直流對(duì)等式微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略

孫建龍竇曉波張子仲全相軍許泰峰徐 沛（. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院 南京 0096 . 國(guó)電南瑞科技股份有限公司 南京 06）

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直流對(duì)等式微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略

孫建龍1竇曉波1張子仲2全相軍1許泰峰2徐 沛1
（1. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院 南京 210096 2. 國(guó)電南瑞科技股份有限公司 南京 211106）

摘要提出一種基于鋰離子電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)控制策略，使得混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（HESS）適用于風(fēng)能、太陽(yáng)能或者其他間歇式分布式電源供電的微電網(wǎng)。針對(duì)鋰離子電池和超級(jí)電容的放電特性，提出DC-DC側(cè)對(duì)等式并行雙環(huán)控制策略，控制直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定的同時(shí)，利用控制環(huán)路自身帶寬濾波特性及交流功率前饋達(dá)到功率分配效果；采用滯環(huán)PI控制方法，保證超級(jí)電容不會(huì)過(guò)放或者過(guò)充。DC-AC側(cè)采用雙同步坐標(biāo)系下不平衡電流控制結(jié)構(gòu)，有效跟蹤不平衡參考電流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的協(xié)調(diào)控制策略能有效抑制直流母線(xiàn)電壓沖擊與波動(dòng)，顯著提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)；同時(shí)，超級(jí)電容利用效率得到提高，微電網(wǎng)在過(guò)渡狀態(tài)下的性能也得到了改善。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng) 混合儲(chǔ)能 鋰電池 超級(jí)電容 功率控制 變換器控制

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（2014AA052002），國(guó)家自然科學(xué)基金（51307023），江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃（BK20130624）和國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（524608140103）資助。

DC Peer-to-Peer Coordinated Control Strategy of Hybrid Energy Storage System for Microgrid

Sun Jianlong1Dou Xiaobo1Zhang Zizhong2Quan Xiangjun1Xu Taifeng2Xu Pei1
（1. School of Electrical Engineering Southeast University Nanjing 210096 China 2. Nari Technology Co. Ltd. Nanjing 211106 China）

Abstract This paper presents the design and optimal control strategies for hybrid energy storage system (HESS) consisting of lithium-ion batteries (LB) and ultra-capacitors (UC). Thus HESS is suitable for microgrid powered by wind, solar and (or) other intermittent DERs. Herein, the fluctuations of the exchange power between the microgrid and the utility are hence suppressed and flattened when the microgrid operates in grid-connected mode, while the voltage and frequency keep stable when the microgrid operates in (during) island mode. The performance of the transient state of microgrid is improved. The simulation and experimental results based on the prototype verify the proposed design and strategies.

Keywords：Microgrid, hybrid energy storage system, lithium-ion batteries, ultra-capacitors, power control, converter control

0 引言

微電網(wǎng)以其對(duì)分布式電源的有效利用及靈活智能的控制特點(diǎn)，成為許多國(guó)家未來(lái)電力發(fā)展戰(zhàn)略的重點(diǎn)之一。而微電網(wǎng)中一般含大量的光伏和風(fēng)電等分布式電源，分布式電源波動(dòng)性會(huì)對(duì)系統(tǒng)的安全供電和電能質(zhì)量帶來(lái)負(fù)面影響。因此，在系統(tǒng)中配備一定的儲(chǔ)能單元，既可以提高分布式電源的發(fā)電利用率，又能抑制其波動(dòng)性和間歇性，降低對(duì)系統(tǒng)或者電網(wǎng)的沖擊與影響。傳統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置充、放電速度慢、循環(huán)次數(shù)少且壽命短；新型的動(dòng)力型鋰離子電池雖然具有較高的放電速率，但是其成本高昂，而且充電速率不宜過(guò)快。因此，需要尋求一種響應(yīng)速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)的儲(chǔ)能轉(zhuǎn)置與之相配合。超級(jí)電容正是符合該要求的新型儲(chǔ)能裝置，超級(jí)電容（Ultra-Capacitors, UC）與電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（Hybrid Energy Storage System, HESS）受到了廣泛關(guān)注與研究[1]。文獻(xiàn)[2]研究了HESS各種不同的配置方式及其優(yōu)缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[3-5]研究了HESS直流接入的功率分配與協(xié)調(diào)控制。由于直流接入應(yīng)用場(chǎng)合單一，耦合度高，因此本文采用HESS交流接入方式，方便應(yīng)用于包括光伏在內(nèi)的各種微電網(wǎng)系統(tǒng)。

目前，對(duì)于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究，國(guó)內(nèi)外大部分工作都集中在如何在電池和超級(jí)電容之間進(jìn)行功率分配以減小電池的充、放電深度以及平滑功率波動(dòng)。文獻(xiàn)[3]研究了直流孤島光伏發(fā)電系統(tǒng)中，鋰電池與超級(jí)電容的協(xié)調(diào)控制策略，提出超級(jí)電容補(bǔ)償光伏波動(dòng)以減少電池充、放電次數(shù)，但未涉及交流并網(wǎng)環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[4]提出基于滑窗平均的功率分配控制策略，可以平滑電池放電電流。文獻(xiàn)[5]提出基于低通濾波器的功率分配控制策略，將低通濾波器引入控制環(huán)路，降低了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，同時(shí)低通濾波器截止頻率需要取舍。然而，目前的大部分研究并沒(méi)有注意超級(jí)電容充、放電深度問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]基于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)提出一種風(fēng)電波動(dòng)功率的平抑方法，針對(duì)隨機(jī)風(fēng)電波動(dòng)功率分解后的特性使蓄電池和超級(jí)電容器承擔(dān)不同類(lèi)型波動(dòng)功率平抑的任務(wù)，充分發(fā)揮二者的儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)混合儲(chǔ)能應(yīng)用，本文首先提出一種HESS結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩級(jí)功率變換單元接入微電網(wǎng)，可以配合包括風(fēng)、光在內(nèi)的任意分布式發(fā)電單元；其次，在上述HESS結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出兩級(jí)解耦控制策略：①前級(jí)DC-DC采用對(duì)等式并行雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，并行雙環(huán)冗余控制直流母線(xiàn)，提高控制性能，在交流功率前饋的配合下達(dá)到功率分流的運(yùn)行效果，同時(shí)保證直流母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定；②后級(jí)DC-AC采用雙同步坐標(biāo)系正、負(fù)序解耦控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為電流控制，外環(huán)為直接瞬時(shí)功率控制或者輸出電壓控制，使得系統(tǒng)能夠支持微電網(wǎng)的多種運(yùn)行工況。此外，通過(guò)對(duì)AC側(cè)的靈活控制還可以增強(qiáng)微電網(wǎng)接入電網(wǎng)的友好性，提高對(duì)電網(wǎng)的故障穿越能力。

1 HESS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為本文所提HESS系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，超級(jí)電容與鋰電池通過(guò)并聯(lián)雙向DC-DC變換器接入直流母線(xiàn)，直流母線(xiàn)與交流電網(wǎng)之間通過(guò)雙向DC-AC變換器連接；雙向DC-DC電路用于實(shí)現(xiàn)DC-DC控制策略，DC-AC變換器則實(shí)現(xiàn)DC-AC控制策略，二者通過(guò)直流母線(xiàn)電容解耦。圖中Luc為超級(jí)電容雙向DC-DC電路濾波電感，Lba為電池雙向DC-DC電路濾波電感，Cdc為直流母線(xiàn)電容，L、C為交流濾波電感與電容。

圖1 HESS基本結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure of HESS

2 HESS控制策略

HESS的功率流向如圖1所示，其中，Po為HESS系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的交換功率，Pba為電池雙向功率，Puc為UC雙向功率，Po=Pba+Puc。理想情況下，直流母線(xiàn)電壓保持穩(wěn)定，Po低頻分量由Pba提供，Po高頻分量由Puc提供。直流母線(xiàn)電壓波動(dòng)反映輸出功率的波動(dòng)，因此使得采用直流母線(xiàn)電壓控制來(lái)完成功率的分流成為可能。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，直流側(cè)控制直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定，電池與UC采用對(duì)等式電壓控制策略，并行雙環(huán)通過(guò)調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)，各自占據(jù)頻域不同的帶寬部分，在交流功率前饋的配合下達(dá)到功率分流的運(yùn)行效果。交流側(cè)采用雙同步坐標(biāo)系正、負(fù)序解耦控制結(jié)構(gòu)，其核心為內(nèi)環(huán)電流控制器，實(shí)現(xiàn)正、負(fù)序有功、無(wú)功解耦控制，使控制更為靈活。外環(huán)為輸出電壓控制或基于瞬時(shí)功率理論的電流參考值生成系統(tǒng)。

由圖2可看出，DC-AC變換器脫離對(duì)直流母線(xiàn)的控制，可以實(shí)現(xiàn)更多靈活的應(yīng)用，如負(fù)荷預(yù)測(cè)、諧波補(bǔ)償、無(wú)功補(bǔ)償和電流源與電壓源切換等。電網(wǎng)故障期間，超級(jí)電容直接控制母線(xiàn)電壓，可吸收電網(wǎng)不平衡所造成的直流母線(xiàn)波動(dòng)功率，提高系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的故障穿越能力。

2.1 DC側(cè)控制策略

為簡(jiǎn)化DC側(cè)模型分析，不考慮交流側(cè)擾動(dòng)時(shí)，對(duì)并聯(lián)雙向DC-DC電路建模，得到其開(kāi)關(guān)周期平均模型為

圖2 HESS控制結(jié)構(gòu)Fig.2 Control structure of HESS

式中，dbc、duc分別為電池與UC開(kāi)關(guān)電路的占空比；RLba、RLuc分別為電池與UC開(kāi)關(guān)電路的電感電阻，對(duì)式（1）在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)處小信號(hào)線(xiàn)性化并忽略電池與UC端電壓擾動(dòng)可得

式中，上標(biāo)‘^’表示小信號(hào)量，由式（2）～式（4）可得到復(fù)頻域下小信號(hào)傳遞函數(shù)式為

由式（8）和式（9）可知，由于母線(xiàn)電容的耦合作用，使得電池與UC電流之間產(chǎn)生擾動(dòng)，然而可以通過(guò)閉環(huán)控制抑制該擾動(dòng)。式（10）為母線(xiàn)電壓相對(duì)電池電流與UC電流的動(dòng)態(tài)傳遞關(guān)系以及與輸出電流的擾動(dòng)傳遞關(guān)系，因此式（10）作為母線(xiàn)電壓并行雙環(huán)設(shè)計(jì)依據(jù)。

電池與UC控制框圖如圖3所示，圖中各傳遞函數(shù)表達(dá)式為式中，Gid_ba和Gid_uc分別為電池與UC電流控制對(duì)象；Gui_ba和Gui_uc分別為電池與UC控制器傳遞函數(shù)，采用PI控制器，其傳遞函數(shù)形式為

圖3中，Kpwm為PWM調(diào)制系數(shù)，可根據(jù)經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)電池與UC電流控制環(huán)，使得電池與UC電流環(huán)具有較高的控制帶寬，滿(mǎn)足內(nèi)、外環(huán)控制帶寬的解耦要求。

圖3 直流環(huán)路控制框圖Fig.3 Diagram of control block of the DC

根據(jù)圖3可得電池與UC電流閉環(huán)傳遞函數(shù)

由此得到電池母線(xiàn)電壓控制環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為UC母線(xiàn)電壓控制環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為式中，為并行母線(xiàn)電壓環(huán)PI控制器傳遞函數(shù)。根據(jù)圖3可計(jì)算母線(xiàn)電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)為

由式（20）可知，并行雙環(huán)增加了母線(xiàn)電壓控制增益，提高了系統(tǒng)抗擾動(dòng)性；同時(shí)由于冗余控制母線(xiàn)電壓，系統(tǒng)可靠性增加。根據(jù)經(jīng)典控制理論，系統(tǒng)閉環(huán)控制帶寬略低于開(kāi)環(huán)截止頻率，因此通過(guò)對(duì)和的選擇設(shè)計(jì)，使母線(xiàn)電壓誤差信號(hào)有選擇地通過(guò)電池與UC控制環(huán)路。分別令和為零，可得到電池與UC單獨(dú)閉環(huán)傳遞函數(shù)，閉環(huán)伯德圖如圖4所示。由圖4可看出，電池控制環(huán)路閉環(huán)帶寬窄，約為3Hz，其運(yùn)行在較低頻段，抗擾動(dòng)能力弱，但是保留一定的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性。由于電池的能量型儲(chǔ)能特性，在低頻段電池為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行提供能量支撐和運(yùn)行基礎(chǔ)，滿(mǎn)足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)功率平衡需求。而超級(jí)電容控制環(huán)路閉環(huán)帶寬較寬，約為180Hz，抗干擾能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可提高系統(tǒng)魯棒性，補(bǔ)償系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功率需求。由此可知，UC主要工作在3～180Hz頻段，而電池則主要工作在0～3Hz頻段。

圖4 DC-DC側(cè)控制環(huán)路閉環(huán)伯德圖Fig.4 Diagram of DC-DC close loop Bode plots

由圖4可知，系統(tǒng)直流側(cè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)主要由UC直流母線(xiàn)電壓控制環(huán)路決定，其控制帶寬為180Hz。系統(tǒng)交、直流動(dòng)態(tài)特性配合一致，才能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。通常情況下，直流側(cè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)略快于交流側(cè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，這為交流電流環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì)提供了截止頻率上限依據(jù)。

圖4中，電池與UC閉環(huán)帶寬同時(shí)占據(jù)低頻段部分，此時(shí)，誤差信號(hào)的分配由低頻增益決定。當(dāng)UC端電壓正常時(shí)，控制環(huán)路自動(dòng)分配機(jī)制可以取得較好效果；然而當(dāng)UC端電壓過(guò)高或過(guò)低時(shí)，此時(shí)并不希望能量持續(xù)的流入或流出UC，因此通過(guò)交流瞬時(shí)功率前饋，間接調(diào)節(jié)UC端電壓水平。前饋系數(shù)為

此前饋系數(shù)可使流入U(xiǎn)C的功率均值較小，然而并不能保證UC端電壓處于正常范圍內(nèi)，如圖5所示。因此，本文設(shè)計(jì)了UC端電壓輔助控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用滯環(huán)控制，調(diào)節(jié)UC端電壓水平，滯環(huán)示意圖如5所示。圖5中根據(jù)本文UC端電壓水平標(biāo)識(shí)了三段范圍，當(dāng)UC電壓上升到啟動(dòng)控制域后，啟動(dòng)控制，UC電壓經(jīng)過(guò)下降控制域進(jìn)入停止控制域，并停止UC電壓控制；當(dāng)UC電壓降落到啟動(dòng)控制域后，啟動(dòng)控制，UC電壓經(jīng)過(guò)上升控制域進(jìn)入停止控制域，并停止UC電壓控制。

圖5 UC電壓滯環(huán)控制示意圖Fig.5 The hysteresis control diagram of UC voltage

UC電壓控制如圖6所示，UC電壓輔助控制設(shè)計(jì)控制速度為s級(jí)，電池電流環(huán)閉環(huán)動(dòng)態(tài)特性可以忽略，因此圖6中PI參數(shù)依據(jù)典型一階環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，較為簡(jiǎn)單。

圖6 UC電壓控制框圖Fig.6 The control block diagram of UC voltage

2.2 AC側(cè)控制策略

AC側(cè)控制性能很大程度上取決于電流控制，因此合理的電流控制結(jié)構(gòu)及控制器尤為重要。文獻(xiàn)[11,12]提出采用不對(duì)稱(chēng)電流注入的比例諧振控制器，雖然能夠無(wú)靜差地跟蹤正弦電流，也具有較好的控制性能，但是不能提取不平衡電流的正、負(fù)序分量加以解耦控制，難以取得較好的直接功率控制效果以及電網(wǎng)故障時(shí)期的負(fù)序電流控制。因此，本文采用解耦雙同步坐標(biāo)電流控制，其控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。對(duì)于解耦雙同步坐標(biāo)器電流控制，正、負(fù)序分量的提取是關(guān)鍵的一步，文獻(xiàn)[13]提出基于陷波器的序分量提取法，但陷波器的使用影響控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。因此，本文采用文獻(xiàn)[14]提出的解耦雙同步坐標(biāo)系序分量提取法，文獻(xiàn)[14]已經(jīng)給出了具體實(shí)現(xiàn)方法及其時(shí)域分析，本文給出其頻域傳遞函數(shù)，以便于控制器的設(shè)計(jì)。值得注意的是，圖2中鎖相環(huán)所使用的序分量提取也是使用文獻(xiàn)[14]中的方法。

圖7 雙同步坐標(biāo)系序分量提取Fig.7 Diagram of extraction of sequence component

圖7中，上標(biāo)P表示正序分量；N表示負(fù)序分量；ωf/(s+ωf)為低通濾波環(huán)節(jié)；v為信號(hào)變量，既可表示電壓信號(hào)，也可表示電流信號(hào)；Tθ+和Tθ-為正、負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換矩陣

經(jīng)過(guò)推導(dǎo)得到圖7傳遞函數(shù)矩陣為

式中

根據(jù)圖2所示的控制結(jié)構(gòu)及式（25）可設(shè)計(jì)正序電流控制框圖如圖8所示。圖中下標(biāo)dq分別表示d軸與q軸分量，符號(hào)‘^’表示信號(hào)估計(jì)值，為采樣及控制延遲環(huán)節(jié)，T'為序分量提取模型，其表達(dá)式為

式中，LPF( s)為一階低通濾波器傳遞函數(shù)。圖8中引入電壓前饋控制，可以顯著提高變換器電網(wǎng)故障時(shí)的控制性能，電壓前饋系數(shù)Kf一般取1；PWM環(huán)節(jié)與逆變橋級(jí)聯(lián)作用可等效為零階保持單元，持續(xù)時(shí)間為采樣周期。由圖8可知，交流電流控制環(huán)路中存在正、負(fù)序電流估計(jì)環(huán)節(jié)，因此，式（26）表示的正、負(fù)序估計(jì)傳遞函數(shù)必須計(jì)入環(huán)路參數(shù)設(shè)計(jì)中。負(fù)序電流控制與正序是相同的，僅在dq軸解耦項(xiàng)中的符號(hào)相反。

電流控制可以視為二輸入、二輸出系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，電流控制閉環(huán)傳遞矩陣為式中，PI(s)為PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)。依據(jù)式（27）可調(diào)節(jié)PI控制器參數(shù)，使得電流控制器具有較好的動(dòng)態(tài)性能及穩(wěn)態(tài)特性，且dq軸之間具有較好的解耦性能。

圖8 DC-AC側(cè)電流控制框圖Fig.8 The control block diagram of DC-AC current

圖9為電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)及閉環(huán)伯德圖。由圖可知，電流閉環(huán)帶寬約為145Hz，略低于直流側(cè)控制帶寬。交流側(cè)電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性可以較好地與直流側(cè)相配合，從而使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

并網(wǎng)變換器內(nèi)環(huán)為電流控制，外環(huán)根據(jù)運(yùn)行模式不同分為輸出電壓控制及基于瞬時(shí)功率理論的參考電流生產(chǎn)系統(tǒng)，如圖2所示。

基于瞬時(shí)功率理論，三相電壓與電流相互作用形成瞬時(shí)無(wú)功功率與有功功率，在三相不對(duì)稱(chēng)條件下，變換器瞬時(shí)功率可表示為

圖9 DC-AC電流閉環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及伯德圖Fig.9 Diagram of dynamic and Bode plotsfor the current loop

當(dāng)用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系表示時(shí)，功率各分量可表示為

式（29）即為圖2中瞬時(shí)功率計(jì)算表達(dá)式，可知ΔPswa不僅包含輸出功率動(dòng)態(tài)信息，還包含故障時(shí)功率波動(dòng)分量?？紤]到電網(wǎng)不平衡時(shí)的不同控制目標(biāo)，如消除并網(wǎng)點(diǎn)有功波動(dòng)，根據(jù)式（29）可得到參考電流，見(jiàn)式（30）。不同控制目標(biāo)的參考電流可通過(guò)類(lèi)似的方法計(jì)算[14-16]。

當(dāng)系統(tǒng)失去外部旋轉(zhuǎn)電源時(shí)，光伏等分布式電源失去同步參考源，此時(shí)HESS可做為電壓源，為光伏等分布式電源的電壓提供同步參考基準(zhǔn)。

輸出電壓控制框圖如圖10所示，同樣輸出電壓控制系統(tǒng)為二輸入、二輸出控制系統(tǒng)，其分析過(guò)程與電流控制類(lèi)似，本文不再贅述。

圖10 AC側(cè)輸出電壓控制框圖Fig.10 The control block diagram of output voltage at AC side

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真及波形

為驗(yàn)證上述控制策略，在Matlab/Simulink環(huán)境中建立仿真模型。圖11為輸出功率出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，UC與電池的響應(yīng)。圖中，iba表示電池輸出電流，iuc表示UC輸出電流，udc表示直流母線(xiàn)電壓。由圖可看出，當(dāng)系統(tǒng)輸出功率突然增加時(shí)，UC立即響應(yīng)，即瞬時(shí)放電，從而滿(mǎn)足系統(tǒng)功率需求，維持直流母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定；而電池輸出功率則緩慢上升直到穩(wěn)態(tài)。同樣，當(dāng)系統(tǒng)輸出功率大幅度突降時(shí)，UC立即充電，吸收系統(tǒng)多余能量，防止直流母線(xiàn)電壓過(guò)沖，電池輸出功率則平滑地降低到穩(wěn)態(tài)值。由此電池與UC協(xié)調(diào)工作。

圖11 仿真波形Fig.11 Simulation waveforms

3.2 實(shí)驗(yàn)及波形

本文同時(shí)搭建了結(jié)構(gòu)如圖1所示的硬件平臺(tái)，具體參數(shù)為：Luc=10mH, Lba=20mH, Cdc=6 500μF, Udc=650V，AC側(cè)輸出LC濾波器L=10mH、C=10μF，UC為單體90V、9.6F的電容器二并三串組成的270V、6.4F UC組，控制器采用DSP TMS320F28335。

圖12為不同補(bǔ)償模式時(shí)，系統(tǒng)各物理量波形。圖12a為補(bǔ)償PCC功率高頻分量，該模式下，UC補(bǔ)償PCC的尖峰毛刺功率，PCC的功率得到平滑，HESS發(fā)出零均值的噪聲功率，此時(shí)電池并不輸出功率，只有UC端電壓進(jìn)入U(xiǎn)C電壓?jiǎn)?dòng)控制域后，電池才相應(yīng)地對(duì)UC進(jìn)行充電或放電。圖12b為補(bǔ)償PCC功率低頻分量，此時(shí)，由于PCC功率平滑深度較深，電池與UC同時(shí)參與功率調(diào)節(jié)，HESS輸出不再是零均值功率，相應(yīng)的PCC功率得到深度的平滑。同時(shí)，圖12顯示，無(wú)論HESS處于何種補(bǔ)償模式下，當(dāng)UC端電壓進(jìn)入圖5所劃分的啟動(dòng)控制域時(shí)，UC端電壓控制環(huán)路將啟動(dòng)，使UC的端電壓得到合理控制，因而HESS具有一定的容量裕度，提高了HESS的穩(wěn)定性。

圖12 UC電壓滯環(huán)控制及PCC功率補(bǔ)償波形Fig.12 Waveforms of hysteresis control of UC voltage and power compensation of PCC

圖13為HESS變換器控制效果波形。圖13a為HESS直流側(cè)混合儲(chǔ)能動(dòng)態(tài)響應(yīng)，iba表示電池輸出電流，iuc表示UC輸出電流，udc表示直流母線(xiàn)電壓。由圖可看出，當(dāng)直流母線(xiàn)變化時(shí)，即系統(tǒng)功率出現(xiàn)缺額，UC立即響應(yīng)，瞬時(shí)充電或放電，從而滿(mǎn)足系統(tǒng)功率需求，維持直流母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定；而電池輸出功率則緩慢變化直到穩(wěn)態(tài)，兩者協(xié)調(diào)運(yùn)行。圖13b為HESS交流側(cè)輸出不平衡電流控制波形，圖中ia、ib和ic為輸出電流，ua、ub和uc為輸出電壓。由圖可知，HESS具有較好的三相交流不平衡電流控制性能及三相平衡電壓控制性能。

圖13 實(shí)驗(yàn)波形Fig.13 Experimental waveforms

由圖13可看出，本文所提HESS能夠正確運(yùn)行在所期望的運(yùn)行模式上，完成期望的控制目標(biāo)。DC側(cè)完成功率分流控制，保證直流母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定，同時(shí)UC端電壓得到合理的控制，提高了系統(tǒng)的容量裕度，UC與電池能夠協(xié)調(diào)運(yùn)行。AC側(cè)完成不平衡電流控制或電壓控制。

4 結(jié)論

本文提出用于微電網(wǎng)HESS的雙級(jí)式變流器協(xié)調(diào)控制策略及控制器參數(shù)設(shè)計(jì)，通過(guò)DC側(cè)對(duì)等式電壓解耦控制及交流功率前饋補(bǔ)償方法，完成穩(wěn)、動(dòng)態(tài)功率的分流控制；通過(guò)AC側(cè)雙同步坐標(biāo)系雙解耦控制，提高了AC側(cè)功率控制的靈活性和變換器運(yùn)行性能。整體系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制提高了HESS的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和UC的使用效率。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）協(xié)調(diào)控制策略能夠快速響應(yīng)交流側(cè)功率的波動(dòng)，有效抑制了母線(xiàn)電壓波動(dòng)。

2）協(xié)調(diào)控制策略能夠維持UC端壓水平，有效解決了UC能量密度有限的問(wèn)題，提高UC利用率，同時(shí)降低了電池放電速率。

3）網(wǎng)側(cè)變換器控制器能夠準(zhǔn)確、快速地跟蹤不平衡電流。

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E-mail: sunjianlongnj@sina.com

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E-mail: 3452606@qq.com（通信作者）

作者簡(jiǎn)介

收稿日期2014-07-16 改稿日期 2015-05-13

中圖分類(lèi)號(hào)：TM60