的拓扑的优势延伸到将配电网络均匀分配到孤岛微电网中。在这方面，直流微电网为集成 RES 提供了几个优势。首先，直流微电网可以轻松集成基于直流的 RES，例如光伏 （PV），或将基于 AC 的 RES 的转换级从 AC-DC-AC 转换为 AC-DC 转换。接下来，使用直流微电网可以避免在集成 RES 时进行同步。最后，直流负载和电动汽车显着增加，使直流微电网成为一种有效的解决方案。

实施基于 RES 的直流微电网时，一个主要问题是用于克服 RES 输出功率变化的储能单元 （ESU）。目前使用的电能存储方法是通过电池储能单元 （BESU）。然而，与 RES 相比，电池在系统成本中所占的份额很高，而且使用寿命相对较短 [6]、[7]。这促使许多研究人员寻找最佳方法来操作电池，最大限度地减少其利用率 [8]，并充分利用其装机容量 [9]。当使用多个电池时，它们的充电状态 （SoC） 之间的不匹配会导致问题，例如某些电池可能会出现相干的过度充电或过度放电，这会严重缩短整个 ESU 的使用寿命 [10]。因此，SoC 平衡的概念被提出并在文献中得到广泛讨论。SoC 平衡技术背后的主要动机是解决与以明显不同的 SoC 水平运行的单个电池相关的风险。例如，如果 SoC 级别较低的电池的放电速率与系统中连接的另一个 SoC 级别较高的电池的放电速率相同，则可能导致 SoC 级别较低的电池过度放电或在 SoC 下限附近运行，从而对其使用寿命产生不利影响。因此，SoC 平衡技术的主要目标是将更大份额的放电电流分配给具有较高 SoC 级别的电池，同时确保具有较低 SoC 的电池不会过度放电。通过实现放电电流的平衡分配，SoC 平衡技术有效地平衡了电池之间的 SoC。在这方面，已经使用了多种提出的控制策略来平衡 SoC。这些策略可分为集中式、分散式和高级控制策略。

集中控制最初被提出 [11]，[12] 以控制 MG 的所有 ESU。中央控制器将呈现整个能源管理系统的单点故障，表现出有限的灵活性和降低的可靠性。此外，过度的通信和中央 SoC 估计是不切实际的。作为替代，分散式控制方法被开发出来[13]–[16]，其动机是消除其控制策略中的通信负担。下垂控制被广泛用作一种分散的控制方法。它根据直流母线电压与预定义参考电压的偏差来运行。对于 RES，通过控制它们连接的转换器 [17]、[18]，使用下垂控制来实现它们之间的功率共享。对于 BESU 来说，下垂控制被广泛用于平衡他们的 SoC，迫使具有更高 SoC 的电池在充电过程中吸收更少的功率，并在放电时释放更多的功率。例如，[19]、[20]、[21] 中提出了自适应下垂控制方案，通过该方案，根据每个 SoC 与参考 SoC 的偏差来更新下垂系数。在其他研究 [22]、[23]、[24] 中，实际电池容量被包括在确定下垂系数中，以有效延长电池寿命。尽管分散式压降控制具有优势，但每次向系统添加新的 BESU 时，都需要对单个变频器的控制器进行重新编程。此外，分散控制使单个转换器独立于系统其余部分工作，而不受系统重新配置或参数降级的影响。这会导致 BESU 之间出现功率不匹配或循环电流。

为了应对分散控制的限制并避免创建单个控制点，使用了一种分层控制方法，其中 SoC 平衡技术在初级和次级控制层之间分配 [25]、[26]。例如，在 [27] 中，提出了一种基于分散控制的基于自主滤波器的 SoC 平衡策略。然而，这种去中心化 SoC 平衡解决方案的通信基础设施尚未建立起来，无法伴随更多和各种规格的 BESU。特别是 SoC 平衡技术应该能够平衡大量不同大小的 BESU。

由于公用事业公司不仅管理一个微电网，而且管理一组微电网 [28]，因此需要在不同连接的微电网之间平衡 BESU 的全球 SoC [29]。然而，由于其局限性，所有以前的下垂控制技术都未能实现这一目标，例如仅限于控制一个微电网内的 ESU，对总线电压变化敏感，电池参数的分散计算精度下降，以及不切实际的通信基础设施需要每个 ESU 收集数据并与其他 ESU 通信。

人们已经同意，未来的电网是使用物联网 （IoT） 基础设施来支持电力系统的智能电网。此外，微电网集群将共同构成未来的智能电网 [29]、[30]。因此，当今电力系统研究的重点是最大限度地提高物联网技术的利用率以提高系统可靠性。数字孪生 （DT） 是另一种推动技术，被认为可以有效管理电池管理系统集群以实现能源管理目标 [31]。

因此，本文提出了一种基于物联网作为通信基础设施的新型 SoC 平衡架构，以实现集成到微电网集群中的电池 SoC 的平衡，其中 MG 的 DT 接收其实时发电和需求，并可以估计每个 MG 的系统 SoC。拟议的基于 IoT 的下垂控制将反映在这项工作的贡献中，重点如下：

1. 所提出的架构是可扩展的，因此它可用于在单个微电网中的两个或多个电池之间平衡 SoC，也可以平衡微电网集群的不同电池之间的 SoC。

2. 建议的架构是自适应的，因此它可以在不同的 ESU 容量下工作，并且在孤岛微电网或特定 ESU 单元达到其最大或最小 SoC 限制的情况下工作。

3. 所提出的架构与电压无关，使其在功率共享方面准确，不易受到不稳定问题的影响，不易受 ESU 之间电流循环的影响，并且能够在不同的电压水平和微电网类型下工作。

4. 存储在 IoT 云中的信息用于构建 ESU 的 DT，可用于实现 ESU 的健康监测、公用事业的能源管理、能源市场分析等。

本文的其余部分结构如下。描述了多微电网系统，并详细介绍了 IoT 集成到其中。然后，描述了所提出的基于 IoT 的分层控制，区分了不同的控制动作发生的位置及其时间尺度。之后，详细介绍了所提出的 SoC 平衡技术和不同微电网之间的功率共享。然后，通过真实的仿真案例研究验证该技术，然后选择其中两个案例研究，在完整的实验性物联网价值链中测试所提出的整体解决方案。