基于電壓下垂法的獨立直流微網混合儲能系統(tǒng)控制策略改進

胡治國，張磊沖，司少康，張磊磊，黃文帥

（1.河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南焦作 454003；2.內蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院，內蒙古呼和浩特 010051；3.三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌 443002）

0 引言

近年來，隨著光伏等可再生能源在電力行業(yè)的大規(guī)模應用，光伏單元輸出功率的間歇性和波動性也成為影響電力系統(tǒng)運行中電能質量穩(wěn)定的重要因素[1-4]。通常在光伏發(fā)電系統(tǒng)中配置一定容量的混合儲能單元，提高系統(tǒng)供電可靠性[5-7]。

荷電狀態(tài)是影響混合儲能單元使用壽命的重要因素。由于光伏單元輸出功率具有波動性，容易造成儲能單元在工作過程中出現(xiàn)過充或過放以及過熱等問題，縮短儲能單元的使用壽命[8-9]。因此，需要采取一些保護措施使儲能單元在工作過程中荷電狀態(tài)始終處于合理工作區(qū)間。

合理的儲能單元功率分配策略不僅能夠延長儲能單元循環(huán)使用壽命，而且能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。文獻[10]提出采用小波包分解完成并網功率和混合儲能單元需求功率的分配，并采取保護措施避免儲能單元出現(xiàn)過充或過放情況。文獻[11-14]根據儲能單元荷電狀態(tài)將儲能單元劃分為多種工作模式，避免儲能單元出現(xiàn)過充和過放情況，但系統(tǒng)控制過程需要考慮儲能單元配合時可能出現(xiàn)的各種工作狀態(tài)。文獻[15-17]采用變分模態(tài)分解獲得混合儲能單元初級分配功率，并采用模糊控制對儲能單元參考功率進行二次修正，達到平抑風光發(fā)電功率波動以及延長儲能單元使用壽命的目的。但變分模態(tài)分解存在邊界效應，對突發(fā)的信號處理能力較差，并且切換應用對象時需要對模糊規(guī)則進行調整。文獻[18-20]提出基于考慮超級電容荷電狀態(tài)的可變?yōu)V波時間常數(shù)儲能單元功率分配策略，雖然避免了超級電容出現(xiàn)過充或過放情況，但沒有對電池采取保護措施。文獻[21]采用基于自定義電壓變化率動態(tài)改變下垂系數(shù)的方法，使儲能單元需要補償?shù)墓β实玫胶侠矸峙?，但并未考慮混合儲能單元可能出現(xiàn)過充或過放情況，影響儲能單元的使用壽命。

綜上所述，本文提出一種基于電壓下垂控制的混合儲能系統(tǒng)改進控制策略，通過采用超級電容穩(wěn)態(tài)功率修正策略以及基于混合儲能單元荷電狀態(tài)的能量管理策略，提高儲能單元使用壽命。

1 直流微網系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)框架

直流微網系統(tǒng)基本框架如圖1 所示，由分布式電源（光伏單元）、混合儲能單元（電池和超級電容）、直流負載及功率變換器等幾部分構成。其中Ppv，Pb，Psc，Pload分別為光伏單元輸出功率、電池補償功率、超級電容補償功率、負載消耗功率。

圖1 直流微網系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure diagram of DC microgrid system

1.2 儲能單元傳統(tǒng)控制策略

在孤島狀態(tài)下，直流微網系統(tǒng)功率平衡為：

直流母線電壓與負載和光伏單元輸出功率差額之間存在以下關系：

由式（1）與式（2）可得：

式中：β為功率下垂系數(shù)；Udc為母線電壓測量值；Udcref為直流母線參考電壓；K為電壓下垂系數(shù)；Ihref為混合儲能單元參考電流。

基于電壓下垂控制的混合儲能單元控制策略如圖2 所示，其中Ibatref為電池參考電流，Iscref為超級電容參考電流，Ibat為電池端電流；Isc為超級電容端電流，Ubat為電池端電壓，LPF 為低通濾波器，PWM 為脈寬調制器。

圖2 混合儲能控制策略Fig.2 Hybrid energy storage control strategy

電池未補償?shù)墓β视沙夒娙莩袚藭r超級電容參考電流為：

式中：fLPF為低通濾波函數(shù)；Usc為超級電容端電壓。

本文所采用的傳統(tǒng)功率分配策略中超級電容發(fā)揮著主導作用，不僅需要快速響應系統(tǒng)波動功率中的高頻分量，同時還補償由于電池反應速度較慢而未能及時補償?shù)牡皖l分量[22-23]，從而提高儲能單元的控制策略的精準度。

2 儲能單元改進控制策略

儲能單元改進控制策略如圖3 所示。其中Ssc為超級電容荷電狀態(tài)，Sscref為超級電容額定荷電狀態(tài)，Sb為電池荷電狀態(tài)，A為大于0 的修正系數(shù)。

圖3 儲能單元改進控制策略Fig.3 Improved control strategy for energy storage unit

2.1 穩(wěn)態(tài)功率修正策略

基于超級電容荷電狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)功率修正策略通過檢測母線電壓變化率以及超級電容實時荷電狀態(tài)，在電池電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)中引入與超級電容荷電狀態(tài)有關的虛擬沖擊電流擾動，使其作用于電池電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)，對超級電容輸出功率進行實時修正，使超級電容荷電狀態(tài)在經過一段時間工作之后仍能恢復至額定值左右。虛擬沖擊電流IV數(shù)學表達式為：

式中：Ibatmax為電池最大工作電流；Iscmax為超級電容最大工作電流；C為母線電壓變化率閾值。

此時電池與超級電容參考電流變化為：

將式（8）代入式（5）可得：

由式（8）、式（9）可知，儲能單元放電時，若超級電容荷電狀態(tài)Ssc＞=Sscref，，則虛擬沖擊電流IV＜0，電池放電電流逐漸減小，超級電容放電電流逐漸增大，超級電容放電速度加快，此時超級電容荷電狀態(tài)逐漸向額定值恢復。儲能單元充電時，若超級電容荷電狀態(tài)Ssc＜Sref，，則虛擬沖擊電流IV＞0，電池充電電流逐漸減小，超級電容充電電流逐漸增大，超級電容充電速度加快，此時超級電容荷電狀態(tài)逐漸向額定值恢復。

2.2 能量管理策略

為避免電池出現(xiàn)過充或過放情況，本文提出一種基于混合儲能單元荷電狀態(tài)的能量管理策略，參考文獻[24-26]所提出的基于電池荷電狀態(tài)的功率分配策略中對電池荷電狀態(tài)工作區(qū)間的劃分方法，將電池荷電狀態(tài)劃分為5 個區(qū)域，分別為過度充電區(qū)（80%～100%）、限制充電區(qū)（70%～80%）、正常工作區(qū)（30%～70%）、限制放電區(qū)（20%～30%）、過度放電區(qū)（0～20%）。然后根據電池荷電狀態(tài)所處區(qū)域及充放電狀態(tài)，實時修正電池參考電流，達到延長電池使用壽命的目的。

在超級電容荷電狀態(tài)處于正常工作區(qū)間的前提條件下，將超級電容和電池工作狀態(tài)分為以下幾種情況：

1）電池荷電狀態(tài)為Sb＜20%，則禁止電池放電，只允許其充電。

2）電池荷電狀態(tài)為20%＜=Sb＜30%，遵循“快充慢放”原則，超級電容穩(wěn)態(tài)功率修正策略處于待機狀態(tài)。

式中：m為大于0 的修正系數(shù)，根據系統(tǒng)儲能單元容量的大小、功率波動情況兩者綜合評定選??；Ibref為能量管理策略修正后電池參考電流。

3）若此時電池荷電狀態(tài)為30%＜=Sb＜70%，混合儲能單元正常工作，基于混合儲能單元荷電狀態(tài)的能量管理策略切換為待機狀態(tài)。

4）電池荷電狀態(tài)為70%＜=Sb＜80%，遵循“慢充快放”原則，超級電容穩(wěn)態(tài)功率修正策略處于待機狀態(tài)。

5）若電池荷電狀態(tài)為Sb＞=80%，則禁止電池充電，只允許其放電。

6）若超級電容荷電狀態(tài)不在正常工作區(qū)間，則基于混合儲能單元荷電狀態(tài)的能量管理策略切換為待機狀態(tài)。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink 中搭建獨立直流微網系統(tǒng)模型，對系統(tǒng)母線電壓、儲能單元荷電狀態(tài)及輸出功率的變化情況進行仿真分析。模型主要參數(shù)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 Main system parameters

3.1 穩(wěn)態(tài)功率修正策略

在獨立直流微網仿真模型中，通過改變光伏單元輸出功率，使混合儲能單元工作在充電或者放電狀態(tài)，驗證基于超級電容荷電狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)功率修正策略的有效性。

光伏單元輸出功率變化情況如圖4 所示。電池和超級電容初始荷電狀態(tài)均在正常工作區(qū)間，觀察超級電容工作在充電和放電狀態(tài)時優(yōu)化前后超級電容荷電狀態(tài)變化情況以及混合儲能單元輸出功率情況，驗證超級電容穩(wěn)態(tài)功率修正策略的有效性。系統(tǒng)仿真結果如圖5 所示。

圖4 光伏輸出功率Fig.4 Photovoltaic output power

圖5 穩(wěn)態(tài)功率修正策略仿真結果Fig.5 Simulation results of steady-state power correction strategy

圖5（b）中Vdc與Vdcref分別為母線電壓實測值與額定值。由圖5（d）可知，0.5 s 時超級電容快速補償系統(tǒng)差額功率，荷電狀態(tài)出現(xiàn)短暫下降。0.5 s 后在光伏輸出功率達到穩(wěn)定狀態(tài)時，優(yōu)化前超級電容承擔的高頻功率分量中充電功率大于放電功率，超級電容在快速補償波動功率后，荷電狀態(tài)整體呈現(xiàn)上升趨勢。

由圖5（a）可知，優(yōu)化后在超級電容穩(wěn)態(tài)功率修正策略的作用下，超級電容在工作過程中荷電狀態(tài)始終穩(wěn)定在額定值左右。

3.2 能量管理策略仿真分析

3.2.1 電池荷電狀態(tài)位于限制放電區(qū)

當電池初始荷電狀態(tài)位于限制放電工作區(qū)間，超級電容初始荷電狀態(tài)位于正常工作區(qū)時，觀察優(yōu)化前后電池工作在充電和放電狀態(tài)時荷電狀態(tài)與母線電壓變化情況，仿真結果如圖6 所示。

圖6 電池限制放電區(qū)仿真結果Fig.6 Simulation results of battery limit discharge zone

由圖6（a）可知，電池荷電狀態(tài)在放電限制區(qū)時，在能量管理策略的作用下，遵循“快充慢放”的工作原則，減緩了電池荷電狀態(tài)到達過度放電臨界值的時間，延長了電池使用壽命。

3.2.2 電池荷電狀態(tài)位于限制充電區(qū)

當電池初始荷電狀態(tài)在限制充電工作區(qū)間，超級電容初始荷電狀態(tài)在正常工作區(qū)，觀察優(yōu)化前后電池工作在充電和放電狀態(tài)時荷電狀態(tài)與母線電壓變化情況，仿真結果圖7 所示。

圖7 電池限制充電區(qū)仿真結果Fig.7 Simulation results of dattery limit charging zone

由圖7（a）可知，電池荷電狀態(tài)在充電限制區(qū)時，在能量管理策略的作用下，遵循“慢充快放”的工作原則，減緩了電池荷電狀態(tài)到達過度充電臨界值的時間，延長了電池使用壽命。

4 結語

獨立直流微網系統(tǒng)中混合儲能單元的使用壽命是影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要因素之一。本文以延長混合儲能單元使用壽命為目標，提出基于超級電容荷電狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)功率修正策略及基于混合儲能單元荷電狀態(tài)的能量管理策略。與傳統(tǒng)混合儲能單元控制策略相比，本文根據儲能單元工作特性所提的改進措施能夠有效延長儲能單元使用壽命，對于采用混合儲能技術平抑獨立直流微網系統(tǒng)功率波動具有一定的參考價值。