基于IT2FLC的HESS太陽能充電站功率分配策略

郭宴秀，蘇建軍，馬臨超，陳昌松

（1.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東淄博 255049；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東濟(jì)南 250002；3.河南工學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453003；4.華中科技大學(xué)電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北武漢 430000）

0 引言

隨著越來越多的國家對碳排放的重視，降低傳統(tǒng)能源對環(huán)境的污染已成為全球范圍的共識(shí)。電動(dòng)汽車（Electric Vehicles，EV）取代燃油汽車減少了環(huán)境污染和化石燃料的使用[1]，但EV 使用的蓄電池（Energy Storage Battery，ESB）在傳統(tǒng)充電方式下充電會(huì)產(chǎn)生額外的電能損耗。為減少ESB 充電時(shí)消耗的電能，目前所采用的方式有光儲(chǔ)一體化的電動(dòng)汽車充電站（Electric Vehicles Charging Station，EVCS）[2]、車輛到電網(wǎng)（Vehicles to Grid，V2G）的新型風(fēng)能電動(dòng)汽車充電站[3]、風(fēng)能和太陽能混合的電網(wǎng)電動(dòng)汽車充電站[4]、含可再生能源的電動(dòng)汽車充電站[5]。將可再生能源與電網(wǎng)結(jié)合可減少額外電能損耗，但也給電網(wǎng)造成如電壓不穩(wěn)定、諧波、功率不平衡等負(fù)面影響[6]。太陽能充電站的能量儲(chǔ)存可以解決可再生能源接入電網(wǎng)造成的負(fù)面影響[7-9]，對于基于可再生能源的EVCS 來說至關(guān)重要。

針對太陽能充電站的能量儲(chǔ)存問題，國內(nèi)外學(xué)者作了大量研究。文獻(xiàn)[10]根據(jù)電能需求和燃料電池的特性提出一種太陽能、風(fēng)能和燃料電池集成的獨(dú)立充電站。文獻(xiàn)[11]提出一種鋰離子電池集成的太陽能充電站。文獻(xiàn)[12]發(fā)現(xiàn)氫氣和ESB 集成的儲(chǔ)能器具有較快的反應(yīng)速度，但單個(gè)儲(chǔ)能器無法處理可再生能源給電網(wǎng)造成的負(fù)面影響。文獻(xiàn)[13]為減少可再生能源造成的負(fù)面影響將各種儲(chǔ)能技術(shù)結(jié)合起來，形成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（Hybird Energy Storage System，HESS）。文獻(xiàn)[14]總結(jié)了電動(dòng)汽車電池、超級(jí)電容器（Supercapacitor，SC）、燃料電池和HESS的最新進(jìn)展。文獻(xiàn)[15]基于HESS 提出一種將SC和ESB 集成的儲(chǔ)能方式，通過精確控制SC 的電壓，達(dá)到增強(qiáng)直流電網(wǎng)穩(wěn)定性的目的。文獻(xiàn)[16]為平抑風(fēng)電和光伏的出力波動(dòng)，提出一種基于HESS 的風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)，結(jié)合能量管理策略以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[17]考慮風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)性，建立風(fēng)氫耦合的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，增強(qiáng)風(fēng)電的可調(diào)度性。文獻(xiàn)[18]提出一種EVCS 的兩階段優(yōu)化模型，引入強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法綜合考慮電網(wǎng)和充電站雙方的利益。文獻(xiàn)[19]提出一種基于HESS 的模糊控制策略，結(jié)合SC的充放電功率管理策略，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的平滑輸出。

本文在文獻(xiàn)[12-19]的研究基礎(chǔ)上，提出一種基于區(qū)間Ⅱ型模糊邏輯控制（Interval Type-2 Fuzzy Logic Control，IT2FLC）的HESS 太陽能充電站功率分配策略。IT2FLC 可以有效處理可再生能源造成的負(fù)面影響，對太陽能充電站進(jìn)行合理的功率分配。通過建立HESS 充電站模型，考慮可變發(fā)電和固定發(fā)電2 種不同情況，在MATLAB/Simulink 平臺(tái)和dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中對這2 種情況進(jìn)行仿真驗(yàn)證，分析比較2 種情況下的輸出特性和直流電網(wǎng)電壓，證明所提策略可有效解決太陽能充電站的能量儲(chǔ)存問題，平衡電網(wǎng)的發(fā)電量和負(fù)載需求。

1 HESS充電站模型

HESS 充電站模型結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。模型采用光伏發(fā)電供能[20]，其中的HESS 采用ESB 和SC 儲(chǔ)能。

圖1 HESS充電站模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of HESS charging station

由圖1 可知，光伏發(fā)電（Photovoltaic，PV）通過Boost 轉(zhuǎn)換器和雙向DC/DC 轉(zhuǎn)換器向直流電網(wǎng)供電，由ESB 和SC 集成的HESS 通過雙向DC/DC 轉(zhuǎn)換器與直流電網(wǎng)連接，EV 通過連接到直流電網(wǎng)中為其ESB 充電。本文僅考慮電網(wǎng)到車輛的充電運(yùn)行過程，電能由光伏發(fā)電提供，得到單個(gè)光伏發(fā)電輸出的電流公式為：

式中：Ipv，Isc，I0分別為光伏電池的輸出電流、電容充電電流、二極管飽和電流；e 為自然常數(shù)；Q為電荷量；Upv為光伏電池的輸出電壓；Rs，Rsh分別為串聯(lián)和并聯(lián)電阻；k 為玻爾茲曼常數(shù)；T為溫度。

Boost 轉(zhuǎn)換器采用最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）算法[21]來觀測光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率。Boost 轉(zhuǎn)換器的占空比隨著電壓無序變化，直到達(dá)到最大功率點(diǎn)。Boost 轉(zhuǎn)換器中電感L的通用表達(dá)式為：

式中：Umax為最大功率時(shí)的光伏輸出電壓；D為占空比；fs為開關(guān)頻率；ΔIrms為紋波電流。

HESS 和EV 的電池充電器采用雙向DC/DC 轉(zhuǎn)換器。在向儲(chǔ)能裝置和直流電網(wǎng)供電期間分為升壓和降壓2 種模式，升壓模式的電感Lup為：

式中：Udc為直流電網(wǎng)電壓；Ues為儲(chǔ)能電壓。

降壓模式的電感Ldown為：

升壓和降壓模式下的電容C相同，表達(dá)式為：

式中：ΔUrms為紋波電壓。

電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC），其量值符號(hào)為Soc。ESB 的充電電壓Uch、放電電壓Udis、電池荷電狀態(tài)Soc分別為：

式中：Uo為ESB 的恒壓；Resb為ESB 的內(nèi)阻；N 為極化常數(shù)；I，I*分別為電池電流和低頻動(dòng)態(tài)電流；M為最大容量；m為提取容量；Uv為指數(shù)電壓有效值；B為指數(shù)容量；t為充放電時(shí)間；（it）為ESB 在t時(shí)刻的電流瞬時(shí)值。

ESB 的缺點(diǎn)是充放電功率密度較低和響應(yīng)時(shí)間較長，SC 則具有功率密度高和響應(yīng)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。將SC 和電池結(jié)合在一起可以縮短響應(yīng)時(shí)間，利用SC在短時(shí)間內(nèi)提供更多電能。計(jì)算SC 的電壓公式為：

式中：Usc為SC 電壓；Ns，Nsh，Npo分別為SC 的串聯(lián)數(shù)、并聯(lián)數(shù)和電極層數(shù)；Q為電荷量；y為分子半徑；ε 和μ 分別為介電常數(shù)和自由空間介電常數(shù)；A為電極與電解質(zhì)之間的界面面積；g 為理想氣體常數(shù)；H 為法拉第常數(shù)；J為摩爾濃度；Rsc為SC 總電阻；Isc為SC 總電流；sinh-1為反雙曲函數(shù)。

2 基于IT2FLC的HESS功率分配策略

2.1 功率分配策略

本文研究的HESS 太陽能充電站功率分配策略為：通過低通濾波器（Low Pass Filter，LPF）將HESS的總電流分解為高頻電流和低頻電流，分解的電流經(jīng)比例積分（Proportional Integral，PI）控制器處理后作為脈沖寬度調(diào)制模塊（Pulse Width Modulation，PWM）的控制信號(hào)，再通過調(diào)整控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對HESS 的功率分配。為滿足HESS 的功率分配需求，需預(yù)先設(shè)定直流電網(wǎng)的電壓?；贗T2FLC 的HESS 功率分配策略如圖2 所示。

圖2 基于IT2FLC的HESS功率分配策略Fig.2 IT2FLC based power sharing strategy for HESS

圖2 中，Z-1為單位延時(shí)模塊，Itdc為直流電網(wǎng)中HESS 的總電流，Iavg為HESS 的平均電流，ITr為SC支持的瞬態(tài)電流，Iesb為ESB 電流，Iscr為SC 參考電流，為動(dòng)態(tài)直流電網(wǎng)電壓，Uesb為ESB 電壓。

Itdc由直流電網(wǎng)電壓的誤差和誤差變化輸入IT2FLC 生成，Iavg由LPF 從Itdc中提取。Itdc，Iavg，ITr，Iscr表達(dá)式分別為：

式中：s為復(fù)頻率；ω為模擬角頻率。

目前不同電動(dòng)汽車的電池充電方式不盡相同，如恒流、恒壓、恒功率、涓流和恒流恒壓等[22]，其中恒流恒壓充電方式被廣泛應(yīng)用。在恒流恒壓充電方式下，首先以恒流模式為電池充電，當(dāng)ESB 的SOC達(dá)到80%時(shí)即切換為恒壓模式，以防止電池過度充電。由于恒流模式充電速度是恒壓模式的3 倍，導(dǎo)致恒壓模式下充滿ESB 剩余20%的電量需要更多時(shí)間。為解決恒流恒壓模式下不同充電方式時(shí)間不均衡的問題，本文提出多步恒流充電法（Multistep Constant Charging，MSCC）。MSCC 通過連續(xù)監(jiān)測SOC 來分步充電，參考電流Iref隨SOC 的取值有序變化，避免電池過度充電和深度放電。MSCC 中Iref與Soc的變化關(guān)系如圖3 所示。

圖3 MSCC中Iref與Soc的變化關(guān)系Fig.3 Relationship between Iref and Soc in MSCC

由圖3 可知，當(dāng)Soc介于20 %～80 % 時(shí)，Iref為10 A；當(dāng)Soc大于80 %時(shí)，Iref降低為7 A；當(dāng)Soc達(dá)到90 % 時(shí)，Iref降低為5 A；當(dāng)Soc小于20 %或達(dá)到100%時(shí)，Iref為0。

2.2 IT2FLC模糊控制器的設(shè)計(jì)

將Iscr與實(shí)際電流進(jìn)行比較，得到的差值輸入PI來計(jì)算相應(yīng)DC/DC 轉(zhuǎn)換器的占空比。IT2FLC 與Ⅰ型模糊控制器（Type-1 Fuzzy Logic Controller，T1FLC）的不同之處是用輸出處理單元代替去模糊單元。IT2FLC 結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示，分別由模糊化器、規(guī)則庫、模糊推理系統(tǒng)、類型縮減器和去模糊器組成。

1）模糊化器。模糊化器的作用是將實(shí)際的數(shù)值向量轉(zhuǎn)化為模糊數(shù)值向量，形成區(qū)間Ⅱ型模糊集合（Interval Type-2 Fuzz Set，IT2FS）。IT2FS 的隸屬函數(shù)如圖5 所示，它由不確定性（Footprint of Uncertainty，F(xiàn)OU）、上隸屬函數(shù)（Upper Membership Function，UMF）、下隸屬函數(shù)（Lower Membership Function，LMF）的軌跡交叉組成。

圖5 IT2FS的隸屬函數(shù)Fig.5 IT2-FS membership function

IT2FS 的模糊論域?yàn)閇-1，1]，模糊子集由負(fù)大（Negative Big，NB）、負(fù)低（Negative Low，NL）、零（Zero，ZE）、正大（Positive Big，PB）、正低（Positive Low，PL）5 個(gè)元素組成。模糊子集中的元素在不斷修正和試驗(yàn)后形成規(guī)則庫。

2）規(guī)則庫。IT2FLC 的規(guī)則庫的由模糊控制理論推導(dǎo)得出，通常用if-then 格式表示[23-24]。在模糊推理系統(tǒng)中，IT2FLC 具有2 個(gè)輸入值分別為誤差和誤差變化。設(shè)定誤差、誤差變化和輸出值的模糊子集均為{NB，NL，ZE，PB，PL}，推導(dǎo)出不同誤差及誤差變化下IT2FLC 的輸出值如表1 所示。

表1 不同誤差及誤差變化下IT2FLC的輸出值Table 1 Output values of IT2FLC under different errors and error variations

3）模糊推理系統(tǒng)。模糊推理系統(tǒng)的作用是通過執(zhí)行所有推導(dǎo)的規(guī)則，由IT2FS 的輸入值得到IT2FS 的輸出值，合并每個(gè)規(guī)則中的多個(gè)輸入值和所有規(guī)則。

4）類型縮減器。在IT2FLC 解模糊之前，通過類型縮減器將IT2FS 轉(zhuǎn)換為類型縮減模糊集以降低計(jì)算難度。類型縮減方法有形心、求和中心、集合中心和高度縮減。本文采取集合中心的方法，通過Karnik-Mendel 迭代算法求得類型縮減模糊集的最小值和最大值。

5）去模糊化器。去模糊化器的作用是將類型縮減模糊集轉(zhuǎn)換為清晰集。IT2FLC 的最終輸出值由類型縮減模糊集的最小值與最大值的平均值來確定，其值為輸出處理單元的總需求值。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真參數(shù)

本文在MATLAB/Simulink 平臺(tái)上對圖1 所示HESS 充電站模型進(jìn)行了仿真分析，得到可變發(fā)電固定負(fù)荷（Variable Generation and Fixed Load，VGFL）和固定發(fā)電可變負(fù)荷（Fixed Generation and Variable Load，F(xiàn)GVL）2 種情況下的仿真結(jié)果。通過分析這2 種情況下的直流電網(wǎng)電壓，對所提出的IT2FLC 適用性進(jìn)行評估。為使ESB 和濾波器的損耗同時(shí)小于20%，設(shè)定ESB 的額定容量為50 AH，參考電壓為48 V。2 臺(tái)隨機(jī)選擇的電動(dòng)汽車EV1 和EV2 的參考電壓與ESB 相同，額定容量均為20 Ah。HESS 需要的瞬態(tài)功率由SC 提供。表2—4 分別為仿真研究的系統(tǒng)參數(shù)。

表2 PV及其升壓變換器仿真參數(shù)Table 2 Simulation parameters of PV&booster converter

表3 ESB、電動(dòng)汽車及其濾波器仿真參數(shù)Table 3 Simulation parameters of ESB,EV and filter

表4 SC及其濾波器仿真參數(shù)Table 4 Simulation parameters of SC and filter

3.2 VGFL特性分析

在VGFL 情況下，太陽能發(fā)電輸出通過光照來改變，直流電網(wǎng)電壓設(shè)定為100 V。2 臺(tái)電動(dòng)汽車永久連接在直流電網(wǎng)中，連接荷載被視為固定荷載。根據(jù)EN50530 光伏標(biāo)準(zhǔn)，通過改變太陽輻照度來影響輸出電流，從而改變太陽能電池的功率。光伏電池輸出特性如圖6 所示，其中Ppv為光伏電池的輸出功率。

圖6 光伏電池輸出特性Fig.6 Output characteristics of solar photovoltaic

VGFL 情況下ESB 和SC 均可根據(jù)電網(wǎng)發(fā)電量輸送或吸收電能。當(dāng)ESB 的電流為負(fù)時(shí)，ESB 從電網(wǎng)吸收電能，提高自身SOC；當(dāng)ESB 的電流為正時(shí)，則將電能輸送至電網(wǎng)，降低自身SOC。電網(wǎng)短時(shí)間內(nèi)有高功率需求時(shí)SC 可向電網(wǎng)輸送電能，電網(wǎng)有多余電能時(shí)SC 可吸收電能提高自身SOC。SC 功率的正負(fù)值代表向電網(wǎng)輸送或者吸收功率。VGFL情況下SC 和ESB 的特性如圖7 所示，其中U，I，P分別為SC 和ESB 的電壓、電流和功率。

圖7 VGFL情況下SC和ESB的特性Fig.7 ESB and SC characteristics in VGFL

EV1 和EV2 分別為2 臺(tái)具有相同電池容量和不同SOC 的電動(dòng)汽車。根據(jù)MSCC 控制技術(shù)，EV1和EV2 電池充電量分別為15 A 和10 A。充電時(shí)，ESB 的電壓短暫升高后保持穩(wěn)定值。EV1 和EV2電池特性如圖8 所示。

圖8 EV1和EV2電池特性Fig.8 EV1 and EV2 battery characteristics

VGFL 情況下直流電網(wǎng)的總功率平衡特性如圖9 所示，其中PHESS為HESS 的功率。

圖9 VGFL情況下直流電網(wǎng)的總功率平衡特性Fig.9 Total Power Balance Characteristics of DC Grid in VGFL

由圖9 可知，負(fù)載功率恒為900 W。第0～0.4 s，光伏輸出功率為1 700 W，HESS 吸收剩余的800 W。第0.4～0.8 s，HESS 吸收的功率隨光伏輸出功率降低而降低。第0.8～1.3 s，光伏輸出功率為1 100 W，HESS 吸收剩余的200 W。第1.3～1.6 s，HESS 吸收的功率隨光伏輸出功率升高而升高。第1.6～2 s，光伏輸出功率為1 600 W，HESS 吸收剩余的700 W。

3.3 策略分析

將基于IT2FLC 的功率分配策略與基于PI 控制器的策略[25-27]進(jìn)行比較。在FGVL 情況下通過連接和斷開EV 改變負(fù)載功率，在第0.5 s 時(shí)EV2 連接到電網(wǎng)，在第1.5 s 時(shí)EV1 從電網(wǎng)斷開。使用PI 控制器時(shí)VGFL 和FGVL 的功率平衡特性如圖10 所示。

圖10 VGFL和FGVL的功率平衡特性Fig.10 Power balance characteristics under VGFL and FGVL

VGFL 和FGVL 的直流電網(wǎng)電壓波形如圖11所示。

圖11 VGFL和FGVL的直流電網(wǎng)電壓波形Fig.11 DC grid voltage under VGFL and FGVL

由圖10 和圖11 可知，在VGFL 情況下，負(fù)載功率、SC 功率和直流電網(wǎng)電壓不變，僅ESB 功率隨時(shí)間變化。在FGVL 情況下，EV2 連接到直流電網(wǎng)時(shí)負(fù)載功率增加，出現(xiàn)瞬態(tài)功率需求，SC 向電網(wǎng)供電，HESS 功率和直流電網(wǎng)電壓均發(fā)生波動(dòng)，而EV1 斷開時(shí)HESS 功率和直流電網(wǎng)電壓無明顯變化。

3.4 半實(shí)物仿真驗(yàn)證

本文通dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)對圖1 所示HESS 充電站模型進(jìn)行實(shí)時(shí)驗(yàn)證。在VGFL 情況下，通過改變dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的光照參數(shù)來實(shí)現(xiàn)光伏輸出功率的變化。VGFL 情況下的實(shí)時(shí)特性如圖12 所示。

圖12 VGFL情況下的實(shí)時(shí)特性Fig.12 Real-time features under VGFL

由圖12 可知，在VGFL 情況下，負(fù)載功率和SC功率恒定，ESB 功率與PV 輸出功率的變化關(guān)系為負(fù)相關(guān)。

將光照維持在700 W/m2來固定光伏輸出功率，通過實(shí)時(shí)dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)連接和斷開EV1，EV2 改變負(fù)載功率。在EV2 連接到電網(wǎng)期間，SC 向ESB 提供瞬態(tài)功率。EV2 電流在連接到電網(wǎng)之前為0，連接后EV2 的ESB 以7 A 的電流充電，直流電網(wǎng)的負(fù)載功率升高，ESB 吸收功率減少。EV1 與電網(wǎng)斷開后電流為0，直流電網(wǎng)的負(fù)載功率降低，ESB 吸收功率增加。FGVL 情況下的實(shí)時(shí)特性如圖13 所示。由圖13 可知，在FGVL 情況下ESB，SC 的功率和直流電網(wǎng)電壓僅在EV 與電網(wǎng)連接或斷開的暫態(tài)過程發(fā)生變化。整體變化過程中功率波動(dòng)不超過2 000 W，直流電網(wǎng)電壓波動(dòng)不超過50 V，恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的速度快。

圖13 FGVL情況下的實(shí)時(shí)特性Fig.13 Real-time features under FGVL

綜上所述，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中獲得的結(jié)果與仿真結(jié)果相匹配。證明ESB 的功率隨時(shí)間變化而變化，而SC 僅參與瞬態(tài)過程，充分發(fā)揮了SC 功率密度高和響應(yīng)時(shí)間快的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到平衡電網(wǎng)發(fā)電量和負(fù)載需求的目的。

4 結(jié)論

本文提出一種基于IT2FLC 的太陽能電動(dòng)汽車HESS 高效功率分配策略。在MATLAB/Simulink 和dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中對所提策略在VGFL 和FGVL 這2 種情況下的性能進(jìn)行了驗(yàn)證，并得出以下結(jié)論。

1）在VGFL 情況下，當(dāng)光伏輸出功率增加時(shí)HESS 消耗的功率增加，當(dāng)光伏輸出功率減少時(shí)HESS 消耗的功率減少。

2）在FGVL 情況下根據(jù)負(fù)荷變化接斷電動(dòng)汽車，HESS 可改變ESB 的吸收功率、平衡光伏輸出功率和直流電網(wǎng)的負(fù)載功率。

3）所提策略中，SC 為ESB 提供瞬態(tài)功率，IT2FLC 通過調(diào)節(jié)直流電網(wǎng)電壓來提供更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。