一種新型混合儲能拓撲及其功率分流算法

常豐祺 鄭澤東 李永東

一種新型混合儲能拓撲及其功率分流算法

常豐祺 鄭澤東 李永東

（清華大學(xué)電機系電力電子與電機控制研究室 北京 100084）

拓撲結(jié)構(gòu)和功率分流算法是混合儲能系統(tǒng)研究的兩個重要內(nèi)容。本文提出了一種基于模塊化級聯(lián)多電平拓撲的混合儲能變換器，并且采用了一種特殊的載波層疊調(diào)試方法實現(xiàn)模塊間的電壓均衡。針對混合儲能中的功率分流控制問題，本文總結(jié)了最經(jīng)常采用的低通濾波器法的缺點，并在仿真和實驗中與一種新的功率分流算法進行了對比。本文在MATLABSIMULINK平臺上進行了仿真研究，得到了仿真結(jié)果，并且在小容量實驗平臺獲得了短時間運行和長時間運行的實驗結(jié)果。

功率分流 混合儲能 主動均衡 模塊化多電平拓撲

1 引言

近年來，隨著風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電不斷發(fā)展起來，裝機容量越來越大，但是其不確定性會對電網(wǎng)造成很大影響。國內(nèi)外研究表明，若風(fēng)電裝機容量占總?cè)萘康谋壤^20%，將嚴重影響電網(wǎng)的調(diào)峰能力和安全運行[1]。為確保高可靠性、高質(zhì)量供電，儲能裝置聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用具有加大發(fā)展前景。儲能模塊可以集成在“發(fā)—輸—配—用”等各個環(huán)節(jié)中，在負荷低谷時作為負荷從電網(wǎng)中吸收多余能量并存儲起來，待電力不足或負荷高峰時再將存儲的能量釋放出來以供使用，為電力系統(tǒng)“削峰填谷”。如此不僅可以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且能夠幫助電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度，從而提高能源利用率、降低環(huán)境污染[2,3]。

由于單一儲能介質(zhì)組成的儲能裝置性能會受到這種儲能介質(zhì)特性的限制，所以在實際中混合儲能系統(tǒng)應(yīng)用的越來越多。由于混合儲能系統(tǒng)涉及多種儲能介質(zhì)，因此其拓撲設(shè)計和功率分流算法都是重要的研究內(nèi)容。

拓撲方面，傳統(tǒng)的思路是將儲能裝置直接串并聯(lián)后，通過DC/DC變換器或者直接連接在直流母線上，然后再采用DC/AC變換器并網(wǎng)輸出。文獻[4-10]都采用了此類拓撲。這類拓撲的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)和控制簡單，但是當串并聯(lián)數(shù)比較大時，單個儲能模塊損壞即需要停機維修，而且必須給系統(tǒng)附加專門的電池均衡電路[11]。文獻[10,12]提出的能量均衡電路就是用來應(yīng)對此種情況。文獻[10]中的均衡電路需要專門的控制器來控制均衡過程。這導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模塊化變差。文獻[12]中提出的均衡器雖然成本較低，但均衡的過程中有能量損失，最高效率僅為90%。解決能量均衡問題的一種思路是前文所述的附加專門的均衡電路，另一種思路是改良拓撲，使拓撲本身就具有主動能量均衡能力。模塊化多電平拓撲就具有這種特點[13-14]。它可以利用輪換充放電的方式解決不均衡問題，不需要附加額外的均衡裝置，均衡過程本身沒有能量損失，同時電路的模塊化程度也會提高。本文研究的新型混合儲能拓撲就是基于MMC拓撲提出的。

功率分流算法方面，研究是功率分流算法是為了提高儲能系統(tǒng)的性能，使多種儲能介質(zhì)的優(yōu)點都能盡可能體現(xiàn)。文獻[3,4,15]使用低通濾波器將功率指令中的低頻分量提取出來作為電池的功率指令而高頻部分則由超級電容產(chǎn)生。但是這種方法名沒有考慮超級電容的SOC和電池的功率上限，因此某些特定的工況下會導(dǎo)致電容或電池損壞。文獻[4]采用了低通濾波器法的改進型方法，為電池功率增加了限幅，但也未考慮超級電容的SOC狀態(tài)。文獻[5]提出了一套功率分流的決策機制，只要超級電容電壓在安全范圍內(nèi)，則蓄電池不參與充放電，但超級電容達到極限電壓后，蓄電池必須承擔(dān)高頻功率。文獻[16]則是通過查詢一條電池電流-超級電容電流曲線來確定功率分流比，但這種方法沒有考慮兩種儲能介質(zhì)的頻率特性，因此可能對電池的壽命造成影響。

本文提出了一種基于MMC拓撲的新型混合儲能電路，使用超級電容和電池作為儲能介質(zhì)，并提出了相應(yīng)的調(diào)制方法，可以在PWM調(diào)制過程中實現(xiàn)蓄電池和超級電容的主動電壓均衡。在此拓撲基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)的低通濾波器法和一種新型功率分流算法進行了對比。本文使用SIMULINK平臺上對拓撲和功率分流算法進行了仿真，并搭建了一個小容量實驗系統(tǒng)，得到了實驗結(jié)果。

2 新拓撲及其PWM調(diào)制方法

2.1拓撲介紹

基于MMC的新型混合儲能拓撲如圖1所示。

圖1 基于MMC電路的新型混合儲能拓撲Fig.1 Novel hybrid energy storage topology based on MMC

拓撲的基本模塊為連接有電池或超級電容儲能模塊的半橋變換器，如圖1a圈中所示。當半橋變換器的上管開通下管關(guān)斷時，輸出儲能模塊的端電壓；當下管開通上管關(guān)斷時，儲能模塊被旁路，半橋輸出零?；灸K構(gòu)級聯(lián)成蓄電池支路和超級電容支路，超級電容支路直接連接在H橋的直流母線上，而電池支路通過一個電感連接在直流母線上，兩個支路的級聯(lián)數(shù)相等。根據(jù)交流參考電壓，超級電容支路在直流母線上輸出多電平直流電壓，再經(jīng)過H橋換向變?yōu)榻涣鞫嚯娖诫妷?；蓄電池支路則根據(jù)功率分流算法輸出電壓，以控制電池支路的功率。系統(tǒng)的三相結(jié)構(gòu)如圖1b所示，實際為單相結(jié)構(gòu)的星形連接。

從拓撲圖可以看到，該拓撲除了具有多電平電路的一般優(yōu)點以外，還具有非常高的模塊化特性，因此容易通過增加級聯(lián)數(shù)增大電壓和大容量。此外，當某個模塊故障時，可以使用半橋變換器旁路此模塊，實現(xiàn)容錯運行，也可以容易地替換維修。最后，相比于傳統(tǒng)的MMC電路，因為該拓撲每相只有一個橋臂，所以可以節(jié)省一半的開關(guān)管。

2.2PWM調(diào)制方法

由于拓撲中存在多個模塊級聯(lián)，因此在PWM調(diào)制過程中，根據(jù)電壓指令產(chǎn)生多電平交流電壓的同時還需要實現(xiàn)內(nèi)嵌的電壓均衡。為了達到以上目的，本文提出了一種特殊的載波層疊PWM調(diào)制方式實現(xiàn)。對于一個直接連接在直流母線上的級聯(lián)支路，當支路放電時，這種PWM調(diào)制方式的原理如圖2所示。其調(diào)制過程描述如下:

（1）對各個基本模塊所帶儲能介質(zhì)模塊的電壓按照從大到小的順序進行排序

（2）按照排序順序，將各模塊對應(yīng)的載波依次疊放，電壓低的模塊的載波在上層。其中每一個模塊對應(yīng)載波的峰峰值就是這個儲能模塊的端電壓。

（3）載波和參考波絕對值相比較，當參考波的絕對值較大時，對應(yīng)模塊輸出高電平，反之則對應(yīng)模塊輸出低電平。如此即可得到此支路上各個基本模塊的PWM信號。

圖2 主動均壓的載波層疊PWM調(diào)制方法（放電情況）Fig.2 modified carrier-cascaded PWM method for active voltage balance (during discharging)

在調(diào)制過程中，支路放電時，電壓更高的模塊放電時間更長而電壓較低的模塊放電時間較短，運行一段時間即可實現(xiàn)支路各模塊之間的電壓平衡。拓撲充電時，只需要將排序順序改為升序。支路電壓可以按照下面的公式計算得到:

其中uDC為直流母線電壓，ucell_n是支路中第n個儲能模塊的電壓，dn是開關(guān)函數(shù)，表示的是第n個模塊的開關(guān)裝填，uDC_ref是直流母線的參考電壓。ucarrier_n是第n個模塊的載波信號。N為級聯(lián)數(shù)。

需要說明的是，圖2給出的實際是超級電容支路的調(diào)制過程。因為H橋的開關(guān)狀態(tài)由交流電壓的極性決定，因此超級電容支路的電壓參考值實際上為交流參考電壓的絕對值。電池支路的電壓參考值由功率分流算法給出，但過程相同。

3 功率分流算法

設(shè)計功率分流算法是為了使超級電容和蓄電池的特點能夠充分互補:使用超級電容吸收負載電流的波動分量，短時間內(nèi)彌補蓄電池功率較低的缺點，同時超級電容的容量也必須充分利用；使用電池作為主要的儲能器件，輸出長時間的穩(wěn)定的功率。

為了達到這些目標，最簡單、也被大多數(shù)文獻采用的方法是使用低通濾波器（LPF）將功率指令中的高頻分量濾除，功率的低頻分量由電池支路發(fā)出，高頻分量由超級電容支路發(fā)出。因為低通濾波器的存在，電池支路電流中將不存在高頻分量。但是這種方法沒有考慮超級電容的SOC，因此超級電容的容量可能無法充分利用，或者SOC較快達到安全極限值。例如，功率指令為連續(xù)的具有陡上升沿和緩下降沿的鋸齒波時，超級電容的 SOC將不斷下降直到安全下限，使拓撲停止工作，但這時蓄電池中還有充足的電量或儲能空間。

為了克服低通濾波器法的缺點，可以將電池支路的功率根據(jù)超級電容的SOC來設(shè)定，即Pbat= f(SOCsc)[17]。典型的f(SOCsc)函數(shù)形式是單調(diào)遞減帶有上下限的線性函數(shù)，如圖3所示。當功率指令值為正時電路放電，為負時電路充電。所以，當超級電容的SOC比較低時，Pbat將會增大，分擔(dān)更多的功率，并且給超級電容充電。因此，這種功率分流算法在大多數(shù)情況能夠?qū)⒊夒娙軸OC限制在安全范圍內(nèi)。同時，因為超級電容的SOC變化緩慢，電池支路的功率指令將非常平滑。但如果儲能系統(tǒng)的功率指令超過f(SOCsc)的限值一段時間，SOCsc也會超出安全范圍。這是因為采用這種方法，蓄電池短時間大電流充放電的能力沒有得到充分利用。

圖3 電池支路功率指令-超級電容SOC曲線Fig.3 power reference of battery branch vs super capacitors’ average SOC

當電池支路的功率指令確定后，電池支路的電流指令也可以隨之確定（因為線路電阻極小，可以認為電池支路的電壓與超級電容支路的電壓基本相等，由此可以計算出電池支路的電流指令）。使用PI調(diào)節(jié)器閉環(huán)控制電池電流，就可以給出電池支路的參考電壓值。本文通過仿真和實驗比較了這兩種種功率分流算法的優(yōu)劣。

4 仿真結(jié)果

本文在MATLAB/SIMULINK平臺上完成了拓撲的三相交流電源充放電仿真，模擬儲能系統(tǒng)的并網(wǎng)充放電。每相拓撲取級聯(lián)數(shù)N=4，電池采用12V 4.5Ah鉛酸蓄電池，初始SOC為70%；超級電容采用16.2V耐壓70F超級電容，安全電壓范圍為10-15V，初始電壓為14V。

并網(wǎng)控制采用了鎖相環(huán)和電網(wǎng)電壓定向的dq軸電流解耦控制的方法，由于此方法比較成熟，且被許多文獻采用，在此不再贅述。有功指令為幅值為100W正負波動的方波，無功指令為0時，并網(wǎng)三相電流和電壓如圖4所示。說明該拓撲具有較好的動態(tài)響應(yīng)和較低的諧波含量，并且可以將輸出控制為單位功率因數(shù)。

在進行功率分流算法仿真時，使用了如圖5所示的由功率指令得到的線電流指令。圖5中的功率指令是由貴州省某地的日負荷曲線和24小時光伏發(fā)電數(shù)據(jù)相減得到的。為了適應(yīng)仿真的時長和設(shè)計容量，將兩個周期48小時的數(shù)據(jù)壓縮到了2 400秒中，并且將幅度進行了等比例縮減，并根據(jù)并網(wǎng)電壓，將功率指令折合為系統(tǒng)線電流有效值的參考值，即圖5中所示2 400秒的電流指令。

在這樣的功率指令下，兩種功率分流算法的仿真結(jié)果如圖6a、6b所示。仿真結(jié)果由所有電池的平均SOC、所有電容的平均電壓和電池支路電流三個波形組成。

圖4 拓撲并網(wǎng)運行電壓電流波形Fig.4 grid voltage and topology output current during grid connection

圖5 由功率指折合的線電流有效值指令Fig.5 effective values of current reference of topology

圖6 兩種功率分流算法的仿真結(jié)果比較Fig.6 comparison of two power sharing algorithm

在圖6a、6b中，約600秒和750秒處各出現(xiàn)了一次超級電容的電壓尖峰，但低通濾波器法的最高電壓已經(jīng)非常接近安全限值15V，而根據(jù)超級電容SOC設(shè)定電池功率的方法的最大電壓尖峰不超過14V，這是因為電池對超級電容的SOC及時做出了反應(yīng)，幫助超級電容工作在安全范圍內(nèi)。

當功率指令為1Hz鋸齒波（直流偏置為1，振幅為2，具有緩的上升沿和陡的下降沿），兩種功率分流算法的不同更加明顯。結(jié)果如圖7a、7b所示。如圖7a所示，在低通濾波器法控制下，因為功率分流沒有考慮電池和超級電容的SOC，超級電容電壓將很快達到安全限值，這是因為緩上升沿（即放電過程中）主要由電池響應(yīng)，而陡下降沿（即充電過程）主要由超級電容響應(yīng)。而在圖7b中可以看到，超級電容電壓將穩(wěn)定在某一值，使蓄電池輸出功率穩(wěn)定在功率指令的平均值。

圖7 鋸齒波功率指令下兩種功率分流算法的仿真結(jié)果比較Fig.7 comparison of two power sharing algorithm with saw tooth wave power reference

5 實驗結(jié)果

除仿真之外，本文還搭建了小容量的實驗平臺，獲得了基于低通濾波器的功率分流算法的實驗結(jié)果。實驗平臺如圖8所示，選用的蓄電池為12V 4.5AH的鉛酸蓄電池，超級電容為16.2V耐壓66.7F，級聯(lián)數(shù)為4。在此實驗平臺上，完成了混合儲能并網(wǎng)充放電的實驗。

首先，實驗驗證拓撲的基本功能，如圖9a、9b。圖9a顯示的是并網(wǎng)成功后，拓撲三相電壓和A相電流波形，此時有功指令為50W，無功指令為0。電壓波形說明拓撲能夠輸出多電平的交流電壓；電流波形說明該拓撲具有非常好的諧波抑制特性。輸出電流之所以和輸出電壓有一定相位差，是因為并網(wǎng)時在電路中連接了濾波電感，導(dǎo)致輸出電壓和網(wǎng)側(cè)電壓有一定相位差，但是電流相位需要保持和網(wǎng)側(cè)電壓一致。圖9b顯示的是超級電容電壓的均衡過程，證明了均衡算法的有效性。拓撲并網(wǎng)運行的基本功能得到驗證，在此基礎(chǔ)上，進行功率分流算法的實驗。

圖8 儲能裝置實驗平臺Fig.8 experimental platform of energy storage

圖9 拓撲基本功能實驗驗證Fig.9 basic function verification of proposed topology

然后，通過短時間實驗驗證功率分流算法的性能。采用基于低通濾波器的功率分流算法時，短時間實驗結(jié)果如圖10所示。圖10a顯示的是直流母線電流，圖10b和10c顯示的分別是A相蓄電池支路和超級電容支路的電流。如圖10a所示，因為此拓撲實際為3個單相系統(tǒng)星形連接，因此即使功率指令沒有波動，直流母線上也會有二倍基頻的波動，由于低通濾波器的存在，此時超級電容電流則被迫吸收了直流母線電流中波動的成分，電池電流的方向則不變，且接近恒流，如圖10b所示。此外，由于低通濾波器的存在，當功率指令高頻波動時，電池支路的電流指令仍然為低頻，將電池支路的電流也控制為低頻。因此，在短時運行中，這種功率分流算法使電池的工作狀態(tài)得到了改善。當采用超級電容SOC函數(shù)功率分流算法時，因為電路結(jié)構(gòu)和底層控制相同，所以短時間實驗結(jié)果與低通濾波器法是完全相同的，在此不再列出。

圖10 低通濾波器功率分流法的短時間實驗結(jié)果Fig.11 short time experiment result of low pass filter power sharing strategy

最后，如仿真結(jié)果所顯示，兩種方法的差別在長時間實驗中才能顯示出來，因此需要進行長時間實驗驗證。長時間實驗的功率指令曲線如圖11a所示，兩種分流方法的結(jié)果分別如圖11b、11c所示。

圖11 功率分流算法長時間運行的實驗結(jié)果Fig.11 experimental result of two power sharing alogrithms’ long time operation

從實驗結(jié)果中可以看到，低通濾波器法的超級電容SOC有大于1的情況，電壓說明突破了安全限值15V，但尚未導(dǎo)致?lián)p壞。而超級電容SOC函數(shù)分流方法得到的電容SOC則相對平穩(wěn)。對應(yīng)的，充電時，低通濾波器法控制下的電池SOC增長較少，而超級電容SOC函數(shù)法控制下的電池SOC增長較多，說明超級電容SOC函數(shù)法對電池的容量利用更加充分。因此，通過仿真和實驗證明，超級電容SOC函數(shù)分流方法在本拓撲中優(yōu)于低通濾波器分量方法。

6 結(jié)論

本文提出了一種新型混合儲能拓撲，能夠通過載波層疊調(diào)制方法實現(xiàn)的儲能模塊電壓均衡。此外，該拓撲具有諧波含量低，高模塊化特性，易于容錯運行和擴展至高壓大容量等優(yōu)點，因此也具有較大的實用意義。

本文搭建了小容量平臺上進行了實驗，證實了提出拓撲所具有的優(yōu)點，也證明了超級電容支路對電池壽命有保護作用。

在提出拓撲的基礎(chǔ)上，通過實驗和仿真，對比了低通濾波器法和超級電容SOC函數(shù)法兩種功率分流算法。仿真和實驗結(jié)果證明，第二種策略更能夠充分發(fā)揮超級電容和蓄電池的性能。

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A Novel Hybrid Energy Storage Topology and its Power Sharing Algorithm

Chang Fengqi Zheng Zedong Li Yongdong
（State Key Laboratory of Power Electronics and Motor Control, Department Electrical Engineering, Tsinghua University Beijing 100084 China）

Topology and power sharing algorithm are two important issues in hybrid energy storage research. In this paper, a novel hybrid energy storage topology based on modular multilevel converter is proposed and a modified carrier-cascaded PWM method is used to realize active voltage balance between energy storage modules. In the research of power sharing algorithm, disadvantages of low pass filter method are summarized, which is the most commonly used strategy for power sharing. A novel power sharing strategy is compared to this method by simulation and experiment. Simulation result is gained on MATLAB/SIMULINK platform. Both short time and long time operation experiment result are gained on a low capacity experimental energy storage device.

Hybrid energy storage, power sharing, active balance, MMC topology

TM46

常豐祺 男，1991年生，碩士研究生，研究方向為電力電子儲能變換器和電池管理系統(tǒng)。

國家自然科學(xué)基金項目（51107066）。

2014-08-10

鄭澤東 男，1980 年生，副教授，研究方向為電力電子與電氣傳動。