計(jì)及線路電阻的直流微網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)電流分配控制策略

陳德彪， 蔣偉明， 劉海風(fēng)， 高明明， 趙晉斌

（1. 上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司， 上海 200090； 2. 上海電力大學(xué)， 上海 200090）

0 引言

近年來(lái)， 各行業(yè)對(duì)環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約的呼聲越來(lái)越高， 分布式發(fā)電如風(fēng)力發(fā)電、 光伏發(fā)電由于其環(huán)?？沙掷m(xù)特性， 受到了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-3]。 受自然條件的影響， 分布式電源存在間歇性與隨機(jī)性的特點(diǎn)， 因此微電網(wǎng)需要配置相應(yīng)的儲(chǔ)能以彌補(bǔ)其功率缺額[4]。 不同的儲(chǔ)能具有不同的功率密度、 能量密度、 響應(yīng)時(shí)間和循環(huán)壽命， 如超級(jí)電容具有較快的響應(yīng)速度、 較高的功率密度， 但其能量密度較低； 蓄電池響應(yīng)速度較慢、 功率密度較低， 但其能量密度較高。 單一型儲(chǔ)能無(wú)法兼具上述優(yōu)良性能， 而混合型儲(chǔ)能結(jié)合了高功率密度、 高能量密度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)等特點(diǎn)， 可充分發(fā)揮儲(chǔ)能的效率， 因此對(duì)混合儲(chǔ)能的研究具有重要意義。

針對(duì)混合儲(chǔ)能電流分配策略， 國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者提出了一系列解決方案。 文獻(xiàn)[5]提出一種光伏－超級(jí)電容－蓄電池－電解槽混合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制策略， 在實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)有功功率平衡的前提下， 達(dá)到了維持直流母線電壓穩(wěn)定和平抑系統(tǒng)并網(wǎng)功率的目的， 提高了光伏利用率； 文獻(xiàn)[6]中功率密度型儲(chǔ)能在平抑功率波動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的能量差額由能量密度型儲(chǔ)能補(bǔ)償， 極大地減少了儲(chǔ)能容量的配置； 文獻(xiàn)[7]采用希爾伯特黃變換和低通濾波算法相結(jié)合的方式， 確定了初始濾波時(shí)間與其時(shí)間常數(shù)之間的變化規(guī)則， 較好地實(shí)現(xiàn)了功率波動(dòng)的平抑作用； 文獻(xiàn)[8]提出基于自適應(yīng)變分模態(tài)分解的混合儲(chǔ)能平滑光伏出力波動(dòng)方法， 能夠自適應(yīng)地實(shí)現(xiàn)光伏出力的最佳分解及合理分配， 在有效減少光伏出力波動(dòng)的同時(shí)， 避免儲(chǔ)能元件出現(xiàn)冗余容量； 文獻(xiàn)[9]中采用多目標(biāo)非線性優(yōu)化調(diào)度， 在調(diào)度過(guò)程中充分考慮了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命、 偏離校正以及充放電效率； 文獻(xiàn)[11]提出一種基于虛擬電容下垂的分散型控制策略， 無(wú)需通信即可實(shí)現(xiàn)功率的動(dòng)態(tài)分配。 然而，這些文獻(xiàn)均未考慮線路電阻對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)電流分配的影響。

1 直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

直流微電網(wǎng)典型系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示， 主要包括網(wǎng)、 源、 荷、 儲(chǔ)4 個(gè)方面， 分別對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)大電網(wǎng)、 分布式電源、 負(fù)荷和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。

圖1 直流微電網(wǎng)典型系統(tǒng)架構(gòu)

直流微電網(wǎng)中的混合儲(chǔ)能整合了能量密度型儲(chǔ)能與功率密度型的各自優(yōu)勢(shì)（功率及能量密度高， 響應(yīng)速度快， 使用壽命長(zhǎng)）， 能夠有效且經(jīng)濟(jì)地補(bǔ)償直流微電網(wǎng)的瞬時(shí)功率波動(dòng)。 分布式電源與負(fù)荷之間的瞬時(shí)功率差額可表示為：

式中： PHESS為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)出功率； PDG為分布式電源的輸出功率；PLOAD為負(fù)荷所消耗的功率，其瞬時(shí)功率差額由混合儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)償。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)傳統(tǒng)下垂控制策略及其局限性

2.1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)傳統(tǒng)下垂控制策略

基于分布式電源的特點(diǎn)， 下垂控制的研究與應(yīng)用較為廣泛， 它無(wú)需通信線作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹薪椋?僅需本地信息就能實(shí)現(xiàn)良好的控制， 極大提高了系統(tǒng)的可靠性及可擴(kuò)展性能。 根據(jù)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的特點(diǎn)， 傳統(tǒng)控制方法基于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的分頻補(bǔ)償特性， 提出了對(duì)蓄電池采用虛擬電阻下垂控制， 對(duì)超級(jí)電容采用虛擬電容下垂控制， 實(shí)現(xiàn)由蓄電池補(bǔ)償?shù)皖l功率波動(dòng)， 超級(jí)電容補(bǔ)償高頻功率波動(dòng)的控制策略。

2.1.1 能量密度型儲(chǔ)能控制策略

能量密度型儲(chǔ)能控制策略如圖2 所示， 圖中： Vref1為電壓基準(zhǔn)值； VoBat為蓄電池實(shí)際輸出電壓； IoBat為實(shí)際輸出電流； ILBat為蓄電池側(cè)變換器電感電流； Rd為下垂系數(shù)。

圖2 能量密度型儲(chǔ)能控制策略

蓄電池虛擬電阻下垂控制與傳統(tǒng)直流微電網(wǎng)下垂控制一致， 可由式（2）表示：

4）物資供應(yīng)渠道是物資采購(gòu)管理的核心業(yè)務(wù)之一，在整個(gè)供應(yīng)鏈管理中地位極其突出，相當(dāng)于機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的源頭。供應(yīng)渠道選擇的根本目標(biāo)就是使物資從采購(gòu)、租賃到入庫(kù)的交貨期最短、總成本最小、性價(jià)比最優(yōu)、價(jià)值水平達(dá)到最佳水平。例如，企業(yè)可通過(guò)招投標(biāo)方式與材料供應(yīng)商建立長(zhǎng)期合作關(guān)系，減少供與求的中間環(huán)節(jié)，通過(guò)向市場(chǎng)要“庫(kù)存”，向供應(yīng)商要“儲(chǔ)備”，不僅可減少訂貨周期和談判等造成的交易費(fèi)用，減少資金占用成本，還不會(huì)給施工企業(yè)造成過(guò)多的庫(kù)存壓力，降低庫(kù)存成本。

通常利用式（3）計(jì)算下垂系數(shù)：

式中： ΔVmax為能保證微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的直流母線電壓最大波動(dòng)范圍； Imax為蓄電池輸出的電流極限值。

2.1.2 功率密度型儲(chǔ)能控制策略

功率密度型儲(chǔ)能控制策略如圖3 所示， 圖中： VOUC為超級(jí)電容實(shí)際輸出電壓； Vref2為變換器輸出電壓基準(zhǔn)值； IOUC為實(shí)際輸出電流； ILUC為超級(jí)電容側(cè)變換器電感電流； Cd為下垂電容； s為拉普拉斯變換算子。

圖3 功率密度型儲(chǔ)能控制策略

基于類似濾波器的設(shè)想， 虛擬電容下垂控制被廣泛應(yīng)用于超級(jí)電容當(dāng)中， 虛擬電容下垂控制的輸出電壓與電流關(guān)系由式（4）給出：

傳統(tǒng)分析中， 直流微電網(wǎng)規(guī)模較小時(shí)， 線路電阻一般遠(yuǎn)小于下垂系數(shù)， 故可將其忽略不計(jì)，則有Vref1=Vref2， 即均等于母線電壓。

2.2 傳統(tǒng)控制策略的局限性

根據(jù)2.1 小節(jié)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略， 得出其等值電路如圖4 所示， 圖4 中包含單臺(tái)蓄電池及單臺(tái)超級(jí)電容。 為分析方便， 假設(shè)儲(chǔ)能容量較大， 不存在SOC 低于下限值的問(wèn)題， 能量密度型儲(chǔ)能與功率密度型儲(chǔ)能用理想電壓源等效， 負(fù)載用理想電流源進(jìn)行模擬。 Io為負(fù)載電流； Vbus為母線電壓。 當(dāng)忽略線路電阻Rline1和Rline2時(shí)， 可以得到：

圖4 系統(tǒng)等效電路

為維持孤立直流微電網(wǎng)中母線電壓的穩(wěn)定，需滿足供需平衡：

利用復(fù)頻域分析方法， 聯(lián)立式（2）、 式（4）—（6）可得到：

式中： IoBat（s）， IOUC（s）和Io（s）分別為蓄電池輸出電 流、超級(jí)電容輸出電流和負(fù)載電流的復(fù)頻域表達(dá)式。

由式（7）可知， 蓄電池變換器及超級(jí)電容變換器輸出分別添加了低通濾波器和高通濾波器，蓄電池僅需補(bǔ)償瞬時(shí)功率波動(dòng)的低頻分量， 超級(jí)電容則僅需補(bǔ)償瞬時(shí)功率波動(dòng)的高頻分量， 極大提高了儲(chǔ)能的利用效率， 并有利于維持直流母線電壓穩(wěn)定。

然而， 隨著分布式電源的發(fā)展及微電網(wǎng)的規(guī)模逐漸增大， 線路電阻不容忽略。 考慮線路電阻影響時(shí)， 結(jié)合圖4， 同理可以推導(dǎo)出電流分配：

由式（8）可知， 考慮線路電阻影響時(shí)， 蓄電池與超級(jí)電容均參與補(bǔ)償了瞬時(shí)功率波動(dòng)的低頻分量與高頻分量， 極大降低了儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行效率及壽命， 嚴(yán)重時(shí)甚至?xí){直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定。

3 基于阻抗主動(dòng)測(cè)量的改進(jìn)下垂控制策略

以蓄電池為例， 本文所提改進(jìn)下垂控制策略可由式（9）描述：

圖5 改進(jìn)下垂控制策略

采用改進(jìn)下垂控制策略后， 電流分配公式為：

由式（10）可知， 當(dāng)線路電阻辨識(shí)值接近其實(shí)際值時(shí)， 其表達(dá)式與不考慮線路電阻影響的表達(dá)式一致， 說(shuō)明所提控制策略能夠削弱線路電阻造成的不利影響， 有利于提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的利用效率及維持母線電壓的穩(wěn)定。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 仿真參數(shù)

為驗(yàn)證所提控制策略的有效性和實(shí)用性， 在PSIM 中搭建了包含單臺(tái)蓄電池和單臺(tái)超級(jí)電容的混合儲(chǔ)能仿真模型， 系統(tǒng)仿真參數(shù)見(jiàn)表1。 設(shè)定在0.45 s 時(shí)， 系統(tǒng)由輕負(fù)荷跳變?yōu)橹刎?fù)荷； 在0.65 s 時(shí)， 系統(tǒng)由重負(fù)荷突變?yōu)檩p負(fù)荷。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

4.2 考慮線路電阻的傳統(tǒng)控制策略仿真

傳統(tǒng)控制策略的混合儲(chǔ)能工作仿真波形如圖6 所示。 由圖6（a）可知， 在0.45 s 時(shí)系統(tǒng)負(fù)荷狀態(tài)從輕負(fù)荷狀態(tài)跳變?yōu)橹刎?fù)荷狀態(tài)， 跳變瞬間，蓄電池承擔(dān)了將近1/3 的瞬時(shí)功率波動(dòng)高頻分量， 超級(jí)電容沒(méi)有充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)， 同時(shí)蓄電池進(jìn)行了不必要的放電， 影響蓄電池的使用壽命和整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 在0.65 s 時(shí)， 系統(tǒng)負(fù)荷狀態(tài)從重負(fù)荷狀態(tài)跳變?yōu)檩p負(fù)荷狀態(tài)， 跳變瞬間， 由圖6（b）仿真結(jié)果可知， 此時(shí)蓄電池承擔(dān)了將近1/4 的瞬時(shí)功率波動(dòng)高頻分量， 超級(jí)電容同樣沒(méi)有充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)， 同時(shí)蓄電池進(jìn)行了不必要的充電， 也同樣影響蓄電池的使用壽命和整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3 考慮線路電阻的改進(jìn)控制策略仿真

改進(jìn)控制策略的混合儲(chǔ)能工作仿真波形如圖7 所示。 由圖7（a）可知， 在0.45 s 時(shí)， 系統(tǒng)負(fù)荷狀態(tài)從輕負(fù)荷狀態(tài)跳變?yōu)橹刎?fù)荷狀態(tài)， 跳變瞬間， 蓄電池幾乎沒(méi)有承擔(dān)瞬時(shí)功率波動(dòng)高頻分量，超級(jí)電容充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)， 同時(shí)蓄電池沒(méi)有進(jìn)行不必要的放電， 提高了蓄電池甚至整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命和運(yùn)行穩(wěn)定性。 在0.65 s 時(shí)， 系統(tǒng)負(fù)荷狀態(tài)從重負(fù)荷狀態(tài)跳變?yōu)檩p負(fù)荷狀態(tài)， 跳變瞬間， 由圖7（b）可知， 此時(shí)蓄電池也幾乎沒(méi)有承擔(dān)瞬時(shí)功率波動(dòng)高頻分量， 超級(jí)電容充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)， 同時(shí)蓄電池沒(méi)有進(jìn)行不必要的充電， 同樣提高了蓄電池甚至整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命和運(yùn)行穩(wěn)定性， 尤其是在功率波動(dòng)較為頻繁的場(chǎng)景中，所提方法更具有實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

圖6 傳統(tǒng)控制策略的混合儲(chǔ)能工作仿真波形

圖7 改進(jìn)控制策略的混合儲(chǔ)能工作仿真波形

5 結(jié)語(yǔ)

介紹了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其傳統(tǒng)控制策略的不足， 分析了線路電阻存在時(shí)對(duì)電流分配的影響， 提出了基于阻抗辨識(shí)的改進(jìn)下垂控制策略。 通過(guò)虛擬電阻負(fù)反饋彌補(bǔ)線路電阻造成的影響， 當(dāng)系統(tǒng)存在功率波動(dòng)時(shí)， 功率波動(dòng)的低頻成分僅由蓄電池補(bǔ)償， 而高頻成分由超級(jí)電容補(bǔ)償， 且控制策略無(wú)需利用通信， 提高了直流微電網(wǎng)的冗余性和穩(wěn)定性， 更好地維持了直流微電網(wǎng)母線電壓的穩(wěn)定。 在PSIM 中搭建了包含單臺(tái)蓄電池和單臺(tái)超級(jí)電容的混合儲(chǔ)能仿真模型， 驗(yàn)證了所提控制策略有效性和實(shí)用性。