基于荷電狀態(tài)的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配方法

王曉海，王 奎，何金平

應(yīng)用研究

基于荷電狀態(tài)的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配方法

王曉海，王 奎，何金平

（船舶綜合電力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430064）

目前復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率分配普遍采用基于功率直接分解的方法，此方法忽略了電量的累積效應(yīng)，無法直接控制儲(chǔ)能裝置的狀態(tài)。針對該問題，本文提出基于荷電狀態(tài)的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配方法。該方法省略功率分解環(huán)節(jié)，直接構(gòu)造功率指令與荷電狀態(tài)之間的函數(shù)關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)同時(shí)控制瞬時(shí)變量（功率）和時(shí)間累積變量（荷電狀態(tài)），從而使系統(tǒng)中的各儲(chǔ)能裝置在各時(shí)間尺度上均能維持相對的能量平衡。以由超級電容和電池構(gòu)成的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，在Simulink仿真平臺(tái)上建立仿真模型。對基于荷電狀態(tài)的功率分配方法和濾波法進(jìn)行了仿真對比，并且驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。

復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng) 功率分配 超級電容

0 引言

以“雙碳”目標(biāo)為背景，儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)揮著舉足輕重的作用。儲(chǔ)能技術(shù)在船舶行業(yè)也得到了廣泛的應(yīng)用。工程船舶上的儲(chǔ)能系統(tǒng)需要滿足兩方面的要求：一是需要提供大功率的支撐；二是需要在發(fā)電出現(xiàn)故障時(shí)，保證重要負(fù)荷長時(shí)間的正常運(yùn)行[1]。因此儲(chǔ)能系統(tǒng)必須兼具較好的功率輸出特性和一定的儲(chǔ)能容量。

目前單一的儲(chǔ)能材料很難兼顧功率和能量兩方面的要求，將功率輸出能力強(qiáng)的超級電容，與具有長時(shí)間儲(chǔ)能能力的可充電電池類儲(chǔ)能裝置聯(lián)合起來，組成復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，將最大限度地發(fā)揮各儲(chǔ)能裝置的優(yōu)勢。同時(shí)，不同性能的儲(chǔ)能裝置有可能運(yùn)行在對自身更有利的方式下，有助于延長儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。此外，在滿足整體性能需求的前提下，采用復(fù)合儲(chǔ)能有可能減小儲(chǔ)能系統(tǒng)整體的功率或存儲(chǔ)容量，提高利用率，實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)性[2]。

本文針對復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)提出了一種新的功率分配方法，并和現(xiàn)有的濾波法進(jìn)行比較，在功率波動(dòng)的情況下進(jìn)行仿真，從穩(wěn)態(tài)響應(yīng)結(jié)果證明了該策略的優(yōu)勢。

1 復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法

采用超級電容和電池類直流電壓源型儲(chǔ)能裝置組成的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)一般是，儲(chǔ)能裝置直接、或通過雙向DC/DC變換器并聯(lián)到直流母線上，直流母線可以直接連接直流負(fù)載或者通過DC/AC變換器為交流負(fù)載供電。復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的示意圖如圖1所示:

圖1 復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖

圖1所示儲(chǔ)能系統(tǒng)中的DC/DC變換器可采用如圖2所示的buck-boost雙向DC/DC變換器。通過改變電感電流i平均值的大小和方向，即可實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)。直流電壓源型儲(chǔ)能裝置接入輸入端后，可將輸出電壓u或電感電流i的平均值作為控制目標(biāo)，通過改變橋臂上下管導(dǎo)通的占空比來實(shí)施控制[5]。

圖2 buck-boost雙向DC/DC變換器拓?fù)?/p>

2 復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配方法

2.1 濾波法

目前一種常規(guī)的功率分配方法是濾波法，即對功率指令或電流指令進(jìn)行分解，通過高通濾波器檢測功率參考值的高頻分量作為負(fù)載瞬時(shí)功率的參考值，由超級電容進(jìn)行響應(yīng)；通過低通濾波器檢測功率參考值的低頻分量作為負(fù)載穩(wěn)態(tài)功率的參考值，由電池進(jìn)行響應(yīng)[3]。濾波法控制原理圖如圖3所示:

圖3 濾波法控制原理圖

首先檢測直流母線輸出電壓U，并與參考電壓U作差，誤差信號(hào)通過控制器產(chǎn)生補(bǔ)償功率指令P，通過低通濾波器將P分解成兩部分，低頻部分作為電池輸出功率的參考值P_ref，高頻部分作為電容輸出功率的參考值P_ref，然后由功率參考值生成各自的輸出電流參考值。采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制，使電池和電容輸出功率跟隨功率輸出指令P_ref、P_ref。通常要在i_ref、i_ref指令后增加限幅環(huán)節(jié)，以防止電池電容輸出電流過限。

這里低通濾波器簡單選擇為一階低通濾波器，其傳遞函數(shù)為：

其中為微分算子，T為濾波時(shí)間常數(shù)[4]。

假設(shè)=0時(shí)刻功率參考指令P由P突變到P（0時(shí)刻以前功率分配已達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，即P_ref(0)=0,P_ref(0)=P），則傳遞給電池和超級電容的功率指令P_ref()、P_ref()分別為：

進(jìn)行離散化,其中，Δ表示仿真步長，表示迭代次數(shù)。

仿真流程為：

從式（7）可以看出，P_ref隨P緩慢變化，主要響應(yīng)低頻功率；P_ref隨P快速變化，主要響應(yīng)高頻功率。電池和超級電容的所分配的功率參考值主要有總功率參考指令P以及濾波時(shí)間常數(shù)T，T越大，截止頻率f越小，濾波器允許通過的頻率范圍越小，分配的電池的功率P_ref就越小，電池功率變化也就平緩。同時(shí)分配給電容的功率P_ref就越大。

2.2 基于荷電狀態(tài)（SOC）的功率分配方法

濾波法在進(jìn)行功率分配時(shí)沒有考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的，因此需要增加額外的控制模塊，以防止超級電容的過充過放。儲(chǔ)能裝置的用來反映儲(chǔ)能裝置的剩余電量，其估計(jì)值可按下式得到：

其中，Q為儲(chǔ)能裝置額定容量，為累積計(jì)算得到的儲(chǔ)能裝置已放出的電量。儲(chǔ)能裝置充滿電時(shí)為1。

設(shè)某種儲(chǔ)能裝置一段時(shí)間[1,2]內(nèi)放電電流為()，放電功率為()，端電壓為()；荷電狀態(tài)為()，儲(chǔ)存的能量為()；則上述變量之間具有如下關(guān)系

因此，構(gòu)造（或）與（或）之間的函數(shù)，是建立兩類變量直接聯(lián)系的一種方法。

對理想電容來說，其儲(chǔ)存的電量與端電壓成正比，根據(jù)荷電狀態(tài)定義，其與端電壓成正比；對電池來說，可以通過電池管理系統(tǒng)（）獲得。因此一般儲(chǔ)能裝置的比較容易獲取。

若將超級電容的荷電狀態(tài)作為電池功率指令的自變量，根據(jù)電容建立與其相關(guān)的電池功率輸出指令，將使電池輸出功率更加平緩，極大地避免了尖峰功率和頻繁的功率變化對電池性能和使用壽命的影響。

電池的功率指令函數(shù)P_ref()需要能調(diào)整超級電容的到合適狀態(tài)，以使得電容具有處理波動(dòng)功率的剩余電量。當(dāng)功率波動(dòng)到來時(shí)，首先由電容進(jìn)行響應(yīng)，當(dāng)電容的波動(dòng)稍大時(shí)，才會(huì)引起電池功率指令P_ref的變化?？珊唵蔚牧?i>P_ref與呈線性關(guān)系，設(shè)置P_ref與的上下限，使得越接近下限，電池的放電功率越大，迫使電容進(jìn)行充電；越接近上限，電池的充電功率越大，迫使電容進(jìn)行放電。設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的參考正方向?yàn)榉烹?，則P_ref與，以及P_ref相應(yīng)的關(guān)系式為：

其中Pb_max為電池輸出功率絕對值的上限，SOCl為電容SOC的下限，SOCu是電容SOC的上限。Pref為復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)整體需要響應(yīng)的功率參考值，Psc_ref為超級電容需要響應(yīng)的功率參考值[6]。

上述分配方法的示意圖如圖4所示，可以看出，每一個(gè)P_ref對應(yīng)一個(gè)，當(dāng)要求儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的功率在（0，P_max）時(shí)，電池功率會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得一直處于（SOC，SOC）之間，不會(huì)超限。比如當(dāng)P=0.5P_max，如果降到了SOC，則電容功率P_ref=P-P_max=-0.5P_max，在電池功率的調(diào)節(jié)下，電容進(jìn)行充電。同時(shí)電池功率指令函數(shù)已經(jīng)對電池的輸出功率進(jìn)行了限幅，在對P進(jìn)行限幅的情況下，電容的輸出功率被限制在（-P_max，P_max）之內(nèi)。

根據(jù)以上論述，基于荷電狀態(tài)的功率分配法控制原理圖如圖5所示[7]。

3 仿真與驗(yàn)證

依據(jù)圖4給出的超級電容電池復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及2.1節(jié)和2.2節(jié)中的控制原理圖，基于/平臺(tái)進(jìn)行仿真，給出基于荷電狀態(tài)的功率分配方法與濾波法關(guān)于周期性功率波動(dòng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)結(jié)果的對比。

圖5 基于荷電狀態(tài)的功率分配法控制原理圖

假設(shè)復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)整體的功率指令P為在1 kW到3 kW之間波動(dòng)、脈沖寬度為50%的方波。分別采用時(shí)間常數(shù)為0.5 s的一階低通濾波器、時(shí)間常數(shù)為2 s的一階低通濾波器、和基于荷電狀態(tài)的功率分配方法，對功率波動(dòng)進(jìn)行處理；達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的仿真結(jié)果如圖6所示。其中，P_ref(W)為電池響應(yīng)功率，P_ref(W)代表超級電容響應(yīng)功率。

圖6 功率波動(dòng)仿真結(jié)果

從圖6可以看出，對于電容功率和電池功率，采用基于荷電狀態(tài)的功率分配方法相較于濾波法時(shí)，電池功率指令的波動(dòng)幅度始終較小.

仿真結(jié)果說明，在容量配置一定的情況下，與普通濾波法相比，基于荷電狀態(tài)的功率分配方法具有良好的適應(yīng)性。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于荷電狀態(tài)的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配方法。該方法省略功率分解環(huán)節(jié)，直接構(gòu)造功率指令與荷電狀態(tài)之間的函數(shù)關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)同時(shí)控制瞬時(shí)變量（功率）和時(shí)間累積變量（荷電狀態(tài)），使系統(tǒng)中的各儲(chǔ)能裝置能維持相對的能量平衡。該方法使功率分配結(jié)果針對功率波動(dòng)具有良好自適應(yīng)性。

[1] 周美蘭, 馮繼峰, 張宇, 楊明亮, 吳曉剛.純電動(dòng)客車復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配控制策略研究[J], 2019, 34(23): 5001-5013.

[2] 王峰. 電動(dòng)汽車用復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)方法研究[D]. 華南理工大學(xué), 2019.

[3] Huang P, Lan P, Huang S. Cooperation between distributed power modules for SoC power management[J]. IEICE Transactions on Electronics, 2016: E99.C(6).

[4] 齊彥薇. 數(shù)字型Buck/Boost雙向DC-DC變換器的設(shè)計(jì)[D]. 西安石油大學(xué), 2020.

[5] 奚文龍, 唐文秀, 許李尚, 劉方悅.基于一階低通濾波器滑模反步法的直流電機(jī)位置控制[J]. 重慶: 重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017, 29(04): 550-556.

[6] Zhu J. Feng Lu. System-level power management for low-power SOC design[C]. Proceedings of the 2011 10th International Symposium on Distributed Computing and Application to Business, Engineering and Science, 2011: 428-432.

[7] Chen R, R. Liu, J. B. Kuo. Gate-level dual-threshold total power optimization methodology (GDTPOM) principle for designing high-speed low-power SOC applications[C]. 2008 9th International Conference on Solid-State and Integrated-Circuit Technology Proceedings Ⅲ. Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2008: 487-490.

Power distribution method of composite energy storage system based on state of charge

Wang Xiaohai, Wang Kui, He Jinping

(Science and Technology on Ship Integrated Power System Technology Laboratory, Wuhan 430064, China)

U469.72

A

1003-4862（2022）10-0133-04

2022-03-29

王曉海（1994-），男，碩士。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。E-mail: 75241601@qq.com