基于混合儲能的船用光伏微電網控制策略研究

汪永鑫，許媛媛，2，徐茂棟，賈寶柱，2

（1.廣東海洋大學 海運學院，廣東 湛江 5 2 4 0 0 5；2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室，廣東 湛江 524006）

0 引 言

中國正積極推進綠色低碳發(fā)展，承諾力爭2030 年前實現(xiàn)碳達峰、2060 年前實現(xiàn)碳中和[1-2]。交通運輸行業(yè)是推動綠色發(fā)展，實現(xiàn)碳達峰、碳中和的關鍵領域，充分利用太陽能、波浪能、風能等可再生能源實現(xiàn)船舶的節(jié)能減排是未來船舶的發(fā)展方向[3]。 光伏發(fā)電可以將豐富的太陽能轉化為電能，具有廣闊的發(fā)展前景和可觀的應用價值[4-5]。 光伏發(fā)電應用在船舶上，可以充當船舶主動力推進系統(tǒng)的部分能量來源[6-7]。 光伏發(fā)電受溫度、光照、天氣環(huán)境等因素的影響，具有間歇性和波動性，如果直接并網運行將影響船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。 因此，如何有效平抑光伏發(fā)電的波動成為船舶電站亟待解決的問題。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量一般儲存在蓄電池中，但蓄電池的充放電次數(shù)較少、功率密度較低，不適合長期處于輸出功率較高的應用環(huán)境，因此，單獨大規(guī)模應用很難滿足電網峰值功率的需求。 混合儲能系統(tǒng)（hybrid energy storage system，HESS）包含磷酸鐵鋰電池（LiFePO4Battery）和超級電容（super capacitor，SC）兩種儲能設備，集功率型與能量型為一體，實現(xiàn)功能互補，不僅可以提高儲能系統(tǒng)的容量，使之能夠快速應對外界能量變化，緩解由于并網造成的電網波動問題，同時增強儲能系統(tǒng)的功率輸出能力，延長儲能系統(tǒng)的使用壽命。

目前，很多學者對微電網的混合儲能系統(tǒng)控制策略展開相關研究。 其中，文獻[8]提出充分利用電力系統(tǒng)中組合架構之間的連接關系，緩解目前電網中電池能量儲存系統(tǒng)存在的過充電、欠充電等問題。 文獻[9]提出了一種功率預測與自適應變步長相結合的擾動觀察法，使光伏系統(tǒng)快速、準確地實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制，并穩(wěn)定運行在最大功率點處。 文獻[10]中考慮臨界狀態(tài)下，蓄電池的頻繁充放電，以及船舶啟動時低電壓穿越能力差的問題，根據(jù)超級電容的剩余電量，提出一種可變增益值的控制策略。 文獻[11]針對光伏并網發(fā)電系統(tǒng)中逆變器工作的間歇性和容量利用低的情況，提出了一種改進型的光伏并網功率控制算法。 能夠向電網和本地負載提供有功功率，而且及時補償電網中的無功和諧波。 本文提出一種基于混合儲能的船用光伏微電網控制策略，并通過建模仿真與驗證分析，有效證明了該控制策略的可行性，具有較強的理論實踐意義和應用價值。

1 船舶微電網能量優(yōu)化拓撲結構

圖1 是船舶微電網系統(tǒng)能量優(yōu)化拓撲結構簡圖，由HESS、光伏發(fā)電（photovoltaic， PV）、負荷、DC/AC逆變器、升降壓變壓器等構成，其中直流母線端電壓與船舶電網實際需求相一致。 本文引入荷電狀態(tài)（state of charge， SOC）監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測磷酸鐵鋰電池和超級電容的荷電狀態(tài)SOCbat和SOCsc。 在該系統(tǒng)中，由超級電容和鋰電池發(fā)出的功率Psc和Pbat隨外界能量需求雙向變化，其中放電時為正，充電時為負。 對于直流母線而言，系統(tǒng)內部的功率平衡關系式如下：

圖1 船舶微電網系統(tǒng)能量結構

式中：Pline是通過升降壓變壓器流入船舶電網的并網功率；Ppv是光伏陣列注入直流母線的功率；Pload是負荷消耗的功率。

2 船舶光伏電網儲能系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概述

船舶光伏電網儲能系統(tǒng)包括光伏陣列和HESS兩大部分，如圖2 所示。 HESS 不僅可以及時補償由于光伏陣列不穩(wěn)定性和負荷波動性帶來的波動，還可以根據(jù)二階濾波算法合理分配各元件的平抑功率，有效平抑并網條件下的光伏出力波動，減小儲能元件損耗，提高儲能系統(tǒng)運行的經濟性能。

圖2 光伏混合儲能系統(tǒng)的拓撲結構圖

光伏陣列與HESS 通過DC/DC變換器與直流母線負載連接。 為擴大光伏陣列量能產出，采用Boost電路實現(xiàn)升壓功能[12]；HESS 中儲能元件與雙向DC/DC變換器有源并聯(lián)，相互獨立供電，能瞬時完成升降壓模式轉換，從而實現(xiàn)儲能元件間能量的雙向流動，以維持直流母線電壓的穩(wěn)定，維持系統(tǒng)的正常運行。

2.2 DC/DC變換器

DC/DC變換器通過升降壓變化，可以滿足不同負載要求，將其應用到對儲能元件的控制，方便實現(xiàn)電路轉換。 雙向DC/DC變換器能夠將儲能元件的充放電集于一體，具有雙向傳遞能量的功能，能夠及時對船舶電網電壓進行補償或利用，可根據(jù)船舶電網的能量變化做出一定響應[13]，其簡化拓撲結構如圖3 所示。

圖3 DC/DC雙向變換器拓撲圖

雙向DC/DC變換器控制儲能元件的能量輸入和輸出，同時維持直流母線電壓的穩(wěn)定。 變換器開關管VT1和VT2狀態(tài)決定電路Boost或Buck工作模式，隨之控制儲能系統(tǒng)充放電過程。 當船舶能量過剩時，能量從高壓側向低壓側傳遞，能量在HESS 中儲存，電路處于Buck 狀態(tài)。 VT2截止，當VT1在導通時間內，能量從直流母線到電感，讓儲能元件吸收能量，電流增大；當VT1關斷時，電感L與VD2構成閉合回路，電感儲存的能量釋放。 當船舶能量不足時，能量從低壓側向高壓側流動，能量從HESS 釋放，以補償電網的不足，電路工作在Boost狀態(tài)。 VT1截止，當VT2導通時，儲能元件放電，電流經過電感L進行儲存；VT2關斷時，電感L與VD1構成閉合回路，電感儲存的能量釋放，電流減小，方向不變。

對于光伏陣列，在VT的導通時間內，所在電路形成的Boost狀態(tài)增加能量產出，滿足電網對能量的期望值，從根本上解決由于發(fā)電不足造成的電壓波動問題。

3 基于混合儲能的光伏電網控制策略

3.1 能量管理策略

當光伏列陣并入船舶電網時，直流母線會出現(xiàn)不同頻率的波動，隨著并入數(shù)量的增加，這種波動會變得愈加明顯[14-15]。 中低頻波動分量通常不會影響電網的正常工作，但高頻波動分量卻會直接威脅電網的安全運行。 因此，需要通過控制策略對負載波動的大小進行平抑，有效降低功率波動對微電網運行質量的影響。

HESS 中的超級電容瞬時輸出功率高，響應快，主要用于控制母線電壓，同時抑制高頻脈動頻率[16]，而磷酸鐵鋰電池的輸出功率變化較慢，需要盡可能避免其頻繁充放電，主要作用于功率的低頻部分。 本研究采用一種基于儲能元件SOC的二階濾波算法控制策略，同時以兩種儲能元件的最優(yōu)工作閾值為參考指標，能有效避免儲能元件過充過放，保證儲能元件使用壽命。 具體過程：光伏輸出功率Ppv先后經過兩個截止頻率不同的高低頻濾波器，得到超級電容和鋰電池的參考輸出功率Psc-ref和Pbat-ref。 此外SOCsc和SOCbat會與各自最優(yōu)值比較、作差，再經比例放大，將得到的結果反饋到二階濾波算法，實時調整系統(tǒng)的功率分配，可表示為公式（2）：

式中：Tsc、Tbat是濾波器的時間常數(shù)；K1、K2為比例放大系數(shù)。 以超級電容為例，當SOCsc＜70%時，超級電容的輸出參考值會減小，減緩其剩余電量繼續(xù)減小；反之，當SOCsc＞70%時，超級電容的輸出參考值增加，減緩其剩余電量繼續(xù)增加。 該控制策略對鋰電池同樣適用，能夠同時控制兩種儲能元件SOC值。 由于儲能元件的SOC變化緩慢，Pline和Pbat的平滑性不會受到影響。

3.2 HESS 控制策略

雙向DC/DC變換器大多采用電壓外環(huán)電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制[17]，基于儲能系統(tǒng)和光伏電池的安全性能考慮，本研究采用功率外環(huán)電流內環(huán)的控制策略。 圖4 給出了超級電容和鋰電池兩種儲能元件的控制策略。

圖4 基于二階濾波算法的儲能元件控制策略

通過二階濾波算法得到超級電容和鋰電池的參考功率補償值，并作為控制環(huán)節(jié)的輸入。 超級電容和鋰電池采用相同的控制策略，其控制器的工作原理也完全相同。 以超級電容控制策略為例，二階濾波算法得到的參考功率Psc-ref與實際功率Psc作比較作為功率控制器的輸入，經調制后得到參考電流Isc-ref與實際電流Isc作差，經由電流調節(jié)器、限幅、PWM 調制等得到控制開關管通斷的控制信號。 此外，為保證功率流動的穩(wěn)定性和儲能系統(tǒng)的安全，該控制系統(tǒng)中設置了邏輯門與比較器，即當超級電容器處于放電模式時，能量釋放，此時Pref增加。 當滯回比較器中的輸出值高于儲能元件承受的功率限值Pmax時，輸出的邏輯值為0，此時VT1導通，使變換器由Boost模式轉為Buck 模式，能量由電網進入到超級電容中，否則，VT2導通，變換器處于Boost模式，能量由超級電容進入到電網。

3.3 Boost變換器控制策略

Boost變換器的控制策略如圖5 所示，光伏系統(tǒng)輸出功率隨電路Pload的變化而改變，Pload控制四組負荷投切開關的控制信號，計時器控制PV信號輸出，當兩類信號同時保持高電平時，光伏系統(tǒng)輸出該狀態(tài)下電池的實際電壓，此時產生的功率Ppv能夠滿足該狀態(tài)下的最大輸出，并通過限幅與脈寬調制產生互補的PWM控制信號驅動Boost電路運行。

圖5 光伏控制器

4 仿真分析

利用仿真軟件搭建混合儲能系統(tǒng)電路和控制部分的仿真模型，對光伏混合儲能系統(tǒng)結構電路進行充放電仿真分析，從而驗證混合儲能系統(tǒng)控制策略的正確性，光伏混合儲能系統(tǒng)關鍵性參數(shù)如表1 所示。

表1 光伏混合儲能系統(tǒng)關鍵性參數(shù)

為了研究功率協(xié)調分配，混合系統(tǒng)中使用了三端鋰電池并聯(lián)，分別定義為a、b、c，初始SOC分別設置為70%、69.5%、69%，額定容量為8 ×106VA。 光伏發(fā)電系統(tǒng)采用Sun Power公司SPR-305-WHT型號光電池，四組光伏陣列并聯(lián)，單組參考功率為6 ×106W。 6 個超級電容串聯(lián)，額定功率為4 ×106W。 系統(tǒng)仿真時間為11 s。

圖6 為負載發(fā)生波動時，直流母線、鋰電池功率PB、超級電容功率Psc和a端鋰電池SOC%的響應。 仿真實驗采用四組負荷投切方式改變負載大小，由計時器控制對應負荷接入電路時間：Timer1時間控制[0，1]，對應電平[1，1]，接入負載為10 kW；Timer2 時間控制[0，3.5]，對應電平[0，1]，接入負載為20 kW；Timer3 時間控制[0，2，6.5，8]，對應電平[1，0，1，0]，接入負載10 kW；Timer4 時間控制[0，5，6.5，9.5]，對應電平[1，0，1，0]，接入負載10 kW。 當高電平時，該項負載接入電路。當0≤t≤2 s時，系統(tǒng)負載為30 kW；在2 s、3.5 s、5 s、6.5 s、8 s、9 s時，負載發(fā)生階躍變化，對應的負載分別為20 kW、40 kW、30 kW、50 k W、40 k W、30 kW。 由圖可知，直流母線端電壓變化與加載負載變化保持一致，且隨著負載的增加而減小。而鋰電池功率變化與母線電壓相反，隨著負載的減小或增加進行功率的吸收或補償。 超級電容與鋰電池組保持一致的響應變化，主要用于維持鋰電池輸出改變、負載變化后的直流母線電壓，保證系統(tǒng)功率平衡。 由鋰電池的荷電狀態(tài)仿真圖可知，在2 s≤t≤3.5 s時，母線電壓超出額定電壓，鋰電池出現(xiàn)短暫充電，其余時間都是處于放電狀態(tài)，曲線斜率變化由外界功率所需而定。

圖6 負荷階躍時的系統(tǒng)響應

若6 s時c端鋰電池停止工作，系統(tǒng)動態(tài)響應如圖7 所示。 由圖可知，c端電池停止工作瞬間，對于直流母線而言，系統(tǒng)能量來源突然減少，為維持能量需求，各供能元件放電，母線端電壓降低。 此時，c端電池能量不再與外界進行交換，電池SOC保持恒定，維持在60%；a、b 兩端鋰電池SOC在6 s均達到69.15%，為了補償c端電池故障造成的功率差，以維持外部功率穩(wěn)定，a、b 兩端電池的輸出功率瞬時增加，同時SOC消耗曲線斜率也呈增加趨勢。 超級電容在鋰電池組發(fā)生故障后產生一個瞬時的功率補充，重新達到穩(wěn)定時在0 附近小范圍脈動。 系統(tǒng)各元件在6.2 s時達到新的平衡，各母線端電壓和儲能元件輸出功率維持在新的穩(wěn)定值。

圖7 c端鋰電池停止工作的外部響應

當可再生的光伏電源由于外界環(huán)境變化隨機波動時，鋰電池和超級電容的響應如圖8 所示。a、b、c三端電池鋰電池除初始SOC分別相差0.5%外，其他參數(shù)性質相同，充放電的先后順序隨機。 由仿真結果可知，超級電容的輸出功率Psc頻率較高，波動范圍較大；鋰電池的輸出功率PB頻率較低。 當光伏功率無規(guī)則波動時，為維持外部系統(tǒng)穩(wěn)定，超級電容能夠迅速對高頻分量做出吸收或補償，動態(tài)性能較高；而鋰電池則作用于低頻分量，全程曲線較為平緩。 超級電容處于頻繁的充放電的狀態(tài)切換中，體現(xiàn)了超級電容對鋰電池組的運行狀態(tài)的優(yōu)化，反映了兩者構成的混合儲能系統(tǒng)對于能量平衡的差異性和互補性，能夠及時對功率進行平抑，實現(xiàn)電網的穩(wěn)定運行[18]。由此證明提出的控制策略可以很好地分配儲能系統(tǒng)元件的輸出功率，減少鋰電池組的充放電次數(shù)，有效對其進行保護。

圖8 光伏隨機波動后儲能系統(tǒng)的響應

綜上，在直流微電網光伏發(fā)電中，儲能系統(tǒng)根據(jù)外界負荷變化充放電，若系統(tǒng)部分故障，系統(tǒng)內部供能元件放電以維持母線的電壓穩(wěn)定。 光伏電源不規(guī)律擾動時，儲能系統(tǒng)通過二階濾波算法補償功率差額，保證電網能量質量，同時提高儲能系統(tǒng)本身的使用壽命和經濟效益。

5 結 語

針對光伏可再生能源電網波動問題，本文提出了一種船舶光伏混合儲能系統(tǒng)結構，基于儲能元件SOC的二階濾波算法提出了一種用于平抑光伏波動的控制策略，該控制策略可實時根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)進行功率分配，有效改善混合儲能系統(tǒng)過充過放問題可以維持直流母線電壓，改善電網質量。 仿真結果有效驗證：

（1）儲能系統(tǒng)能夠應對外界負荷變化，并在較短時間內維持直流母線電壓穩(wěn)定。

（2）若鋰電池組部分發(fā)生故障，其余電池能夠迅速響應，維持系統(tǒng)能量穩(wěn)定。

（3）當光伏系統(tǒng)隨機波動時，混合儲能系統(tǒng)能夠及時補償高低頻功率分量，防止系統(tǒng)的脈動。

本研究對光伏系統(tǒng)發(fā)展與利用具有一定的借鑒意義，在未來的研究中，可以進一步考慮太陽能帆板在船體平臺上的布置、光能的跟蹤利用、最大功率點控制等相關因素，并將該理論逐漸延伸到離網型系統(tǒng)，充分開發(fā)利用可再生能源，為未來產業(yè)能量需求提供良好契機。