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融合荷电状态均衡的电池储能系统多性向协调一次调频策略

一次调频（PFC）是并网电池储能系统（BESS）的关键功能，尤其对于接入低惯量电网的系统而言。然而，电池组的单体均衡状态会显著影响BESS的频率支撑能力和性能，并可能导致电池寿命衰减或安全风险。现有均衡策略通常局限于单体级或电池包级的局部任务，忽视了BESS与电网交互的系统级功率指令，从而导致内部均衡目标与外部控制目标间可能产生冲突。针对该问题，本文提出一种融合双阶段单体荷电状态（SOC）均衡的多性向PFC策略，有效协调了单体、电池包与系统三个层级的调控能力。在多级框架中，电池层级控制通过长短期记忆（LSTM）算法预测单体电池的SOC，为SOC均衡提供关键输入。模组层级控制通过功率分配实现第一阶段SOC均衡，其中各模组的不平衡因子用于响应BESS的PFC指令来调整模组电流。系统层级通过灵活调节BESS总输出功率，实现自适应频率响应和第二阶段SOC均衡。案例研究结果验证表明，所提出的策略能有效提升系统综合性能。在测试案例中，与不含BESS的场景相比，频率偏差的均方根值（RMS）降低了38.2%。在电池均衡方面，相较于无均衡策略的测试案例，组间SOC标准差减少了48.2%。相应地，电池循环寿命延长了21.6%，储能平准化成本（LCOS）降低了0。49%（与传统自适应PFC策略相比），从而有效提升运行效率。本研究为实现BESS内部电池状态管理与外部电网支撑服务的全面协调提供了理论与技术支撑。

引言

大规模可再生能源渗透率的持续提高导致电网功率波动加剧，对电力系统频率稳定性与运行安全构成威胁[1]。这一能源转型使得频率稳定维持的挑战更为严峻，因为主要由同步发电机提供的传统一次调频(PFC)方法，往往难以满足响应速度与调节精度的严苛要求[2]。凭借快速精准的双向功率调节能力，电池储能系统(BESS)已成为电网关键调节资源之一，在此背景下一次调频(PFC)功能也成为BESS的核心应用场景[3][4]。
文献中已提出多种PFC（一次调频控制）策略，例如传统频率下垂控制[5]以及考虑适配荷电状态（SOC）或健康状态（SOH）的改进型频率下垂控制，这些策略旨在缓解过充或过放问题[6]。然而，这些研究通常将电池储能系统（BESS）视为集总模型，忽略了电池单体间的内部不均衡现象。这种不均衡通常源于制造公差和差异化的运行环境[7]。在长期运行过程中，BESS内部的单体不均衡会导致个别电池过早出现过充或过放，进而加速系统老化并增加运维成本。更严重的是，这种不均衡可能引发整个BESS的停机，从而削弱系统频率支撑能力，甚至对电网造成重大扰动[8][9]。因此，在提供频率支撑服务时确保电池单体均衡，对BESS的稳定运行至关重要。
针对电池单体均衡化问题，学者们从均衡拓扑结构和控制策略两个维度提出了不同解决方案。改进型拓扑均衡方法受到广泛研究。传统均衡拓扑可分为无源拓扑与有源拓扑两类：无源拓扑通过阻性元件耗散多余能量，存在固有能量损耗[10]；而有源拓扑则借助储能元件实现能量转移[11]。除这些传统均衡拓扑结构外，可重构架构因其灵活性、快速响应和强容错能力而日益受到关注[12]。然而，这些额外依赖硬件的拓扑结构需要增设物理组件：被动拓扑需配置耗散电阻，主动拓扑需配置电感器、电容器与功率开关，可重构拓扑则需高频开关矩阵。这种对附加硬件的依赖给均衡策略带来了限制。具体而言，附加的电路元件会产生寄生功率损耗和能量耗散，而元件数量的增加会提升部件故障概率，从而引发潜在的可靠性风险[13]。更重要的是，对于未预先设计均衡拓扑的BESS而言，上述方法将失效。因此，近期研究更倾向于聚焦于不依赖额外硬件的、基于控制策略（Strategy）的均衡策略（Strategy）。
应用最广泛的基于控制策略的均衡方案为阈值触发式。当特定指标达到预设阈值时即触发均衡过程。均衡判断参数可以是荷电状态（SOC）、电压差或健康状态（SOH）[14]。例如，Wu等采用平均SOC差值识别目标单体电池，并运用模糊逻辑控制器调节均衡电流[15]；Tang等则以SOH超过预设阈值作为均衡的触发条件[16]。然而，这些固定阈值策略通常仅在阈值被突破后才启动均衡，因此存在调节滞后和动态性能受限的问题。为克服这一局限，近期研究转向预测控制策略。其基本原理是通过预测未来单体状态，在阈值突破前实施干预[17]。为实现此功能，常采用长短期记忆网络（LSTM）等先进循环神经网络。LSTM在捕捉电池行为中的非线性时序依赖性方面表现突出，在预测SOC和SOH时展现出卓越性能[18]。尽管这些基于预测的策略成功缓解了时序滞后问题，但其优化范围仍局限于电池内部。
尽管这些研究提出了均衡解决方案，但多数聚焦于算法优化层面——例如提升均衡速度、增强可靠性或降低能量损耗[19][20]。此外，这些方法通常假设电池储能系统（BESS）处于稳态工作条件下运行，而对电网支撑需求响应的动态输出要求却鲜少涉及。在此背景下，均衡通常表现为局部单体级或模组级任务，并未涵盖系统级功率转换的运行与调控。这种疏忽无法捕捉系统级动态特性和耦合约束，导致现有变流基础设施在电池均衡方面的调节能力被部分浪费[21]。为提升电池储能系统综合性能，必须协调局部监控功能与变流基础设施的执行能力。具体而言，应通过挖掘现有变流环节的调节裕度，在协同执行电网交互功率指令的同时实现电池单体均衡。为此，部分研究提出在电池储能系统中依据健康状态（SOH）或能量损耗对多台变流器实施差异化功率分配[22][23]；另一些策略则采用老化率均衡原则，即动态调整各DC-DC变流器的下垂系数以确保老化程度一致[24]。然而，这些以老化调控为导向的方法在严格受实时荷电状态（SOC）而非缓慢变化的健康状态（SOH）约束的高频功率因数校正场景中适用性较低。针对SOC均衡问题，Li等学者...本文提出一种两级功率分配策略[25]。上层通过交替优化目标实现电池储能系统的调度，下层则采用电池簇投切方式完成内部均衡。然而，这种基于簇切换的方法依赖被动触发机制，在簇并网/离网时不可避免地引入功率暂态。此外，该方法缺乏快速一次调频所需的精细化连续调节能力。
表1展示了现有方法的总结与比较。如所示，当前方法通常在额外硬件成本、预防能力缺失或高频动态兼容性不足等方面存在局限。因此，在考虑电网PFC需求的同时，实现内部状态管理与外部电力服务的动态协调，仍然是一个关键且未解决的挑战。为应对这些挑战，本文提出一种集成SOC均衡的多级协调BESS-PFC策略。该策略旨在通过最大化利用系统调节裕度，在确保PFC性能的同时主动均衡BESS中的电池单体。本文的主要贡献如下。
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    本研究开发了多层级协调PFC架构，整合系统级频率响应决策、电池组级功率分配与单体级SOC预测。该设计有效平衡PFC与SOC均衡，在无需额外硬件的情况下提升内部均衡性，保障电池储能系统的PFC性能。
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    构建了一种双级均衡机制。第一级在电池包层面执行考虑组间容量差异与内部不均衡的灵活功率分配。第二级在系统层面实施BESS功率调节，以预先抑制不均衡累积并防止其超出安全阈值。该双级均衡机制协同利用了电芯、电池包和系统层级的调节能力，显著提升了均衡效率。
上一个：基于正反向滤波器并行与二维高斯函数的双电池储能系统平抑风电功率波动的双层协调控制策略 下一个：基于空气冷却耦合微热管阵列@金属有机框架的锂离子电池储能系统混合电池热管理系统的扳机策略及其性能评估

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