基于穩(wěn)態(tài)功率修正的混合儲能新型控制策略研究

趙永熹，劉 劍，周建萍，張緯舟

（上海電力大學 自動化工程學院，上海200090）

0 引言

光伏和風力發(fā)電的波動性會影響微網(wǎng)的穩(wěn)定運行[1]～[4]，微網(wǎng)中通常須要配置儲能系統(tǒng)平抑功率波動[5]。其中，由蓄電池和超級電容組成的混合儲能逐漸成為研究熱點[6]～[8]。

混合儲能控制策略核心是使高能量密度的儲能形式響應低頻功率需求，而高功率密度的儲能形式對高頻功率波動進行補償?，F(xiàn)有混合儲能控制策略大致分為基于濾波器控制和基于智能算法控制。濾波器控制是將目標功率通過低通濾波器，分別得到蓄電池和超級電容參考電流。文獻[9]，[10]在低通濾波器后添加了速率限制器，降低了蓄電池的充、放電壓力。文獻[11]將濾波器引入下垂控制，降低了通信要求，但穩(wěn)態(tài)時超級電容仍輸出部分功率。文獻[12]，[13]采用模糊控制對蓄電池和超級電容的輸出功率進行修正，進而實現(xiàn)自適應控制。文獻[14]，[15]引入模型預測控制，通過變流器預測調(diào)節(jié)，使混合儲能系統(tǒng)為微網(wǎng)提供快速慣性支撐。采用智能算法對混合儲能進行控制時，算法較為復雜，系統(tǒng)發(fā)生變化時須要重新進行計算。而現(xiàn)有低通濾波控制策略中，超級電容輸出功率始終取決于蓄電池未補償功率，存在超級電容荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）可能發(fā)生不受控制地偏移的局限性，長期運行可能導致超級電容過充過放情況。這就須要在微網(wǎng)中增加超級電容的容量配置，用以應對該問題，往往還會影響其使用壽命，降低了微網(wǎng)的經(jīng)濟性和可靠度。

本文提出了基于穩(wěn)態(tài)功率修正的混合儲能控制策略。在系統(tǒng)非穩(wěn)定狀態(tài)下，蓄電池電流以一定速率變化，降低蓄電池充放電的壓力；超級電容快速響應波動，荷電狀態(tài)產(chǎn)生一定偏移。系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后，根據(jù)超級電容荷電狀態(tài)確定蓄電池電流環(huán)虛擬沖擊電流擾動項的大小和方向，蓄電池對超級電容在非穩(wěn)定狀態(tài)下由于平抑波動產(chǎn)生的電能變化進行修正，使其荷電狀態(tài)恢復至額定值。Matlab仿真結(jié)果驗證了所提控制策略的正確性和有效性。

1 直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)及傳統(tǒng)混合儲能控制策略

圖1為典型直流微網(wǎng)簡化結(jié)構(gòu)。

圖1 直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of DCmicro-grid

直流微網(wǎng)各分布式發(fā)電單元（Distributed Generations，DGs）采用并聯(lián)方式接入公共直流母線，蓄電池 （Battery，Bat） 及超級電容（Superca-pacitor，SC） 構(gòu) 成 混 合 儲 能 系 統(tǒng)（Hybrid Energy Storage Sources，HESS），經(jīng)雙向變流器 （Bidirectional Direct Current Converter，Bi-DC）與微網(wǎng)直流母線連接以實現(xiàn)能量雙向流動，負荷須要在各接口變換器之間合理分配。

圖2為傳統(tǒng)帶有充放電速率限制的混合儲能低通濾波控制策略[9]，[10]。

圖2 傳統(tǒng)混合儲能控制策略Fig.2 Conventional control strategy of HESS

由圖2可知，直流母線電壓V0與母線參考電壓Vref進行比較后，經(jīng)由PI控制環(huán)得到混合儲能總參考電流IT，經(jīng)過低通濾波器fLPF及速率限制器得到蓄電池參考電流Ibat_ref，經(jīng)電流環(huán)得到PWM脈沖信號控制蓄電池變流器?？倕⒖茧娏鱅T與蓄電池實際電流Ibat作差后，得到蓄電池未補償電流IC，進而得到蓄電池未補償功率，最終確定超級電容參考電流Isc_ref，經(jīng)電流環(huán)得到PWM脈沖信號控制超級電容變流器。

可見，傳統(tǒng)混合儲能控制策略雖然能夠平抑分布式發(fā)電功率波動，但超級電容功率始終取決于蓄電池未補償功率，長期運行時荷電狀態(tài)發(fā)生偏移，不僅增加組網(wǎng)成本，同時也會降低微網(wǎng)可靠性。

2 基于穩(wěn)態(tài)功率修正的混合儲能控制策略

2.1 混合儲能新型控制策略

新型控制策略通過檢測母線電壓變化率及超級電容和荷電狀態(tài)，在判定系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)的前提下，在傳統(tǒng)控制策略的低通濾波環(huán)后，引入與超級電容SOC偏移量有關(guān)的虛擬沖擊電流（Virtual Impact Current，VIC）作為擾動項，在穩(wěn)態(tài)情況下控制蓄電池對超級電容進行功率修正，使超級電容荷電狀態(tài)基本穩(wěn)定在額定值。

混合儲能新型控制策略如圖3所示。圖中虛線框內(nèi)為穩(wěn)態(tài)功率修正環(huán)節(jié)。

圖3 基于穩(wěn)態(tài)功率修正的混合儲能新型控制策略Fig.3 New control strategy of hess based on steady-state power correction

系統(tǒng)實時檢測直流母線電壓V0，確定母線電壓變化率，同時系統(tǒng)獲取超級電容實際荷電狀態(tài)SOCSC，進而得到虛擬沖擊電流IVIC為

式中：m為沖擊調(diào)節(jié)因子，m＞0；SOCsc_nom為超級電容額定荷電狀態(tài)；Cst為電壓變化率設(shè)定閾值。

新型控制策略具體控制過程：直流母線電壓V0與母線參考電壓Vref進行比較，經(jīng)由PI控制環(huán)得到混合儲能總參考電流IT，經(jīng)過低通濾波器得到波動低頻分量ILFC：

式中：fLPF為低通濾波函數(shù)。

低頻分量ILFC與虛擬沖擊電流IVIC求和通過速率限制器對電流進行修正，減少蓄電池的充放電壓力，得到蓄電池參考電流Ibat_ref為

式中：fRL為速率限制函數(shù)。

Ibat_ref與實際蓄電池電流Ibat比較后，得到蓄電池誤差電流Ibat_err，Ibat_err通過PI控制環(huán)及PWM產(chǎn)生蓄電池變流器驅(qū)動信號。因此，蓄電池不僅平抑系統(tǒng)低頻波動，同時在穩(wěn)態(tài)情況下提供虛擬沖擊電流。蓄電池動態(tài)響應比較慢，Ibat無法立即跟蹤參考電流Ibat_ref，故蓄電池未補償電流IC為

式中：Ibar為蓄電池實際電流。

超級電容電流參考值ISC_rel為

式中：IHFC為系統(tǒng)波動高頻分量，IHFC=IT-ILFC；PVIC為虛擬沖擊功率，PVIC=IVIC·Vbat。

因此，超級電容不僅平抑系統(tǒng)波動高頻分量和蓄電池誤差電流，同時對蓄電池虛擬沖擊電流產(chǎn)生的虛擬沖擊功率進行修正。

由以上分析可知，在控制過程中，虛擬沖擊電流以擾動的形式作用于蓄電池電流環(huán)。當系統(tǒng)功率發(fā)生快速擾動時，母線電壓變化速率大于設(shè)定閾值Cst，IVIC為0。此時超級電容按照傳統(tǒng)控制策略快速響應，平抑蓄電池未補償功率，SOCsc發(fā)生偏移。進入穩(wěn)態(tài)時，母線電壓變化率小于設(shè)定閾值Cst，此時虛擬沖擊電流IVIC取決于超級電容荷電狀態(tài)偏移量SOCsc_nom-SOCsc和沖擊調(diào)節(jié)因子m。

當SOCsc≥SOCsc_nom時，IVIC＜0，蓄電池在系統(tǒng)功率穩(wěn)定的基礎(chǔ)上減少部分輸出功率，由超級電容輸出功率，SOCsc降低，逐漸向SOCsc_nom恢復。相反，當SOCsc＜SOCsc_nom時，IVIC＞0，蓄電池在系統(tǒng)功率穩(wěn)定的基礎(chǔ)上增加部分輸出功率，由超級電容吸收功率，SOCsc增加，同樣逐漸向SOCsc_nom恢復。超級電容荷電狀態(tài)絕對偏移量SOCsc_nom-SOCsc越大，說明超級電容在荷源功率補償階段承擔了更大的松弛作用，在系統(tǒng)進入儲能功率交互階段時，交互速率就越快，能夠使超級電容荷電狀態(tài)在短時間內(nèi)迅速恢復至額定值附近。

虛擬沖擊電流IVIC同樣取決于沖擊調(diào)節(jié)因子m。m越大，功率交互速度越快，但m最大值受限于蓄電池和超級電容的功率容量，即：

式中：Ibatmax，Iscmax分別為蓄電池和超級電容的最大工作電流。同時，m較小會導致虛擬沖擊電流過小，延長交互時間。故選取合適的m至關(guān)重要。

2.2 功率沖擊響應分析

本文中混合儲能單元響應過程主要包括荷源功率補償及儲能功率修正兩個部分。其中荷源功率補償部分又分為瞬態(tài)補償和無效交互兩個階段，儲能功率交互部分又分為交互攀升和交互緩降兩個階段?？刂七^程系統(tǒng)功率基本流動情況如圖4所示。圖4中實線表示功率實際流動路徑，虛線表示修正功率路徑，箭頭指向表示功率流動方向。

圖4 控制過程系統(tǒng)功率基本流動情況Fig.4 Basic power flow of system under the control

本文以施加瞬時階躍正向功率沖擊為例，忽略線路阻抗及變流器開關(guān)損耗，得到?jīng)_擊功率下混合儲能特性如圖5所示。圖中Pbat，PSC分別代表蓄電池及超級電容功率。

圖5 沖擊功率下混合儲能響應特性Fig.5 Response characteristic of HESSunder the impact power

圖中：0～t1時，系統(tǒng)保持穩(wěn)定，蓄電池輸出功率為P1，超級電容輸出功率為0；在t1時刻，系統(tǒng)產(chǎn)生ΔP的沖擊功率。

①t1～t2為瞬態(tài)補償階段。t1發(fā)生功率沖擊時，直流母線電壓發(fā)生瞬時突變，但蓄電池電流變化率受限于速率限制器，功率以既定斜率上升；超級電容平抑波動同樣需一定響應時間，輸出功率以較大斜率上升，荷電狀態(tài)逐漸降低，且下降速度逐漸增大。系統(tǒng)在該階段內(nèi)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，母線電壓變化率大于設(shè)定閾值，故IVIC為0。該階段系統(tǒng)功率滿足：

式中：ΔPbat為蓄電池功率增量，ΔPbat=Pbat-P1。

t2時刻系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)功率始終滿足：

②t2～t3為無效修正階段。由于在前一階段超級電容輸出功率，導致SOCSC＜SOCSC_nom，故IVIC＞0。在該階段內(nèi)，系統(tǒng)已經(jīng)進入穩(wěn)態(tài)，低通濾波環(huán)后已注入虛擬沖擊電流IVIC作為擾動項，但是蓄電池功率增量ΔPbat還未完全補償，輸出功率仍然以既定斜率上升，故IVIC并未起到實質(zhì)作用；超級電容平抑剩余功率，輸出功率以相反斜率逐漸下降，荷電狀態(tài)逐漸降低，且下降速度逐漸減小。t3時刻，ΔPbat完全補償ΔP，輸出功率為P2=P1+ΔP，超級電容輸出功率為0。t3時刻稱為蓄電池完全補償點。

③t3～t4為修正攀升階段。在t3時刻，系統(tǒng)虛擬沖擊電流IVICt=t3為

IVIC作用于蓄電池參考電流速率限制器前，由于不存在實際功率缺額，并不會導致系統(tǒng)功率失穩(wěn)，母線電壓始終保持穩(wěn)定。蓄電池電流變化率同樣受限于速率限制器，功率仍舊以既定斜率上升；超級電容對經(jīng)速率限制后的虛擬沖擊功率進行補償，吸收功率，荷電狀態(tài)逐漸升高，且上升速率逐漸增大。t4時刻，蓄電池輸出電流攀升至虛擬沖擊電流實際值，此時輸出功率等于虛擬沖擊功率實際值，即：

由以上分析可知，采用本文所提基于穩(wěn)態(tài)功率修正的混合儲能控制策略，可以在系統(tǒng)功率發(fā)生快速擾動時，按照傳統(tǒng)控制策略，對波動進行快速響應。在系統(tǒng)穩(wěn)定時，虛擬沖擊電流作為擾動項，可以實時控制混合儲能單元間進行能量再分配，超級電容在平抑高頻波動造成的電能變化最終由蓄電池進行修正。因此，在進行微網(wǎng)規(guī)劃時可大大減少超級電容容量配置，同時也可以有效提高混合儲能系統(tǒng)的可靠性及整體穩(wěn)定性。

3 仿真分析

為了驗證本文所提基于穩(wěn)態(tài)功率修正的混合儲能控制策略的有效性，在Matlab/Simulink平臺進行仿真。通過調(diào)節(jié)各分布式發(fā)電單元的輸出功率模擬系統(tǒng)功率波動，控制荷源功率差為-2～2 kW。蓄電池額定電壓為96 V，最大輸出電流為30 A，容量100 A·h。為了抓取短時內(nèi)超級電容SOC變化情況，設(shè)置超級電容為1 F/48 V，最大輸出電流為50A，額定荷電狀態(tài)SOCSC_nom=0.5。取沖擊調(diào)節(jié)因子m=1 000，分別在功率沖擊工況及功率波動工況進行仿真。

3.1 功率沖擊工況

在仿真開始時，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，荷源功率差為1 kW，而后分別在t=1，2，3 s時刻產(chǎn)生1，-1，-2 kW的沖擊功率。分別采用傳統(tǒng)控制策略及本文所提新型控制策略進行仿真，混合儲能特性分別如圖6，7所示。

圖6 功率沖擊工況下采用傳統(tǒng)控制策略的混合儲能特性Fig.6 Characteristic of HESSunder condition of impact power with conventional control strategy

圖7 功率沖擊工況下采用新型控制策略的混合儲能特性Fig.7 Characteristic of HESSunder condition of impact power with new control strategy

由圖6，7可知，當突變發(fā)生時，傳統(tǒng)控制策略使蓄電池功率經(jīng)緩慢變化后對荷源功率差進行補償，超級電容功率經(jīng)瞬時突變后，緩慢降至0 kW，并在附近波動。采用新型控制策略，蓄電池功率經(jīng)緩慢變化到達蓄電池完全補償點后，輸出功率繼續(xù)緩慢變化，提供虛擬沖擊功率，超級電容功率經(jīng)瞬時突變緩慢降至0 kW后，進一步對蓄電池的虛擬沖擊功率進行補償。發(fā)生功率沖擊時，傳統(tǒng)控制策略中，超級電容瞬時響應導致荷電狀態(tài)產(chǎn)生較大偏移。在進入穩(wěn)態(tài)之后，超級電容平抑系統(tǒng)高頻波動，荷電狀態(tài)仍會產(chǎn)生一定偏移。采用新型控制策略，在系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)之后，虛擬沖擊電流作用于蓄電池電流環(huán)，控制混合儲能單元間的功率交互，超級電容荷電狀態(tài)最終恢復至額定值。

為了說明沖擊調(diào)節(jié)因子m的大小對交互過程的影響，在當前工況下，改變m的取值進行仿真，可得到混合儲能特性表現(xiàn)如圖8所示。由圖8可知，當m增大時，功率交互速度及超級電容SOC恢復速度也隨之加快，但在交互攀升階段內(nèi)儲能單元輸出功率極值變大，可能出現(xiàn)輸出功率超限的情況，故m最大值受限于蓄電池和超級電容的功率容量。

圖8 不同m取值情況下的混合儲能特性Fig.8 Characteristic of HESSunder the circumstances of different values of m

3.2 功率波動工況

圖9為模擬微網(wǎng)一段運行時間內(nèi)功率波動工況下的荷源功率差，分別采用傳統(tǒng)控制策略及本文所提新型控制策略進行仿真。

圖9 功率波動工況下的荷源功率差Fig.9 Power difference of load to source under condition of fluctuant power

圖10，11分別為功率波動工況下采用傳統(tǒng)控制策略和采用新型控制策略的混合儲能特性。

圖10 功率波動工況下采用傳統(tǒng)控制策略的混合儲能特性Fig.10 Characteristic of HESSunder condition of fluctuant powerwith conventional control strategy

圖11 功率波動工況下采用新型控制策略的混合儲能特性Fig.11 Characteristic of HESSunder condition of fluctuant power with new control strategy

由圖10，11可知，在荷源功率差波動的情況下，傳統(tǒng)控制策略中蓄電池平抑波動低頻分量，超級電容輸出功率始終取決于蓄電池未補償功率。采用新型控制策略后，蓄電池通過檢測超級電容的荷電狀態(tài)實時調(diào)整虛擬沖擊電流。在較大波動（t=1.5，2.4，5.6 s）之后，可以明顯看到功率修正作用。傳統(tǒng)控制策略中超級電容在平抑蓄電池未補償功率時，荷電狀態(tài)隨工況變化而變化。新型控制策略在不影響混合儲能正常瞬態(tài)響應的基礎(chǔ)上，蓄電池和超級電容能夠在穩(wěn)態(tài)情況下不斷對超級電容荷電狀態(tài)進行修正，使其維持在額定值附近。這樣可以有效增強混合儲能的可靠性，提高微網(wǎng)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

本文提出一種基于穩(wěn)態(tài)功率修正的混合儲能新型控制策略，通過在蓄電池電流內(nèi)環(huán)引入擾動項的方式，在系統(tǒng)穩(wěn)定時對混合儲能單元進行能量再分配，對超級電容平抑高頻波動造成的電能變化進行修正，進而使超級電容的實際荷電狀態(tài)穩(wěn)定在額定值。蓄電池電流內(nèi)環(huán)引入的虛擬沖擊電流擾動項方向與蓄電池當前充放電方向一致，并不會增加蓄電池充放電次數(shù)。且隨著修正過程的進行，虛擬沖擊電流逐漸減小，可以有效避免因SOC測量誤差及通信延時造成的過度控制。本文所提的混合儲能新型控制策略基本結(jié)構(gòu)及其相應的控制原理具有通用性，對于交直流微網(wǎng)的儲能控制及優(yōu)化具有一定的參考意義。