混合儲能在風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中的能量管理與控制策略

孫運全，張?zhí)N昕，李亞杰

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

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混合儲能在風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中的能量管理與控制策略

孫運全*，張?zhí)N昕，李亞杰

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

摘要:儲能技術(shù)在風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)中的應(yīng)用使得風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)得到了進一步完善，各個部分的控制更加合理、有效，系統(tǒng)更加穩(wěn)定、安全，并且使用效率及壽命得到了提高。通過仿真驗證了一種蓄電池與超級電容混合儲能結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中通過控制DC/DC變換器將蓄電池的高能量密度及超級電容的高功率密度的特點相結(jié)合，并且運用滑動濾波器進行二者的能量分配，同時通過DC/DC變換器達(dá)到對各儲能部分實時控制的目的，從而提高了混合儲能系統(tǒng)的靈活性與實用性。

關(guān)鍵詞:風(fēng)光互補;混合儲能;雙向DC/DC變換器;濾波技術(shù);控制技術(shù)

為了減輕風(fēng)能與太陽能的隨機性與間歇性帶來的影響，儲能系統(tǒng)成為系統(tǒng)功率調(diào)控、能量平衡的有效技術(shù)手段。蓄電池能量密度大，功率密度小是典型的能量型儲能介質(zhì);超級電容器具有功率密度大、循環(huán)壽命長、能量密度小、響應(yīng)速度快等特點，是典型的功率型儲能介質(zhì)。文獻［6］根據(jù)兩種儲能介質(zhì)特性上的互補性，提出了混合儲能技術(shù)，并且在理論上對這種互補性進行了驗證，證明了這種方式能夠使蓄電池壽命得以延長、系統(tǒng)功率輸出得以提高等觀點。文獻［8］對混合儲能于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用進行研究，得出混合儲能系統(tǒng)可以優(yōu)化充放電過程、減少充放電小循環(huán)次數(shù)、延長蓄電池壽命等結(jié)論。

在構(gòu)建混合儲能系統(tǒng)，加強對儲能系統(tǒng)的控制，提高儲能系統(tǒng)的整體性能等方面，相關(guān)研究已經(jīng)取得了一定成果。文獻［9］中提出了蓄電池組通過雙向DC/DC變換器與直流母線相連;超級電容器直接與直流母線相連的混合儲能結(jié)構(gòu)，通過與微網(wǎng)之間的功率交換實現(xiàn)系統(tǒng)的功率平衡及穩(wěn)定控制。文獻［10］中，為了得到穩(wěn)定的直流母線電壓，通過功率變換器將超級電容器與直流母線相連，并且在蓄電池與直流母線之間添加雙向DC/DC變換器，以提高蓄電池管理的靈活性。

基于相關(guān)研究，本文提出了適用于風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的超級電容器蓄電池混合儲能結(jié)構(gòu)，并就能量分配及控制技術(shù)問題進行了研究，以此提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及靈活性。在滿足風(fēng)光互補發(fā)電的需求基礎(chǔ)上，延長了蓄電池的使用壽命，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟性。最后，通過仿真驗證了此混合儲能結(jié)構(gòu)及控制策略的有效性。

1　基本結(jié)構(gòu)

風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)主要可以分為發(fā)電環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)和能量消耗及存儲環(huán)節(jié)。本文中混合儲能系統(tǒng)參與的風(fēng)光互補發(fā)電基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)生的風(fēng)能首先要經(jīng)過不可控整流裝置進行整流，再由濾波裝置進行濾波處理，經(jīng)由DC/DC變換器控制，最終流向能量消耗及存儲環(huán)節(jié)。為了防止產(chǎn)生電流倒灌損害光伏發(fā)電系統(tǒng)，其產(chǎn)生的電能需要通過防反二極管，再由DC/DC變換器控制，流向能量消耗及存儲環(huán)節(jié)。

根據(jù)圖1(b)所示混合儲能單元拓?fù)渌荆铍姵丶俺夒娙萜鞣謩e通過半橋型非隔離雙向DC/ DC變換器與直流母線相連。半橋型非隔離雙向DC/DC變換器的所用器件較少，成本較低，構(gòu)造比較簡單，且較穩(wěn)定、易于控制。圖中Ub與Rb為蓄電池組等壓源及其等效內(nèi)阻; L1、L2為半橋型非隔離雙向DC/DC變換器電感; UC為直流母線電壓; USC與RSC為超級電容器等壓源及其等效內(nèi)阻。

圖1　基本結(jié)構(gòu)圖

2　風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的能量協(xié)調(diào)控制

圖2所示風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的能量協(xié)調(diào)分配的決策過程。當(dāng)風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)提供的能量PW超出負(fù)載所需能量PL時，超級電容器蓄電池混合儲能系統(tǒng)要及時吸收多余的電能(PW－PL)，并根據(jù)下一節(jié)提出的能量管理策略在超級電容器與蓄電池之間進行合理分配。如果多余的電能超出了混合儲能系統(tǒng)的最大容量(PW－PL－Pb－Psc＞0)，卸荷負(fù)載發(fā)揮作用，開始承擔(dān)多出能量。然而，如果能量超出了卸荷負(fù)載的最大容量(Pd)max時，此時考慮對發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率做出調(diào)整。同理，在發(fā)電系統(tǒng)提供的能量不足以支持負(fù)載(PW－PL＜0)時，混合儲能系統(tǒng)開始放電以彌補負(fù)載所需電能的虧空。為了實現(xiàn)上述能量協(xié)調(diào)控制的概念，在第4節(jié)中提出了本系統(tǒng)各個部件的合理控制策略。

3a1H NMR(CDCl3) δ:8.30-8.27(m,2H),7.82-7.78(m,1 H),7.62-7.36(m,4H),7.38-7.25(m,2H).

圖2　風(fēng)光互補系統(tǒng)能量協(xié)調(diào)控制流程圖

3　混合儲能系統(tǒng)的能量管理策略

為了實現(xiàn)超級電容器與蓄電池之間能量的合理分配，需要對混合儲能系統(tǒng)所需吞吐的總功率Pwhole進行控制?？紤]到超級電容器的功率密度大、響應(yīng)速度快等特性，為充分發(fā)揮超級電容器的優(yōu)勢，且回避其儲能容量不足的劣勢，控制超級電容器承擔(dān)Pwhole中波動頻繁的部分。另一方面，由蓄電池承擔(dān)Pwhole中較為平滑的部分，這個決策可以降低頻繁充放電造成的小循環(huán)充放電現(xiàn)象，改善蓄電池的充放電過程，從而達(dá)到延長蓄電池使用壽命，減少系統(tǒng)的運行成本等目的。

采用基于滑動平均的低通濾波器進行濾波，對滑動時窗T進行調(diào)節(jié)，可以靈活地區(qū)分Pwhole中波動頻繁部分與平滑部分，從而可以對超級電容器與蓄電池進行合理的能量分配。此時設(shè)蓄電池上下限門坎端電壓為Ub up與Ub low，存儲能量設(shè)為Eb t，由于蓄電池存儲能量與端電壓的平方成正比，所以蓄電池電容器的存儲能量對應(yīng)上下限電壓為Eb1與Eb0。如圖3，利用滑動平均濾波器對高低頻電壓進行分離，設(shè)混合儲能系統(tǒng)吞吐的總功率為Pwhole，在濾波后提供給蓄電池的功率給定值為Pb ref，而超級電容器的給定功率為Psc ref=Pwhole－Pb ref。

圖3　滑動平均濾波器

通過MATLAB模擬混合儲能系統(tǒng)系統(tǒng)吞吐的總功率Pwhole，如圖4(a)。

根據(jù)滑動濾波器的工作原理，滑動時窗T的大小影響滑動濾波的通帶寬窄，通過調(diào)節(jié)T的大小可以控制滑動濾波器的濾波效果。

T越小，滑動濾波器的通帶越窄，則Pwhole經(jīng)過滑動濾波器后的所得到的Pb ref越小，蓄電池所分配的能量越少，超級電容器所分配的能量越多。T越大，滑動濾波器的通帶越寬，則Pwhole經(jīng)過滑動濾波器后的所得到的Pb ref越大，蓄電池所分配的能量越多，超級電容器所分配的能量越少。

T=1.0時，蓄電池及超級電容所分配的功率如圖4(b)與圖4(c)所示。將T增加到2.0時，蓄電池及超級電容器所分配的功率如圖4(d)與圖4(e)所示。

根據(jù)上述特性，混合儲能系統(tǒng)中的功率配置流程如下:

(a)當(dāng)蓄電池處于放電狀態(tài)時

Ub＞Ub up，即Eb t＞Eb1，表示蓄電池存儲能量過多，此時，增大T，增大蓄電池釋放功率，減小超級電容器釋放功率，以達(dá)到減少蓄電池存儲能量的目的;

Ub low＜Ub＜Ub up，即Eb0＜Eb t＜Eb1，表示此時超級電容器與蓄電池之間能量存儲較為合理，不需要調(diào)整功率大小，即保持T不變;

Ub＜Ub low，即Eb t＜Eb0時，表示蓄電池存儲量過小，需要減小蓄電池釋放功率，故減小T，減小蓄電池的釋放功率，使超級電容器來分擔(dān)負(fù)荷壓力。

圖4　滑動平均濾波仿真波形

(b)當(dāng)蓄電池處于充電狀態(tài)時

Ub＞Ub up，即Eb t＞Eb1，表示蓄電池存儲能量過多，此時，減小T，減小蓄電池的充電功率，同時增大超級電容器充電功率，以達(dá)到減少蓄電池存儲能量的目的;

Ub low＜Ub＜Ub up，即Eb0＜Eb t＜Eb1，表示此時超級電容器與蓄電池之間能量存儲較為合理，不需要調(diào)整功率大小，即保持T不變;

Ub＜Ub low，即Eb t＜Eb0，表示蓄電池存儲量過小，需要增大蓄電池充電功率，故增大T，增大蓄電池的充電功率，減少超級電容器可以分配到的電能。

4　各部分控制策略

4.1蓄電池儲能單元

如上節(jié)所述，蓄電池用于滿足發(fā)電系統(tǒng)與負(fù)載不匹配能量的低頻分量，從而避免高深度發(fā)電給蓄電池帶來的損傷，延長蓄電池的壽命。如圖1(b)所示，蓄電池通過半橋型非隔離雙向DC/DC變換器與直流母線相連。文獻［4］根據(jù)DC/DC變換器工作原理推導(dǎo)出以電感電流為變量的一種易于實現(xiàn)的控制策略，具有算法實現(xiàn)簡單，響應(yīng)速度快等的優(yōu)點?；诖?，本文提出以電感電流為控制變量的變換器控制策略，如圖5(a)所示。

其中，參考功率Pb ref與實際測量電壓Ub所得的計算電流，即電感電流參考值Ib ref，通過滑模變結(jié)構(gòu)控制器對開關(guān)量進行控制?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制器本身也是一種開關(guān)型控制方法，對于控制變換器來說是一種較為理想的控制方法。在蓄電池儲能單元控制中，選取實際電感電流Ib為被控量，建立如下切換函數(shù): S=Ib－Ib ref(Ib ref為電感電流參考值)，取u= sign(S)為約束條件。實際電感電流與電感電流參考值的差值經(jīng)由sign函數(shù)判斷得到控制量u，并由u獲得PWM的驅(qū)動信號，從而控制變換器開關(guān)管的通斷。

圖5　儲能單元控制策略

4.2超級電容器儲能單元

超級電容器根據(jù)自身特性承擔(dān)發(fā)電量與負(fù)載用電量之間差值中的高頻分量，從而彌補單一蓄電池儲能的不足，延長蓄電池壽命，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由圖1(b)可知超級電容器同樣通過雙向DC/DC變換器與直流母線相連，其變換器控制策略如圖5(b)所示。

通過參考功率Psc ref與實際電壓Usc得到計算電流，即電流參考值Isc ref，其與實際電流Isc的差值經(jīng)PID控制器后，與特定值的重復(fù)序列進行比較運算，從而得到開關(guān)量，對PWM進行驅(qū)動，達(dá)到控制變換器通斷的目的。

圖6　simulink仿真波形

5　仿真與分析

通過Simulink模擬了隨機設(shè)定時刻為某天04: 00—24: 00內(nèi)(實際模擬時間為第0～10 s)風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出特性，如圖6(a)所示。

同時設(shè)定04: 00—08: 00左右的負(fù)載消耗為1.8 kW，08:00到14:00左右的負(fù)載消耗為2.8 kW，14: 00 到24:00的負(fù)載消耗為2.3 kW，如圖6(b)所示。

混合儲能系統(tǒng)的吞吐功率波形如圖6(c)所示，與理論上混合儲能系統(tǒng)所吞吐的總功率Pwhole為風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)輸出功率與負(fù)載消耗功率的差值相符合，表明這種混合儲能結(jié)構(gòu)可以合理地吸收補償這種差值，降低了風(fēng)光互補系統(tǒng)中供電與耗電部分時間上的差異性，在節(jié)約了電能的同時，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在混合儲能系統(tǒng)單元中，蓄電池及超級電容器吞吐功率的情況分別如圖6(d)與圖6(e)所示。

超級電容器能夠快速對輸入功率的較大波動進行反應(yīng)，同時蓄電池波動較小，不難看出，超級電容器的高功率密度的特性使其承擔(dān)了波動時的大部分功率，使得蓄電池得以休息，有效減少了蓄電池的充放電次數(shù)，延長了蓄電池的使用壽命。

6　結(jié)論

通過對蓄電池及超級電容器兩種儲能技術(shù)的優(yōu)缺點的分析，將二者協(xié)調(diào)配合的混合儲能單元應(yīng)用于風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中，通過MATLAB軟件仿真并驗證了這種混合儲能結(jié)構(gòu)。在這一結(jié)構(gòu)中運用了一種基于滑動平均濾波器的能量管理策略來對二者間的能量進行合理分配，通過雙向DC/DC變換器進行能量傳輸，并對混合儲能單元的結(jié)構(gòu)及各部分的協(xié)調(diào)控制進行探討。最終，經(jīng)過研究與仿真證明，由蓄電池及超級電容器組成的混合儲能系統(tǒng)在風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中很好地承擔(dān)了發(fā)電量與消耗量之間差值的吸收與補償，改善了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的用電效率，并且超級電容器的加入分擔(dān)了波動頻繁部分的電量，減少了蓄電池充放電循環(huán)次數(shù)，延長了蓄電池的壽命，從而系統(tǒng)的經(jīng)濟性得以提高。

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孫運全(1967－)，男，漢族，江蘇鎮(zhèn)江人，工作單位為江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，主要從事電力電子及電力系統(tǒng)方面的研究，sunyunquan99@ 126.com。

An ASIFT-Based Location and Recognition Method for Road Traffic Signs*

JIAO Zaiqiang1，LüYuxiang1，MA Weiqing2，ZHAO Xiaolong2，LI Mengchun1*
(1.College of Physics and Optoelectronics，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China; 2.Yangquan Power Supply Company，Yangquan Shanxi 045000，China)

Abstract:Aiming at traffic sign recognition in ITS(Intelligent Transport System)，an ASIFT-based(Affine-Scale-Invariant Feature Transform) location and recognition method is proposed.Firstly，road traffic signs are classified and templates are extracted; secondly，the template and traffic signs set，matched with target image，are selected based on ASIFT; then，according to geometric distribution of ASIFT feature points in the matching template，target area is located on the target image; finally，Euclidean distance of feature vector is calculated between target area and one of images in traffic signs set.Based on ASIFT algorithm，accurate location and recognition effect come true.The feasibility of the method is verified by experiments.

Key words:ASIFT(Affine-Scale-Invariant Feature Transform) ; traffic sign; location; recognition

中圖分類號:TM614; TM615; TM53; TM911

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0688－05

收稿日期:2014－05－30修改日期: 2014－08－27

doi:EEACC: 621010.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.044