混合儲(chǔ)能超級(jí)電容與蓄電池能量分配策略研究

曹華鋒，白 迪，趙志剛

（沈陽(yáng)工程學(xué)院電力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

混合儲(chǔ)能超級(jí)電容與蓄電池能量分配策略研究

曹華鋒，白 迪，趙志剛

（沈陽(yáng)工程學(xué)院電力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

針對(duì)超級(jí)電容與蓄電池的混合儲(chǔ)能，提出了一種電池端DC－DC變換器動(dòng)態(tài)控制策略。該策略可以防止電池出現(xiàn)深度放電，降低蓄電池的充放電頻率，延長(zhǎng)電池使用壽命，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了其有效性。

動(dòng)態(tài)濾波；DC－DC變換器；混合儲(chǔ)能；滑動(dòng)平均法

當(dāng)前，新能源引起了全球的廣泛關(guān)注，微電網(wǎng)的異軍突起帶來(lái)了能源的新形勢(shì)［1］。但微電網(wǎng)各分布式電源發(fā)電功率的不確定性使微電網(wǎng)的推廣受到很大局限。采用儲(chǔ)能系統(tǒng)解決這個(gè)問(wèn)題成為主流。單一的儲(chǔ)能方式無(wú)法滿(mǎn)足微網(wǎng)對(duì)功率與能量性能的需求，超級(jí)電容與蓄電池復(fù)合的混合儲(chǔ)能方式結(jié)合了2種電池的優(yōu)勢(shì)，很好地解決了微電網(wǎng)電壓與頻率波動(dòng)的問(wèn)題。針對(duì)超級(jí)電容與蓄電池的混合儲(chǔ)能，考慮到2種電池的電荷狀態(tài)（SOC）、微電網(wǎng)功率波動(dòng)等因素設(shè)計(jì)了一套自適應(yīng)濾波系統(tǒng)，通過(guò)控制系統(tǒng)輸出對(duì)應(yīng)的信號(hào)控制DC－DC變換器的工作狀態(tài)，從而達(dá)到協(xié)調(diào)2種電池平抑功率的目的。

1 混合儲(chǔ)能工作原理

傳統(tǒng)的超級(jí)電容與蓄電池的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理如圖1所示［2］。超級(jí)電容響應(yīng)速度快，但能量密度低，蓄電池響應(yīng)速度慢，能量密度高。因此，對(duì)于蓄電池的控制，首先對(duì)并網(wǎng)逆變器與交流側(cè)交換的有功部分進(jìn)行低通濾波，得到功率平滑的部分由蓄電池平抑，高頻部分由超級(jí)電容平抑。超級(jí)電容采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)采用電壓控制，內(nèi)環(huán)采用電流控制，用來(lái)穩(wěn)定直流母線的電壓。

圖1 混合儲(chǔ)能原理

蓄電池系統(tǒng)的工作過(guò)程［3］：交流側(cè)電壓的電流采樣電路經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換把數(shù)字信號(hào)傳遞給單片機(jī)控制器，經(jīng)過(guò)運(yùn)算得到有功功率，再經(jīng)濾波得到蓄電池所需平抑功率的參考值Ppbref。由Ppbref與電壓采樣電路反饋回的電池端電壓upb的比值得到電流環(huán)的電流參考值與電流采樣電路得到的蓄電池兩側(cè)的電流值ipb的差值，經(jīng)過(guò)PI控制系統(tǒng)后再經(jīng)脈沖寬度調(diào)制得到PWM信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路D／A轉(zhuǎn)換，控制DC－DC變換器IGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

超級(jí)電容工作過(guò)程：直流母線的電壓Udc經(jīng)過(guò)采樣得到的數(shù)字信號(hào)傳遞給單片機(jī)，Udc與直流母線額定電壓的差值經(jīng)過(guò)PI控制得到電流環(huán)控制的參考電流值，電流采樣電路得到的超級(jí)電容兩端電流isc與的差值，經(jīng)過(guò)PI控制系統(tǒng)再經(jīng)脈沖寬度調(diào)制得到PWM信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制超級(jí)電容側(cè)DC－DC變換器的IGBT開(kāi)關(guān)。超級(jí)電容控制具有一定的自適應(yīng)性，自動(dòng)承擔(dān)了功率的高頻部分。

2 儲(chǔ)能電池的數(shù)學(xué)模型

2.1 蓄電池模型

蓄電池等效電路模型如圖2所示。

圖2 蓄電池等效電路模型

忽略蓄電池極化電阻和相間微分電容有：

式中：E為蓄電池空載電壓；SOCpb0為蓄電池初始電荷狀態(tài)；Qpb為蓄電池容量。

2.2 超級(jí)電容模型

超級(jí)電容等效電路模型如圖3所示。

圖3 超級(jí)電容等效電路模型

式中：Umax、Umin分別為超級(jí)電容工作的最高電壓與最低電壓；Uoc為當(dāng)前電容的端電壓。

3 改進(jìn)的能量分配策略及實(shí)現(xiàn)方法

3.1 能量分配策略

在超級(jí)電容與蓄電池的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)下，為了協(xié)調(diào)好2種儲(chǔ)能裝置的功率分配，減少電荷狀態(tài)過(guò)高或者過(guò)低的情況。同時(shí)，盡可能提高超級(jí)電容的利用率，減少蓄電池的充放電次數(shù)，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，建立了混儲(chǔ)能量分配策略，其流程如圖4所示。

超級(jí)電容與蓄電池狀態(tài)分3種：當(dāng)電荷狀態(tài)低于電池額定容量的20%時(shí)為低狀態(tài)區(qū)，此時(shí)電池不再放電，優(yōu)先充電；當(dāng)電荷狀態(tài)高于電池額定容量的80%時(shí)，電池不再充電，優(yōu)先放電；當(dāng)電荷狀態(tài)在電池容量的20%～80%時(shí)，為正常工作區(qū)。

由圖4可知，p為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)要平抑的功率波動(dòng)，經(jīng)過(guò)自適應(yīng)率系統(tǒng)得到的蓄電池要平抑的功率參考值為，此時(shí)對(duì)蓄電池與超級(jí)電容的電荷狀態(tài)進(jìn)行判斷，若2種電池均在正常工作區(qū)，則通過(guò)判斷｜p?bref｜與Δp的大小來(lái)確定超級(jí)電容與蓄電池平抑的功率大小。若2種電池存在1組處于非正常工作區(qū)的狀態(tài)，則通過(guò)判斷p的正負(fù)與電池電荷狀態(tài)來(lái)確定電池平抑功率的大小。

功率參考值Δp為

3.2 滑動(dòng)平均濾波算法

滑動(dòng)平均濾波算法的本質(zhì)就是一種低通濾波算法［4］，在一個(gè)固定長(zhǎng)度為T(mén)的滑動(dòng)窗口沿著離散時(shí)間序列滑動(dòng)，每滑動(dòng)1個(gè)采樣間隔，窗口前面進(jìn)入1個(gè)新數(shù)據(jù)，同時(shí)窗口后面去掉1個(gè)舊數(shù)據(jù)，在這個(gè)窗口式中就會(huì)有T／t個(gè)最新數(shù)據(jù)，每滑動(dòng)1次后，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均得到對(duì)應(yīng)值。

圖4 電容與電池的功率分配流程

式中：T為滑動(dòng)窗口的時(shí)間寬度。在實(shí)際電路中為

由并網(wǎng)逆變器交流側(cè)的采樣電路得到的負(fù)荷電流與電壓經(jīng)過(guò)park變換后，對(duì)應(yīng)d軸q軸乘積得到的有功功率，在時(shí)間T內(nèi)積分求和能得到的數(shù)值除以T，便可以得到平緩的功率Ppbref，這部分功率可由蓄電池進(jìn)行平抑。根據(jù)T的不同，濾波效果也會(huì)隨之改變。

滑動(dòng)平均濾波器可以等效成二階低通濾波器，工程中一般要求增益衰減在3～40 dB。在混合儲(chǔ)能的動(dòng)態(tài)計(jì)算公式為

3.3 控制策略的實(shí)現(xiàn)

在圖4基礎(chǔ)上建立了蓄電池端DC－DC變換器的控制策略，如圖5所示。

圖5 蓄電池端DC－DC變換器的控制策略

蓄電池采用外環(huán)功率內(nèi)環(huán)電流控制，相對(duì)于傳統(tǒng)的蓄電池端控制方法［5］，低通濾波部分采用了自適應(yīng)濾波器，增加了蓄電池功率平抑參考值的判斷環(huán)節(jié)，若平抑的功率為小功率，則由超級(jí)電容平抑，由此減少蓄電池的使用率。由式（11）計(jì)算得到濾波常數(shù)T的值，通過(guò)改變?yōu)V波頻率，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)蓄電池平抑功率波動(dòng)的大小。

如圖6所示，建立了超級(jí)電容端DC－DC變換器的控制策略。

圖6 超級(jí)電容端DC－DC變換器的控制策略

超級(jí)電容用雙閉環(huán)控制，穩(wěn)定直流母線的電壓以提高電能質(zhì)量?？刂破鞲鶕?jù)超級(jí)電容的電荷狀態(tài)與反饋過(guò)來(lái)P值的正負(fù)，確定超級(jí)電容的電荷充放電狀態(tài)，防止電容因過(guò)充或過(guò)放造成損傷。

4 仿真與驗(yàn)證

在Matlab／Simulink仿真平臺(tái)中搭建了超級(jí)電容與蓄電池的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)模型。儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

由于仿真條件下很難截取數(shù)十min以上數(shù)據(jù)，出現(xiàn)所提策略的所有情況更加困難，因此，對(duì)混合儲(chǔ)能的一般工作狀態(tài)下進(jìn)行仿真分析。

設(shè)定超級(jí)電容端電壓180 V，此時(shí)超級(jí)電容的SOC為71%，2種電池狀態(tài)都在正常工作區(qū)，對(duì)混儲(chǔ)系統(tǒng)仿真運(yùn)行的0.2～1.3 s內(nèi)進(jìn)行分析。由圖7、圖8對(duì)比每個(gè)圖的上方為蓄電池平抑的功率，改進(jìn)策略下出現(xiàn)了超級(jí)電容平抑功率為零的時(shí)刻，說(shuō)明此時(shí)蓄電池并沒(méi)有進(jìn)行充放電，對(duì)比圖8，蓄電池進(jìn)行小功率充放電，而由超級(jí)電容在2種策略下的功率平抑對(duì)比，改進(jìn)策略下的超級(jí)電容具有自適應(yīng)性，自動(dòng)平抑了蓄電池未平抑的功率ΔP。

圖7 改進(jìn)策略下蓄電池與超級(jí)電容平抑的功率

為了既能提高超級(jí)電容的利用率，又不增加其負(fù)擔(dān)，改進(jìn)策略下的ΔP能夠動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，根據(jù)超級(jí)電容的SOC與當(dāng)前平抑功率的正負(fù)大小來(lái)確定其值的大小，如圖9所示。

圖8 未改進(jìn)策略下蓄電池超級(jí)電容平抑的功率

圖9 改進(jìn)策略下的ΔP值

5 結(jié)束語(yǔ)

微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能利用了超級(jí)電容與電池各自的優(yōu)勢(shì)，滿(mǎn)足微電網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的要求。本文針對(duì)2種儲(chǔ)能方式的控制，建立一種自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)交互系統(tǒng)，協(xié)調(diào)2種儲(chǔ)能方式的功率分配，充分利用2種儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)，減少因?yàn)閮?chǔ)能種類(lèi)增加導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定。通過(guò)仿真可以看到，本文針對(duì)2種儲(chǔ)能情況的處理策略，保證了儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性，提高了電池的使用壽命，促進(jìn)了微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

［1］程 成.用于可再生能源發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的混合儲(chǔ)能控制策略研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2014：25－27.

［2］周 林，黃 勇，郭 珂，等.微電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)研究綜述［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（7）：147－152.

［3］張華健，黃 偉.微電網(wǎng)運(yùn)行控制與保護(hù)技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2009：75－76.

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Energy Allocation Strategy of Super Capacitor and Storage Battery Based on Hybrid Energy Storage

CAO Hua?feng，BAI Di，ZHAO Zhi?gang
（School of Electrical Engineering，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China）

According to the hybrid energy storage capacity of micro grid，a dynamic control strategy for the DC?DC converter is pro?posed.This strategy can prevent the battery from the depth of discharge，reduce the battery charge and discharge frequency，extend the battery life.The effectiveness of the proposed strategy is verified by simulation.

Dynamic filter；DC?DC converter；Hybrid energy storage；Moving average method

TM912；TM53

A

1004－7913（2016）06－0011－04

曹華鋒（1990—），男，碩士，主要研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)運(yùn)行控制策略及控制方法。

2016－02－28）