基于優(yōu)化功率分配的光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理策略

陳輝，李維波，孫萬(wàn)峰，李齊，盧月

武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070

0 引 言

目前，光伏系統(tǒng)已逐漸成為移動(dòng)平臺(tái)（例如艦船）中一種具有潛力和利用價(jià)值的新能源系統(tǒng)。然而，由于光伏輸出存在不穩(wěn)定性，需采用儲(chǔ)能設(shè)備為移動(dòng)平臺(tái)光伏系統(tǒng)提供連續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)，從而平抑光伏輸出和負(fù)荷波動(dòng)。

榮雅君等[1]提出采用蓄電池作為光伏系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備，但蓄電池的能量密度低，無(wú)法應(yīng)對(duì)光伏或負(fù)載的瞬時(shí)高頻功率需求，且循環(huán)壽命短。張永賢等[2]提出采用能量密度高的超級(jí)電容作為儲(chǔ)能設(shè)備，但其功率密度較小，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間放電，因此，單一的儲(chǔ)能設(shè)備無(wú)法同時(shí)滿足所有應(yīng)用場(chǎng)合的要求。王海波等[3]建議將超級(jí)電容和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（hybrid energy storage system，HESS）作為光伏系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備，利用蓄電池功率密度大的特性以長(zhǎng)時(shí)間充/放電，而超級(jí)電容則承擔(dān)快速波動(dòng)過(guò)程中的高頻功率供給，將二者混合使用，即可提高移動(dòng)平臺(tái)光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性。

針對(duì)蓄電池和超級(jí)電容組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在移動(dòng)平臺(tái)光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用需求，本文擬提出一種基于超級(jí)電容荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）的功率分配方法，即根據(jù)超級(jí)電容SOC所在的不同分區(qū)自適應(yīng)調(diào)整濾波時(shí)間常數(shù)T，從而實(shí)現(xiàn)HESS功率的再次分配，以避免超級(jí)電容在不同閾值點(diǎn)附近頻繁切換而導(dǎo)致的線功率波動(dòng)問(wèn)題。

1 光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

圖1 所示為光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的典型拓?fù)鋱D[4]，在該直流母線分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，光伏陣列、混合儲(chǔ)能端分別通過(guò)功率變換器與直流母線上的負(fù)載相連。光伏陣列作為主要的電荷源，其輸出電壓較低且不穩(wěn)定，為此，需選擇Boost 型作為升壓功率變換器?；旌蟽?chǔ)能端的電壓較低且與輸出特性不匹配，需采用Buck/Boost 型作為雙向DC/DC功率變換器，以提高混合儲(chǔ)能利用率。同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的不同工況需求，將選擇Buck/Boost 雙向變換器的工作模式，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量流動(dòng)的智能化管理[5]。圖1 中：Ppv為光伏陣列的輸出功率；Psc，Pbat分別為超級(jí)電容和蓄電池吸收或釋放的功率；Pload為負(fù)載功率；Cdc為直流母線側(cè)的電容；udc為直流母線上的電壓。

圖1 光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的典型拓?fù)鋱DFig. 1 Typical topology of photovoltaic HESS

為了保證圖1 中直流母線電壓的穩(wěn)定性，系統(tǒng)內(nèi)各單元之間的功率平衡關(guān)系為[6]

式中：Pdc為維持直流母線電壓穩(wěn)定所需的功率；PHESS為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率；t為時(shí)間。因此，通過(guò)控制混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充/放電動(dòng)作，即可保持直流母線電壓的恒定，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的能量平衡和正常運(yùn)行。

2 能量管理方案

2.1 傳統(tǒng)限值管理方法

在充/放電過(guò)程中，為了保證混合儲(chǔ)能的端電壓和SOC不超過(guò)工作閾值，需開展限值管理[7]。傳統(tǒng)的限值管理方法如圖2 所示，系統(tǒng)運(yùn)行在上半平面時(shí)表示放電，下半平面則表示充電，其中Umax和Umin分別為混合儲(chǔ)能的充電截止電壓和放電截止電壓，SOCmin和SOCmax分別為混合儲(chǔ)能荷電狀態(tài)的最低臨界值和最高臨界值。當(dāng)混合儲(chǔ)能的放電達(dá)到下限SOCmin或Umin時(shí)，僅允許充電；反之，當(dāng)充電達(dá)到上限SOCmax或Umax時(shí)，則僅允許放電。

圖2 傳統(tǒng)的限值管理方法Fig. 2 Traditional method of the limit management

傳統(tǒng)的控制算法一般利用低通濾波器來(lái)分配混合儲(chǔ)能中蓄電池和超級(jí)電容各自承擔(dān)的功率[8]，但低通濾波器的時(shí)間常數(shù)T一般保持不變，這將導(dǎo)致超級(jí)電容所承擔(dān)的功率也維持不變。然而，超級(jí)電容的能量密度較小，在長(zhǎng)時(shí)間充/放電過(guò)程中其容量易達(dá)到臨界值，如果頻繁地限制超級(jí)電容的充/放電，則將導(dǎo)致母線功率出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，進(jìn)而影響系統(tǒng)供電的質(zhì)量和穩(wěn)定性，所以需要采用更加合理的功率分配方法，即根據(jù)超級(jí)電容的實(shí)時(shí)SOC，調(diào)整其承擔(dān)的參考功率Psc_ref，相應(yīng)減少充/放電操作。

2.2 基于超級(jí)電容SOC 的功率分配方法

針對(duì)傳統(tǒng)限值管理方法的不足和低通濾波器的功率分配問(wèn)題，本文提出基于超級(jí)電容SOC的功率分配方法，如圖3 所示，圖中T0為濾波時(shí)間常數(shù)T的初始值 ；Pbat_ref為蓄電池承擔(dān)的低頻參考功率；Psc_ref為超級(jí)電容需承擔(dān)的高頻參考功率 。通過(guò)增加超級(jí)電容荷電狀態(tài)值SOCsc的反饋環(huán)節(jié)，根據(jù)超級(jí)電容SOC所在的分區(qū)來(lái)自適應(yīng)調(diào)整T，從而對(duì)超級(jí)電容和蓄電池各自承擔(dān)的充/放電參考功率進(jìn)行二次優(yōu)化分配，以避免超級(jí)電容在閾值附近頻繁地切換工作區(qū)域，最終提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 基于超級(jí)電容SOC 的功率分配方法Fig. 3 Power distribution method based on ultracapacitor SOC

由低通濾波器的工作原理可知，其通帶范圍與濾波時(shí)間常數(shù)T有關(guān)，T越大，通帶范圍越小，則Pbat_ref越平滑，而Psc_ref越多。設(shè)定濾波時(shí)間常數(shù)的增量為ΔT，其調(diào)整規(guī)則如圖4所示，因此，經(jīng)過(guò)分區(qū)限值管理后重新獲得的濾波時(shí)間常數(shù)為：T=T0+ΔT。

圖4 ΔT 調(diào)整規(guī)則Fig. 4 ΔT adjustment rule

圖4 中：SOCsc_low和SOCsc_high分別為超級(jí)電容過(guò)度充電和過(guò)度放電的警告值；SOCsc_min和SOCsc_max分別為超級(jí)電容器充電和放電的臨界閾值；Td為ΔT的最大變化范圍。圖4 中的虛線表示Psc_ref<0（充電狀態(tài)）時(shí)ΔT取值曲線，實(shí)線表示Psc_ref>0（放電狀態(tài)）時(shí)ΔT取值曲線。從圖4 中可以看出，超級(jí)電容SOC的4 個(gè)閾值將其工作區(qū)域劃分為5 個(gè)部分，如圖5 所示。

圖5 超級(jí)電容SOC 的閥值分類圖Fig. 5 The threshold classification diagram of ultracapacitor SOC

1） 充電限制區(qū)。當(dāng)SOCsc>SOCsc_max時(shí)，超級(jí)電容僅允許放電，應(yīng)盡量讓超級(jí)電容釋放更多的功率。

當(dāng)Psc_ref<0 時(shí)，應(yīng)通過(guò)控制Buck/Boost 雙向變換器以限制超級(jí)電容充電，并由蓄電池承擔(dān)吸收系統(tǒng)功率PHESS的任務(wù)，即

當(dāng)Psc_ref>0 時(shí)，應(yīng)盡量讓超級(jí)電容釋放更多的功率，即

2） 充電警告區(qū)。SOCsc_high

當(dāng)Psc_ref<0 時(shí)：

當(dāng)Psc_ref>0 時(shí)：

3） 正常工作區(qū)。SOCsc_low

4） 放 電 警 告 區(qū)。SOCsc_min

當(dāng)Psc_ref<0 時(shí)：

當(dāng)Psc_ref>0 時(shí)：

5） 放電限制區(qū)。SOCsc

當(dāng)Psc_ref<0 時(shí)：

當(dāng)Psc_ref>0 時(shí)，應(yīng)通過(guò)控制Buck/Boost 雙向變換器以限制超級(jí)電容放電，并由蓄電池承擔(dān)釋放系統(tǒng)功率PHESS的任務(wù)，即Pbat_ref=PHESS。

3 變換器的控制策略及工作模式

3.1 Boost 變換器的控制策略

Boost 變換器主要承擔(dān)2 項(xiàng)功能：最大功率跟蹤控制（maximum power point，MPPT）和直流母線恒壓控制（constant voltage control，CVC）。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，光伏Boost 變換器工作在MPPT 模式，以最大效率地利用太陽(yáng)能；當(dāng)光伏陣列的輸出功率過(guò)剩時(shí)，光伏Boost 變換器則工作在恒壓控制模式，從而使光伏陣列降功率輸出。2 種模式的控制策略如圖6 所示，其中upv，ipv分別為光伏陣列實(shí)際輸出的電壓和電流。在MPPT 模式中，基于增量電導(dǎo)法[9]求解電壓參考值upv_ref，其與upv的差值經(jīng)比例積分（PI）調(diào)制限幅之后，即可獲得光伏Boost 變換器的脈寬調(diào)制（PWM）控制信號(hào)；在CVC 模式中，直流母線參考電壓udc_ref與實(shí)際電壓udc的差值，經(jīng)PI 控制器調(diào)制之后，即可獲得光伏Boost 變換器的PWM 控制信號(hào)，該模式下的直流母線電壓可以穩(wěn)定在參考值udc_ref。

圖6 Boost 變換器的控制策略Fig. 6 Control strategy of Boost converter

3.2 Buck/Boost 變換器的控制策略

Buck/Boost 變換器常用的基礎(chǔ)控制策略為：電壓外環(huán)/電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制和單環(huán)恒流控制[10]。由于開關(guān)管的工作頻率較高，所以混合儲(chǔ)能端電壓在一個(gè)周期內(nèi)的變化較緩慢，可以視為基本維持恒定；同時(shí)，在實(shí)際工程應(yīng)用中恒流控制更易于實(shí)現(xiàn)，所以本文將選擇單環(huán)恒流控制方式來(lái)控制混合儲(chǔ)能的充/放電。圖7 所示為Buck/Boost雙向變換器的控制策略圖，將蓄電池或超級(jí)電容所得的參考功率Pref除以其端電壓u，得到恒流控制的參考電流iref，其與實(shí)際工作電流i的差值經(jīng)PI 控制器調(diào)節(jié)并輸出限值之后，即可獲得Buck/Boost雙向變換器的PWM 控制信號(hào)。通過(guò)圖7 中的2 個(gè)比較器來(lái)判斷蓄電池與超級(jí)電容參考電流的正負(fù)，進(jìn)而通過(guò)邏輯“與”（AND）即可確定雙向DC/DC 變換器的工作狀態(tài)，從而避免橋臂直通并減少混合儲(chǔ)能不必要的充/放電操作。

圖7 Buck/Boost 變換器的控制策略Fig. 7 Control strategy of Buck/Boost converter

3.3 工作模式

圖8 變換器工作模式流程圖Fig. 8 Flow chart of converter working mode

為了確?；旌蟽?chǔ)能的充/放電可以在其荷電范圍內(nèi)平抑系統(tǒng)的不穩(wěn)定性[11]，需根據(jù)光伏陣列的輸出功率、負(fù)載額定功率以及混合儲(chǔ)能SOC之間的關(guān)系，來(lái)選擇光伏Boost 變換器和Buck/Boost雙向變換器的工作模式。圖8 所示為變換器的工作模式流程圖，具體過(guò)程如下：首先，讀取系統(tǒng)的輸入狀態(tài)量，其中SOCbat表示蓄電池的荷電狀態(tài)；然后，通過(guò)基于超級(jí)電容SOC的功率分配，對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中各自承擔(dān)的功率進(jìn)行分配以確定是充電還是放電，例如，當(dāng)Pbat_ref>0 且Psc_ref>0 時(shí)，即表示混合儲(chǔ)能需要放電；最后，根據(jù)蓄電池和超級(jí)電容各自不同的SOC，變換器的工作模式有如下4 種工況：

1） 工 況1。當(dāng)SOCbat_min

2） 工 況2。當(dāng)SOCbat_min>SOCbat且SOCsc_min>SOCsc時(shí)，則 光 伏Boost 變 換 器 工 作 于MPPT 模式，而控制混合儲(chǔ)能的變換器都工作于關(guān)機(jī)模式，且同時(shí)切除次要負(fù)載。

3） 工 況3。當(dāng)SOCbat_minSOCsc時(shí)，則 光 伏Boost 變 換 器 工 作 于MPPT 模式，而控制蓄電池的變換器工作于Boost 模式，控制超級(jí)電容的變換器工作于關(guān)機(jī)模式。

4） 工 況4。當(dāng)SOCbat_min>SOCbat且SOCsc_min

當(dāng)Pbat_ref<0 且Psc_ref<0 時(shí)，表示混合儲(chǔ)能充電，其變換器的工作模式與放電情況類似（工況5、工況6、工況7），在此不重復(fù)闡述。

4 仿真與測(cè)試

4.1 仿真分析

為了驗(yàn)證本文所提出的能量管理方案和變換器控制策略的可行性和有效性，根據(jù)圖1 所示的光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，搭建Matlab/simulink仿真模型，其關(guān)鍵性參數(shù)如表1 所示。

在仿真過(guò)程中：光伏陣列的最大輸出功率為1.3 kW（單塊325 W，2 串2 并）；直流母線電壓的參考值設(shè)為110 V；超級(jí)電容的過(guò)度放電臨界值、放電警告值、充電警告值、過(guò)度充電臨界值分別設(shè)為20%，30%，80%，90%[11]；初始濾波時(shí)間常數(shù)T0設(shè)為0.2，其最大變化范圍Td設(shè)為0.1，下文將針對(duì)4 種工況分別進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

4.1.1 工況1

將超級(jí)電容的初始SOC設(shè)為50%，使其處于正常工作區(qū)，仿真結(jié)果如圖9 所示。

由圖9（a）可知，光伏通過(guò)MPPT 控制輸出的最大功率為1.3 kW，且基本保持不變。由圖9（b）可知，固定負(fù)載的功率為900 W，在1 s 時(shí)刻投入600 W，其脈動(dòng)周期為2 s。由圖9（c）可知：當(dāng)光伏輸出的最大功率Ppv_max大于負(fù)載功率Pload時(shí)，超級(jí)電容將立即充電予以響應(yīng)，而系統(tǒng)內(nèi)多余的低頻功率則由蓄電池以緩慢充電的形式進(jìn)行吸收；當(dāng)Ppv_max

表1 光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵性仿真參數(shù)Table 1 Key simulation parameters of photovoltaic hybrid energy storage system

4.1.2 工況2

將超級(jí)電容的初始SOC設(shè)為95%，使其工作在充電限制區(qū)（即僅能放電），同時(shí)保持光伏輸出和脈動(dòng)負(fù)載不變，仿真結(jié)果如圖10 所示。

由圖10（a）可知：當(dāng)Ppv_max>Pload時(shí)，控制超級(jí)電容的變換器處在關(guān)機(jī)模式，故禁止超級(jí)電容充電，而系統(tǒng)內(nèi)多余的功率全部由蓄電池通過(guò)充電進(jìn)行吸收；當(dāng)Ppv_max

4.1.3 工況3

將超級(jí)電容的初始SOCsc設(shè)為85%，使其工作在充電警告區(qū)，并保持光伏輸出和脈動(dòng)負(fù)載不變。仿真結(jié)果如圖11 所示。

圖9 超級(jí)電容工作在正常工作區(qū)Fig. 9 The ultracapacitor operates in normal working areas

由圖11（a）可知，在本文控制策略的作用下，超級(jí)電容在放電過(guò)程中，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整濾波時(shí)間常數(shù)T，比傳統(tǒng)控制算法作用下的放電量更多；相反，在充電過(guò)程中比傳統(tǒng)控制算法的充電量更少。由圖11（b）可知，在本文控制策略的作用下，超級(jí)電容在充電過(guò)程中的SOCsc上升較慢，在放電過(guò)程中的SOCsc下降較快，最后下降了0.1%左右；而在傳統(tǒng)控制算法作用下，超級(jí)電容SOCsc最后上升了0.32%左右。因此，仿真結(jié)果充分驗(yàn)證了在充電警告區(qū)時(shí)應(yīng)延緩超級(jí)電容SOCsc的快速上升，才能實(shí)現(xiàn)控制超級(jí)電容少充電、多放電的限值管理目標(biāo)。

4.1.4 工況4

將超級(jí)電容的初始SOCsc設(shè)為25%，使其工作在放電警告區(qū)，并保持光伏輸出和脈動(dòng)負(fù)載不變，仿真結(jié)果如圖12 所示。

圖10 超級(jí)電容工作在充電限制區(qū)Fig. 10 The ultracapacitor operates in the charging restricted area

圖11 超級(jí)電容工作在充電警告區(qū)Fig. 11 The ultracapacitor works in the charging warning area

由圖12（a）可知，在本文控制策略的作用下，超級(jí)電容在放電過(guò)程中，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整濾波時(shí)間常數(shù)T，比傳統(tǒng)控制算法作用下的放電量更少；相反，在充電過(guò)程中比傳統(tǒng)控制算法的充電量更多。由圖12（b）可知，基于本文所提的控制策略，超級(jí)電容在充電過(guò)程中的SOCsc上升較快，在放電過(guò)程中的SOCsc下降較慢，最后上升了約1.5%；而采用傳統(tǒng)控制算法時(shí)，超級(jí)電容SOCsc的升降幅度基本一致，最后上升了約0.5%。因此，仿真結(jié)果充分驗(yàn)證了在放電警告區(qū)時(shí)應(yīng)減緩超級(jí)電容SOCsc的快速下降，才能實(shí)現(xiàn)控制超級(jí)電容少放電、多充電的限值管理目標(biāo)。

圖12 超級(jí)電容工作在放電警告區(qū)Fig. 12 The ultracapacitor operates in the discharge warning area

4.2 工程化測(cè)試

本節(jié)將搭建光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，該裝置實(shí)物如圖13 所示。

圖13 光伏混合儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig. 13 Experimental platform of the photovoltaic hybrid energy storage equipment

光伏輸出不穩(wěn)定和負(fù)載突變工況的本質(zhì)是一樣的，即引起直流母線電壓的波動(dòng)，故本文僅分析負(fù)載突變的情況。該實(shí)驗(yàn)?zāi)M了一個(gè)小型直流微電網(wǎng)，直流母線參考電壓設(shè)為110 V，仿真結(jié)果如圖14 所示，其中ibat，isc分別為蓄電池和超級(jí)電容的工作電流。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，混合儲(chǔ)能的SOC都在正常范圍之內(nèi)，而光伏陣列輸出的最大功率始終大于負(fù)載功率。圖14（a）所示為突加負(fù)載波形，此時(shí)超級(jí)電容通過(guò)迅速放電承擔(dān)了功率PHESS中的高頻功率以減緩直流母線電壓的下降，而蓄電池放電電流的變化則相對(duì)緩慢；圖14（b）為突卸負(fù)載波形，此時(shí)超級(jí)電容通過(guò)迅速充電承擔(dān)了功率PHESS中的高頻功率以減緩直流母線電壓的上升，而蓄電池充電電流的變化則相對(duì)緩慢。由此可見，在整個(gè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)平衡運(yùn)行的同時(shí)，可以通過(guò)減緩蓄電池的充放電電流以提高其使用壽命。

圖14 光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)載突變實(shí)驗(yàn)波形Fig. 14 Photovoltaic hybrid energy storage system load mutation experimental waveform

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)艦船移動(dòng)平臺(tái)光伏系統(tǒng)所存在的輸出功率不穩(wěn)定問(wèn)題和突加/突卸負(fù)載時(shí)的功率波動(dòng)問(wèn)題，本文以光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，針對(duì)傳統(tǒng)限值管理方法的不足，提出了基于超級(jí)電容SOC的功率優(yōu)化分配方法，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整濾波時(shí)間常數(shù)T，有效改善了超級(jí)電容過(guò)充或過(guò)放的問(wèn)題，并給出了各個(gè)變換器的控制策略。仿真和工程測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了本文能量管理方案和變換器控制策略的有效性，不僅可以保證直流母線電壓的穩(wěn)定，還可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性和協(xié)調(diào)性。目前，產(chǎn)品樣機(jī)已在陸地移動(dòng)平臺(tái)完成了實(shí)裝測(cè)試，在后續(xù)研究中，需將超級(jí)電容的壽命特性與SOC兼容考慮，從而制定不同的充/放電策略；同時(shí)，還需納入到船用環(huán)境與螺旋槳驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，以確保光伏系統(tǒng)與推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。