面向孤島微電網(wǎng)的混合儲能實驗平臺設計

陳繼明， 朱勁男， 孟慶偉， 朱明曉， 鐘振芳

（中國石油大學（華東）新能源學院，山東青島 266580）

0 引 言

隨著能源需求的增加、化石資源的枯竭和環(huán)保壓力的增大，人們對風、光等綠色能源的需求越來越迫切［1-2］。由風、光等分布式能源和就近負荷組成的微電網(wǎng)系統(tǒng)，通過優(yōu)化設計、有效管理與控制，可充分利用各種分布式可再生能源的優(yōu)勢，實現(xiàn)分布式能源的就地消納，為負荷用戶提供清潔環(huán)保的電能，減少遠距離輸電的建設投資和電能損耗［3-4］。

儲能技術作為微電網(wǎng)的核心與基礎，在平抑風、光分布式能源的波動性和間歇性，提高供電可靠性中發(fā)揮著重要作用［5-6］。近年來，國內(nèi)外針對儲能在微電網(wǎng)中的應用開展了一系列相關技術研究［7-9］，并搭建了相關實驗平臺，但大多數(shù)實驗平臺采用了單一的儲能形式；單一的儲能形式不能同時滿足能量密度和功率密度的要求，兩種及以上的混合儲能方式可充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，配合恰當?shù)膮f(xié)調(diào)控制方法可有效實現(xiàn)微電網(wǎng)直流母線電壓的穩(wěn)定和儲能元件使用壽命的延長。

本文設計了面向孤島微電網(wǎng)的混合儲能技術實驗平臺，硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)，混合儲能裝置、可控直流電源與可編程直流負載通過主電路分別連接直流母線；控制系統(tǒng)基于DSP28377D 開發(fā)板，可借助軟件編程實現(xiàn)直流母線雙閉環(huán)控制、混合儲能的協(xié)調(diào)控制等創(chuàng)新實驗。

1 混合儲能實驗平臺設計

混合儲能實驗平臺構(gòu)成如圖1 所示，整個微電網(wǎng)主要由混合儲能裝置及電力電子變換器、直流電源和直流負載組成。其中可控直流電源充當光伏等分布式電源，可編程直流負載模擬可變負載，混合儲能裝置則采用鉛酸蓄電池和超級電容的組合方式，充分發(fā)揮鉛酸蓄電池能量密度大、超級電容功率密度大的特點?？煽刂绷麟娫磁c儲能裝置通過DC／DC 變換器與母線連接，電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。單向DC／DC變換器采用Boost 電路，雙向DC／DC 變換器采用Boost／Buck電路。

圖1 混合儲能實驗平臺構(gòu)成示意圖

本平臺可開展平抑分布式電源及負載突變導致的直流母線電壓波動等實驗，分析分布式電源及負載突變時的控制特性?？赏ㄟ^設置直流電源功率突變及負載突變，對直流母線雙閉環(huán)控制與基于低通濾波法的混合儲能協(xié)調(diào)控制進行分析。

1.1 平臺構(gòu)建方案

圖3 所示為混合儲能實驗平臺的實物關聯(lián)圖，主要包括混合儲能裝置、可控直流電源、可編程直流負載、變換器主電路與采樣及控制電路單元。

圖3 混合儲能實驗平臺實物關聯(lián)圖

（1）可編程電子負載。采用艾德克斯IT8512A ＋，具有定電壓、定電流、定電阻和定功率四種模式，電壓范圍為0 ～150 V，電流范圍為0 ～30 A，額定功率300 W。

（2）可控直流電源。采用艾德克斯IT6332L，具有2 個30 V／6 A／180 W輸出通道和1 個5 V／3 A／15 W輸出通道，電流、電壓分辨率分別為1 mA、1 mV。

（3）鉛酸蓄電池。單體容量為45 Ah，額定工作電壓為12 V。2 個蓄電池串聯(lián)構(gòu)成蓄電池組，總?cè)萘繛?0 Ah，總電壓為24 V。

（4）超級電容組。采用MAXWELL 超級電容組，額定電壓為48 V，總?cè)萘?65 F，單體容量為3 000 F，額定電壓為2.7 V，由18 個單體串聯(lián)而成。

（5）Boost電路。單向DC／DC 變換器，輸入電壓為0 ～100 V，輸出電壓為0 ～400 V。

（6）Boost／Buck電路。雙向DC／DC變換器，輸入電壓為0 ～100 V，輸出電壓為0 ～400 V。

圖4 所示為混合儲能實驗平臺結(jié)構(gòu)，圖中vdc為直流母線電壓，isc和ib分別為超級電容器和蓄電池電流。其中電流、電壓檢測分別采用LA25-NP 霍爾電流傳感器和LV25-P 霍爾電壓傳感器，二者都是通過磁平衡原理，將電流、電壓信號轉(zhuǎn)化為小電流信號，實現(xiàn)與主電路的電氣隔離。

圖4 混合儲能實驗平臺結(jié)構(gòu)

1.2 雙向DC-DC變換器

雙向DC-DC變換器采用Boost／Buck電路，共有正向升壓和反向降壓2 種工作模式，以及4 種開關工作狀態(tài)，如圖5 所示。由圖5 可見，u1、u2分別表示低壓側(cè)、高壓側(cè)電壓；L、C1和C2分別表示濾波電感、低壓側(cè)電容和高壓側(cè)濾波電容；S1和S2分別是上下2 個橋臂的開關管，圖5（a）和（b）通過觸發(fā)功率開關管S2，電路處于升壓工作狀態(tài)，電流從左往右流動，因此儲能系統(tǒng)可向母線側(cè)釋放功率；圖5（c）和（d）通過觸發(fā)S1，電路處于降壓工作模式，電流從右往左流動，儲能系統(tǒng)可從母線側(cè)吸收功率。

圖5 Boost／Buck變換器工作模式

為避免升壓和降壓2 種工作模式在控制上的來回切換，上下管采用互補導通的方式，這樣可避免出現(xiàn)橋臂直通，也不需要額外的邏輯單元，提高了系統(tǒng)響應速度［10-11］?；パa導通控制方式的正向Boost 模式和反向Buck模式的傳遞函數(shù)是相同的［12］。因此本文選取Boost模式對Boost／Buck變換器進行建模。

Boost／Buck變換器穩(wěn)態(tài)工作點附近擾動的小信號模型為：

式中：t為時間；U2為電容C2電壓穩(wěn)態(tài)值；IL為電感L電流穩(wěn)態(tài)值；M為占空比穩(wěn)態(tài)值；R為負載電阻；u＾1、u＾2分別為電容C1、C2兩端的小信號電壓；i＾L為流過電感L的小信號電流；m＾為變換器的小信號占空比。

占空比擾動m＾對電感電流擾動i＾L的傳遞函數(shù)Gid和輸出電壓擾動對電感電流擾動的傳遞函數(shù)為：

式中，s為拉普拉斯變換的復頻率。

2 混合儲能系統(tǒng)控制方法

在直流微網(wǎng)中，通過維持直流母線電壓穩(wěn)定便可保證網(wǎng)內(nèi)的功率平衡，因此目前混合儲能系統(tǒng)最常用的控制方法是基于濾波器的電壓電流雙環(huán)PI 控制［14-16］，如圖6 所示。在該方法中，電壓外環(huán)控制直流母線電壓，電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)鋰電池和超級電容的充放電電流。

圖6 混合儲能系統(tǒng)控制框圖

在電壓外環(huán)控制中，電壓偏差量uerr為直流母線電壓實際值udc與其參考值uref的差值，uerr經(jīng)PI控制器得到需混合儲能系統(tǒng)補償?shù)目偛黄胶怆娏鱥total，其計算方法如下式所示：

式中，Kv_p和Kv_i分別為PI 控制器的比例常數(shù)和積分常數(shù)，其參數(shù)計算與式（2）以及電流內(nèi)環(huán)PI控制器參數(shù)有關。式（3）所得的不平衡電流itotal，可經(jīng)過低通濾波器分解得到低頻段的平均電流需求iavg和高頻段的瞬時電流波動itran，二者分別作為電池充放電電流的參考值ib_ref和超級電容充放電電流的參考值isc_ref，具體表達式為：

式中，fc為低通濾波器的截止頻率。電流參考值ib_ref和isc_ref分別與電池和超級電容的實際電流值ib和isc作差，得到的電流偏差量分別經(jīng)過PI控制器生成占空比信號db和dsc；最后，mb、msc被送入脈寬調(diào)制器產(chǎn)生方波信號進而分別控制DC／DC 變換器的功率開關Sa、Sb、Sc和Sd，從而實現(xiàn)對蓄電池和超級電容充放電狀態(tài)的控制。

3 混合儲能平臺仿真分析

孤島微電網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)仿真平臺采用Matlab／Simulink搭建，蓄電池和超級電容器通過各自的雙向DC-DC變換器與直流母線相連，直流電流源通過單向DC-DC變換器與直流母線連接，可變負載直接與直流母線連接。仿真分別設置直流電流源輸出電流的突然增減和負載的突然增減，觀察直流母線電壓和蓄電池、超級電容側(cè)電流。

在仿真時，直流母線電壓基準值設置為48 V，負載為48 Ω，直流電流源輸出電壓為24 V，輸出電流為1 A。仿真結(jié)果如圖7 和圖8 所示。

圖7 負載突變時直流母線電壓及儲能電流仿真波形

圖8 電源突變時直流母線電壓及儲能電流仿真波形

（1）負載突變波動仿真。仿真中設置在0.2 s時負載電阻從48 Ω突減為24 Ω，0.4 s時從24 Ω 突增為48 Ω。在0.2 s 之前，直流電源輸出的功率為24 W，提供的功率小于負載的功率，功率差由蓄電池提供；負載在0.2 s 時突增，功率平衡被破壞，超級電容器瞬時響應進入放電模式，及時釋放功率支撐直流母線電壓，蓄電池電流緩慢增加，以支撐缺額功率，最后超級電容電流衰減為0 A，系統(tǒng)進入新的平衡；負載在0.4 s時突降，超級電容器瞬間進入充電模式，短時間內(nèi)對缺額功率進行補充，蓄電池電流緩慢減小，最后超級電容電流衰減為0 A，系統(tǒng)進入新的平衡。

（2）直流電源突變波動仿真。設置在0.2 s時直流電流源輸出電流突變?yōu)? A，0.4 s時從4 A突變?yōu)? A。在0.2 s之前，直流電源輸出的功率不能為負載提供足夠的功率，但所需補充的功率不大，蓄電池提供這部分功率；直流電源電流在0.2 s時突增，輸出的功率過多，超級電容器瞬時響應進入充電模式并吸收剩余的功率，蓄電池緩慢進入充電模式，最后系統(tǒng)進入新的平衡；直流電源電流在0.4 s時突降，超級電容器瞬間進入放電模式，短時間內(nèi)對缺額功率進行補充，蓄電池緩慢進入放電模式，最后進入新的平衡。

仿真運算過程中，直流母線電壓雖然出現(xiàn)波動，但基本穩(wěn)定在48 V左右，混合儲能系統(tǒng)基本實現(xiàn)母線恒壓。在小波動的情況下，超級電容器瞬間提供能量，改善了充放電曲線，使電池與超級電容器的儲能協(xié)調(diào)控制策略得到實現(xiàn)。

4 混合儲能平臺實驗驗證

實驗平臺采用48 V 直流母線結(jié)構(gòu)。針對負載突變與直流電源突變的情形，實驗驗證協(xié)調(diào)控制策略的可行性。實驗中，直流電源工作在恒壓模式，通過調(diào)節(jié)Boost電路改變輸出功率，直流負載則工作在定電阻模式。

（1）負載突變。設置負載由48 Ω 變?yōu)?4 Ω，得到實驗屏顯波形如圖9 所示。在負載突變期間，直流母線電壓產(chǎn)生1.5 V 波動，蓄電池電流從1 ～3 A，超級電容電流突然變化，并恢復到0 A。

圖9 負載突變時電壓、電流的實驗驗證屏顯波形

（2）直流電源突變。設置直流電源輸出電流由1 A變?yōu)? A，實驗波形如圖10 所示。在負載突變期間，直流母線電壓有波動，蓄電池電流從1 ～2 A，超級電容電流突然變化，并恢復到0 A。

圖10 直流電源突變時電壓、電流的實驗驗證屏顯波形

由圖9 和10 可知，無論是負載突變還是直流電源功率突變，在混合儲能裝置電壓電流雙閉環(huán)控制下可以使得母線電壓穩(wěn)定在48 V，且波動非常小，可明顯地看到蓄電池、超級電容電流的變化過程，蓄電池緩慢響應，超級電容快速響應，二者協(xié)調(diào)配合，有效穩(wěn)定直流母線電壓。

5 結(jié) 語

本文搭建了面向孤島微電網(wǎng)的混合儲能系統(tǒng)仿真和實驗平臺，進行了負載擾動和直流電源擾動情況下的孤島微電網(wǎng)仿真和實驗。結(jié)果表明：基于濾波器的協(xié)調(diào)分配方法將高頻功率分配給超級電容，低頻功率則分配給蓄電池，可合理分配系統(tǒng)功率缺額；基于電壓電流的雙閉環(huán)控制方法，可有效保證直流母線電壓的穩(wěn)定，快速消除擾動造成的影響；該平臺有助于分析混合儲能調(diào)節(jié)的暫態(tài)過程，為下一步算法優(yōu)化提供支撐。