有源并聯(lián)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)多級(jí)電壓控制研究

張靜宇 高妍 張紅娟 靳寶全

摘? 要： 在超級(jí)電容和蓄電池的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，如果功率分配不當(dāng)，會(huì)造成儲(chǔ)能系統(tǒng)充電電流振蕩或過大。為此，提出一種以儲(chǔ)能元件荷電狀態(tài)為判斷依據(jù)的功率分配方法，根據(jù)荷電狀態(tài)確定分解層次，接著添加多級(jí)電壓控制進(jìn)行儲(chǔ)能功率的初次分配，進(jìn)一步通過多環(huán)PI控制和功率修正，有效抑制充電電流振蕩和過充。最后，通過仿真驗(yàn)證了其控制方法的有效性。

關(guān)鍵詞： 混合儲(chǔ)能; 電壓控制; 功率分配; 荷電狀態(tài); 功率校正; 仿真驗(yàn)證

中圖分類號(hào)： TN876?34; TM910? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）06?0106?04

Research on multi?level voltage control of active parallel hybrid energy storage system

ZHANG Jingyu1， GAO Yan1， ZHANG Hongjuan1， JIN Baoquan2

（1. College of Electrical and Power Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China;

2. MOE Key Laboratory of New Sensor and Intelligent Control， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China）

Abstract： In the hybrid energy storage system of supercapacitor and battery， the current oscillation or excessive current during charging of the energy storage system may be happened， if the power is misallocated. Based on this， a power allocation method based on the state of charge of the energy storage component is proposed. The decomposition level is determined according to the state of charge， and then the multi?level voltage control is added for the initial distribution of energy storage power. Furthermore， the current oscillation and excessive current during charging are suppressed by means of the multi?loop PI control and power correction. The simulation experiments verify the effectiveness of the control method.

Keywords： hybrid energy storage; voltage control; power distribution; charged state; power correction; simulation verification

0? 引? 言

由于風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、潮汐能發(fā)電等新能源供電方式經(jīng)濟(jì)環(huán)保，成為了電力系統(tǒng)研究熱點(diǎn)，但其極易受環(huán)境等因素影響，容易造成直流母線功率不平衡，儲(chǔ)能裝置通過吸收波動(dòng)功率，維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，成為了解決電網(wǎng)功率不平衡的有效途徑。蓄電池具有高能量密度特性而超級(jí)電容具有高功率密度特性，因此二者構(gòu)成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)由于經(jīng)濟(jì)與技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，被廣泛認(rèn)為是解決目前能量短缺問題的有效方法[1?3]。在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中，通過對(duì)儲(chǔ)能單元進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)蓄電池與超級(jí)電容之間能量流的控制，從而滿足負(fù)載功率需求，延長(zhǎng)儲(chǔ)能單元循環(huán)壽命。因此，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略的研究具有深遠(yuǎn)的意義。

目前混合儲(chǔ)能技術(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為有源并聯(lián)與無源并聯(lián)兩大類[4]，無源并聯(lián)即蓄電池與超級(jí)電容不經(jīng)過整流升降壓而直接并聯(lián)在直流母線兩端，此方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，曾投入實(shí)踐大量運(yùn)用，但是可控性不理想，已逐步被淘汰。有源并聯(lián)又分為半活性與全活性結(jié)構(gòu)，半活性指蓄電池或超級(jí)電容有且只有一側(cè)通過雙向DC/DC與直流母線連接，無法保證直流母線電壓穩(wěn)定，且會(huì)對(duì)蓄電池造成大電流沖擊。而在全活性拓?fù)渲?，蓄電池與超級(jí)電容可獨(dú)立調(diào)控，控制精度與穩(wěn)定性有明顯提高，可充分發(fā)揮混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)[5]。

荷電狀態(tài)（State Of Charge， SOC）指儲(chǔ)能元件當(dāng)前容量與其額定容量的比值，可以反應(yīng)儲(chǔ)能元件剩余容量，是儲(chǔ)能元件安全高效管理的基礎(chǔ)。針對(duì)供電系統(tǒng)中存在的能量回收與母線功率不平衡的問題，本文首先對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中運(yùn)行于充電模式時(shí)的雙向DC/DC裝置工作方式進(jìn)行分析，然后根據(jù)各儲(chǔ)能元件的荷電狀態(tài)進(jìn)行功率分配，并通過設(shè)置不同等級(jí)的母線電壓閾值完成充電電流修正，同時(shí)添加多個(gè)PI環(huán)，控制PWM信號(hào)發(fā)生器偏移值dev以優(yōu)化補(bǔ)償效果。多值電壓控制環(huán)節(jié)可以根據(jù)系統(tǒng)不同工況靈活調(diào)整儲(chǔ)能元件充電電流并能滿足各種模式無縫切換。在完成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)多充電模式控制研究的基礎(chǔ)上，搭建了仿真模型并證明了該方案的有效性?；旌蟽?chǔ)能控制原理框圖如圖1所示。

1? 基于儲(chǔ)能元件SOC估算功率分配法

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其由蓄電池、超級(jí)電容器與兩個(gè)DC/DC雙向變換器組成，將蓄電池與超級(jí)電容分別通過雙向DC/DC連接到直流母線上，直流母線額定電壓為UDC， 超級(jí)電容額定電壓為USC，蓄電池額定電壓為Ubat。本系統(tǒng)中雙向DC/DC變換器選用半橋型非隔離雙向DC/DC變換器，這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用器件少，控制容易，效率較高[6?7]。充電時(shí)根據(jù)蓄電池與超級(jí)電容狀態(tài)進(jìn)行操作，若兩個(gè)儲(chǔ)能元件都充滿電，則DC/DC不進(jìn)行能量傳遞，若有一個(gè)未充滿，則對(duì)其進(jìn)行充電。充電時(shí)，S1與S3閉合，S2與S4斷開，通過S2與S4上的二極管續(xù)流，完成能量傳遞。

考慮到超級(jí)電容響應(yīng)速度快，功率密度高且超級(jí)電容容量設(shè)置時(shí)保證在一個(gè)周期內(nèi)可以回收全部回饋能量，能夠抑制負(fù)載突變對(duì)直流母線造成的沖擊等特點(diǎn)，較適用于變化頻繁的工作環(huán)境，因而本系統(tǒng)中超級(jí)電容功率吞吐優(yōu)先級(jí)高于蓄電池。以荷電狀態(tài)作為分級(jí)依據(jù)，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時(shí)可以保證蓄電池兩端電壓波動(dòng)較小，更好地穩(wěn)定直流母線電壓。本文將安時(shí)積分法與開路電壓法相結(jié)合計(jì)算儲(chǔ)能元件SOC，減少因單一方法造成的計(jì)算誤差，蓄電池與超級(jí)電容均等效為一個(gè)理想電容與串聯(lián)電阻的簡(jiǎn)化形式[8]，建立儲(chǔ)能元件一階模型，得電路方程為：

式中：[UOCt]為儲(chǔ)能元件端電壓;[R1]為等效串聯(lián)電阻;[UCt]為理想電容電壓，采用開路電壓法將SOC（t0）與[UOCUN]進(jìn)行擬合，計(jì)算初始SOC（t0）[9]：

式中，a，b為擬合系數(shù)，不同系統(tǒng)數(shù)值不同。

式中：[CN]為儲(chǔ)能元件額定容量;i為充電電流。根據(jù)超級(jí)電容及蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能設(shè)置相關(guān)控制參數(shù)，超級(jí)電容SOC上限為0.95，蓄電池SOC上限為0.8，如果蓄電池SOC大于0.8，則啟動(dòng)限功率保護(hù)。設(shè)限功率保護(hù)信號(hào)為L(zhǎng)i，采用邏輯門電路，設(shè)置Li為控制PWM信號(hào)發(fā)生的最高級(jí)別，若Li=1，則限功率保護(hù)啟動(dòng)，PWM信號(hào)發(fā)生器停止工作，儲(chǔ)能元件不進(jìn)行充電;若Li=0，則限功率儲(chǔ)能元件充電，根據(jù)dev改變PWM信號(hào)的占空比，保護(hù)元件不會(huì)過充。

采用與非、或非等邏輯門電路與SOC計(jì)算模型結(jié)合的方法（圖示結(jié)果中SOC%為SOC×100%，物理意義與SOC相同），設(shè)計(jì)混合儲(chǔ)能開環(huán)模型，完成功率吞吐分級(jí)控制，電感0.003 mH，直流側(cè)電壓48 V，雙向DC/DC開關(guān)頻率20 kHz，超級(jí)電容容量10 F，蓄電池額定容量6.5 A·h。超級(jí)電容充電優(yōu)先級(jí)高于蓄電池，超級(jí)電容充電時(shí)蓄電池系統(tǒng)與母線斷開，蓄電池充電時(shí)，超級(jí)電容系統(tǒng)與母線斷開，分級(jí)控制結(jié)果如圖3所示。

由圖3結(jié)果可知，系統(tǒng)約在0.018 s停止向超級(jí)電容充電，此時(shí)超級(jí)電容SOC約在0.95，蓄電池進(jìn)行充電工作，滿足分級(jí)控制要求，但是超級(jí)電容與蓄電池充電電流達(dá)到額定充電電流的數(shù)倍，極易損壞儲(chǔ)能元件，因此使用多級(jí)電壓控制對(duì)充電電流進(jìn)行修正。

2? 儲(chǔ)能元件多級(jí)電壓控制與電流修正

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，母線功率波動(dòng)頻繁，若在波動(dòng)功率過大的情況下充電電流較小，則會(huì)引起負(fù)載功率擾動(dòng)，延長(zhǎng)母線功率撥動(dòng)時(shí)間;如果設(shè)置充電電流為某一較大恒定值，則會(huì)增大DC/DC功率消耗甚至損壞元器件，不利于達(dá)到能量回收的效果。因此針對(duì)超級(jí)電容與蓄電池充電電流添加電壓等級(jí)控制，設(shè)置分級(jí)控制器，根據(jù)直流母線電壓UDC以及儲(chǔ)能元件內(nèi)部狀態(tài)判定充電電流參考值Iref，Iref與儲(chǔ)能元件輸出電流Ich之差經(jīng)PI控制器產(chǎn)生PWM信號(hào)占空比實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能元件充電控制，當(dāng)負(fù)載突增時(shí)，減少母線電壓功率波動(dòng)的情況。

設(shè)U1，U2，…，Un為各級(jí)電壓閾值，當(dāng)母線電壓從規(guī)定方向達(dá)到閾值后電壓等級(jí)將會(huì)切換[10]，設(shè)置采樣時(shí)間ΔT，同時(shí)添加電流限幅，對(duì)超級(jí)電容而言，避免超級(jí)電容充電時(shí)電流過大而引起母線電流波動(dòng)，對(duì)蓄電池而言，則可以避免電壓過低時(shí)充電電流過大。設(shè)IGBT通態(tài)時(shí)儲(chǔ)能元件充電電流為i1，則可得Buck模式方程：

式中：L為儲(chǔ)能電感;[UC]為理想電容瞬時(shí)電壓;UDC為高壓側(cè)電壓;R為儲(chǔ)能元件等效串聯(lián)電阻;R1為儲(chǔ)能電感等效電阻，設(shè)IGBT通態(tài)時(shí)電流初始值為I10，解式（4）可得：

設(shè)IGBT處于斷態(tài)時(shí)負(fù)載電流為i2，且初始時(shí)刻電流為I20，則可得Buck模式方程：

當(dāng)電流連續(xù)時(shí)可得：

由式（7）可得Buck模式負(fù)載側(cè)最大充電電流i10為：

為簡(jiǎn)化計(jì)算，推導(dǎo)得i20：

式中，t1=ton，將式（7）、式（8）用泰勒級(jí)數(shù)近似，可得：

式中，D為Buck電路占空比。由于超級(jí)電容允許大電流充電，因此超級(jí)電容充電時(shí)優(yōu)先考慮DC/DC低壓側(cè)電流，以減少DC/DC損耗，而蓄電池電流應(yīng)在額定電流i限制范圍，因此蓄電池充電電流值為：

根據(jù)采集次數(shù)計(jì)算該等級(jí)內(nèi)平均值I′，設(shè)置I′為該電壓等級(jí)充電電流值，完成儲(chǔ)能元件充電電流修正，延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命。

3? 儲(chǔ)能元件充電模式分析及控制

超級(jí)電容充電時(shí)，在超級(jí)電容本身電壓初始狀態(tài)時(shí)，根據(jù)電流修正值進(jìn)行恒流充電，在充電進(jìn)行到超級(jí)電容閾值狀態(tài)時(shí)，充電方式轉(zhuǎn)換為恒壓充電，減少充電時(shí)間，保證超級(jí)電容內(nèi)部溫度維持在可控范圍內(nèi)，減少因溫度引起容量不均衡情況的發(fā)生。蓄電池采用恒流充電，根據(jù)蓄電池的額定電流與DC/DC低壓側(cè)最大電流選擇充電電流值，可以直接計(jì)算充電量并確定充電完成的時(shí)間。

系統(tǒng)正常運(yùn)行于儲(chǔ)能元件充電工作模式時(shí)雙向DC/DC變流器工作于降壓模式，添加觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)與反饋網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置單元控制器，通過對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的小信號(hào)建模，分別可以得到儲(chǔ)能元件在Buck模式下變換器的傳遞函數(shù)Gid（s）和Gvi（s）：

采集超級(jí)電容的端電壓和充電電流，以實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容充電功率的控制，使其電壓回到給定值，減少母線電壓波動(dòng)，在蓄電池之前吸收能量給蓄電池以緩沖時(shí)間。采集蓄電池充電電流，實(shí)現(xiàn)蓄電池的功率控制，維持母線電壓功率平衡。蓄電池是高能量密度，低功率密度設(shè)備，設(shè)置蓄電池優(yōu)先級(jí)低于超級(jí)電容，有利于延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益。儲(chǔ)能元件充電控制原理如圖4所示。