復(fù)合儲能中蓄電池荷電狀態(tài)的自適應(yīng)控制策略

任 帥，趙興勇，趙 龍，高鵬彥，李 越

（山西大學(xué) 電力工程系，太原030013）

近年來，隨著可再生能源的發(fā)展，微電網(wǎng)得到廣泛運(yùn)用。 由于直流微電網(wǎng)沒有無功功率、諧波電流、 直流/交流轉(zhuǎn)換損耗等交流微電網(wǎng)中存在的問題，所以，有關(guān)直流微電網(wǎng)方面的研究逐漸增加[1]。穩(wěn)定直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中的直流母線電壓，保證系統(tǒng)功率平衡是直流微電網(wǎng)的研究重點之一[2]。 由于光伏、風(fēng)電等可再生能源在不同的時間尺度上存在不同的波動特征，單一儲能很難在技術(shù)經(jīng)濟(jì)性上滿足其平抑要求。 因此，多類型儲能得到了廣泛應(yīng)用，其中能量型儲能吸收長時間尺度頻率波動較小的可再生能源功率，而功率型儲能吸收短時間尺度頻率波動較大的可再生能源功率[3]。

1 復(fù)合儲能蓄電池荷電狀態(tài)的研究現(xiàn)狀

在復(fù)合儲能中，一組蓄電池?zé)o法滿足平抑任務(wù)的要求，通常由幾組或多組蓄電池分布式接入微電網(wǎng)與超級電容器， 以共同承擔(dān)平抑功率波動的任務(wù)。 當(dāng)多組蓄電池同時存在時，若不按照蓄電池的荷電狀態(tài)進(jìn)行功率分配，過度地充電、放電會使蓄電池退出工作。 因此，在充電時，荷電狀態(tài)高的蓄電池以小電流充電，荷電狀態(tài)低的蓄電池以大電流充電；在放電時，荷電狀態(tài)高的蓄電池以大電流放電，荷電狀態(tài)低的蓄電池以小電流放電，進(jìn)而達(dá)到各蓄電池組的荷電狀態(tài)均衡[4-5]。

文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]分別采用高通濾波器和一階低通濾波器對蓄電池和功率型儲能元件進(jìn)行功率分配，但是二者都沒考慮蓄電池的荷電狀態(tài)。 文獻(xiàn)[8]通過功率平衡控制可以實現(xiàn)蓄電池間的荷電狀態(tài)均衡，但是蓄電池之間會產(chǎn)生環(huán)流。 文獻(xiàn)[9]將蓄電池與超級電容級聯(lián)，通過蓄電池給超級電容提供電能維持母線電壓穩(wěn)定，但是控制較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[10-12]都通過復(fù)合儲能平抑了母線功率波動，實現(xiàn)了直流母線電壓穩(wěn)定，但均未考慮蓄電池間的荷電狀態(tài)均衡問題。

基于上述問題，在此針對復(fù)合儲能中蓄電池組間的荷電狀態(tài)的不均衡問題，提出蓄電池荷電狀態(tài)自適應(yīng)控制策略。 首先，根據(jù)直流母線電壓波動情況，通過改進(jìn)下垂控制得到總的平抑電流，經(jīng)過低通濾波器，根據(jù)蓄電池與超級電容器的特點，把高頻波動分量給到超級電容，把低頻波動分量給到蓄電池組。 然后，根據(jù)各個蓄電池的荷電狀態(tài)，通過電流分配控制使蓄電池合理分配平抑電流，達(dá)到蓄電池荷電狀態(tài)的均衡，從而避免部分蓄電池組過充或過放， 延長復(fù)合儲能使用壽命并使其平抑效果最佳。最后通過MatLab/Simlink 進(jìn)行仿真。該控制策略不僅使復(fù)合儲能維持直流母線電壓穩(wěn)定，還使蓄電池的荷電狀態(tài)達(dá)到均衡，驗證了該策略的可行性和有效性。

2 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與母線電壓控制策略

2.1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

光伏、風(fēng)電、儲能、負(fù)載、電力電子變換器等構(gòu)成了直流微電網(wǎng)。 光伏單元和風(fēng)力機(jī)組分別通過DC/DC 變換器和AC/DC 變換器接入直流母線，儲能單元通過雙向DC/DC 變換器接入直流母線。

對于儲能部分而言，單一儲能系統(tǒng)一般只包含蓄電池，而復(fù)合儲能（蓄電池和超級電容）相對于單一儲能系統(tǒng)包含了功率型儲能裝置。 功率型儲能裝置可以提高儲能系統(tǒng)響應(yīng)速度，延長蓄電池，減小母線電壓波動等。

在此所研究的復(fù)合儲能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。在復(fù)合儲能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，n 組蓄電池和1 個超級電容（在復(fù)合儲能中主要儲能單元為蓄電池，故提出n 組蓄電池一組超級電容的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）分別通過雙向DC-DC 變換器連接到直流母線。該結(jié)構(gòu)不僅可以提高能量調(diào)度的靈活性，還有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。

圖1 本文直流微電網(wǎng)Fig.1 DC microgrid in this paper

微電網(wǎng)在偏遠(yuǎn)山區(qū)或海島的孤島運(yùn)行十分重要，儲能系統(tǒng)的可靠性對微電網(wǎng)功率的平衡有很大影響，故在此研究直流微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行[13-14]。 在忽略線路、電力電子變換器等損耗時，系統(tǒng)功率平衡關(guān)系為

其中

Pb，sum＝Pb1+Pb2+…+Pbn

式中：Pload為負(fù)荷的功率；Ppv為光伏電池的功率；Pb，sum為所有蓄電池組的總功率；Psc為超級電容的功率；Pb1，Pb2，Pbn為單個蓄電池的功率。

2.2 直流母線電壓控制策略

采用傳統(tǒng)下垂控制來研究母線電壓波動與復(fù)合儲能電流的關(guān)系， 由于光伏輸出功率的波動性，母線電壓不可能一直穩(wěn)定于某一值，實際上母線電壓可以有小幅度波動，但要穩(wěn)定于某一范圍內(nèi)。 故在此采用改進(jìn)的下垂控制，如圖2 所示。

當(dāng)UL≤Udc≤UH時， 復(fù)合儲能系統(tǒng)不工作；當(dāng)Udc≤UL時，復(fù)合儲能系統(tǒng)放電，取Udc，ref=UL；當(dāng)Udc≥UH時，復(fù)合儲能充電，取Udc，ref=UH。得到復(fù)合儲能系統(tǒng)的電流參考值計算公式為

圖2 改進(jìn)的電壓-電流下垂控制Fig.2 U-I droop control

3 混合儲能的控制策略

蓄電池電流分配的主要目的是確保各個蓄電池可以達(dá)到能量均衡，避免造成某個蓄電池的過度充電和深度放電。 在此提出了一種針對復(fù)合儲能中蓄電池荷電狀態(tài)自適應(yīng)控制策略。

復(fù)合儲能的控制框圖如圖3 所示。 電流分配控制依據(jù)蓄電池的荷電狀態(tài)計算分配系數(shù)， 放電時，荷電狀態(tài)高的蓄電池電流分配系數(shù)大，荷電狀態(tài)低的蓄電池電流分配系數(shù)??；充電與放電相反。 蓄電池的總參考電流通過電流分配控制得到蓄電池的參考電流，再經(jīng)過電流閉環(huán)控制使蓄電池的荷電狀態(tài)達(dá)到均衡。

圖3 復(fù)合儲能控制框圖Fig.3 Control diagram of hybrid energy storage

3.1 蓄電池與超級電容的功率分配

通過改進(jìn)下垂控制求得復(fù)合儲能電流參考值Ihess，ref，經(jīng)過低通濾波器，得到的低頻部分即為蓄電池所需平抑的功率參考值Ib，sum，ref（假設(shè)當(dāng)功率變化時，直流母線電壓為恒定值，母線功率變化可以認(rèn)為是母線電流變化）。 由于蓄電池不是功率型元件，功率不能發(fā)生突變，復(fù)合儲能功率參考值與蓄電池功率實際值之差，即為超級電容器所需平抑的功率波動參考值Isc，ref， 則蓄電池與超級電容器的功率分配關(guān)系為

式中：T 為濾波時間常數(shù)。通過改變T 的大小可以改變蓄電池平抑功率參考值的大小。 功率分配結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 功率分配結(jié)構(gòu)Fig.4 Power distribution structure

3.2 電流分配控制

對于直流母線電壓波動，可以采用復(fù)合儲能的改進(jìn)下垂控制來穩(wěn)定直流母線電壓，并根據(jù)各個蓄電池荷電狀態(tài)SOC（state of charge）的大小自動分配平抑電流。 直流母線電壓偏差ΔU 為

且當(dāng)ΔU＞0 時儲能系統(tǒng)充電，當(dāng)ΔU＜0 時儲能系統(tǒng)放電。 蓄電池k 的SOC 計算公式為[15]

式中：Sck（t），Sck（0）分別為第k 個蓄電池t 時刻荷電狀態(tài)與初始荷電狀態(tài)；Ik（τ）為第k 個蓄電池的充放電電流；Cbatk為第k 個蓄電池的容量。 因此，第k 個蓄電池SOC 的變化量可表示為

由式（6）可得，當(dāng)蓄電池容量相等時，SOC 的變化量取決于蓄電池充放電電流的大小。 因此各個不同的SOC 儲能電池電流分配原則如下：

式中：Sc，max，Sc，min分別為蓄電池的最大、最小SOC；Sc*為蓄電池充放電的參考值， 充電時Sc*=0， 放電時Sc*=1；lk為第k 個蓄電池的電流分配系數(shù)， 且l1+l2+…+lk+…+ln=1。

由分配原則（7）可知，當(dāng)蓄電池充電時，SOC 較大的蓄電池以較小電流充電，SOC 較小的蓄電池以較大電流充電； 當(dāng)蓄電池放電時，SOC 較大的蓄電池以較大電流放電，SOC 較小的蓄電池以較小電流放電。 隨著時間的延長，最終可以實現(xiàn)蓄電池間的荷電狀態(tài)均衡， 并且當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)達(dá)到均衡后，相同荷電狀態(tài)的蓄電池，會以相同大小的電流充放電。 使蓄電池組內(nèi)的荷電狀態(tài)達(dá)到均衡，避免某些蓄電池過充或過放。

4 算例分析

為了證明所提復(fù)合儲能蓄電池部分荷電狀態(tài)自適應(yīng)控制策略的有效性， 在此利用MatLab 搭建模型并進(jìn)行仿真分析。

為了便于分析，光伏模塊為最大功率點運(yùn)行模式，即MPPT（maximum power point tracking）模式。其光伏功率Ppv=500 W，直流母線電壓Udc=50 V，UL=49 V，UH=51 V，當(dāng)49 V＜Udc＜51 V 時，儲能系統(tǒng)不工作。

取1 臺超級電容與2 組蓄電池作為復(fù)合儲能系統(tǒng)， 超級電容器容量C=29 F，2 組蓄電池的容量Cbat1=Cbat2=2 A·h； 初始荷電狀態(tài)為Sc1=40%，Sc2=60%；負(fù)載在0～1 s 時Pload=500 W，在1 s 以后負(fù)荷突增200 W， 達(dá)到Pload=700 W； 下垂系數(shù)取k1=k2=0.3。 需要說明的是，為了能夠更直觀地了解直流母線電壓變化和復(fù)合儲能功率變化，圖5～圖7 仿真時間均取2 s。

4.1 未加儲能裝置

圖5 未加復(fù)合儲能負(fù)荷突增時的直流母線電壓Fig.5 DC bus voltage without hybrid energy storage when load suddenly increasing

負(fù)荷突增時，未加儲能裝置的直流母線電壓波形如圖5 所示。 由圖可見，當(dāng)負(fù)荷功率Pload=500 W時，母線電壓為49.7 V，基本保持恒定；當(dāng)1 s 負(fù)荷功率變?yōu)?00 W 后，直流母線電壓下降至42.3 V，超出直流母線電壓穩(wěn)定范圍47.5～52.5 V。

4.2 加入儲能裝置

4.2.1 直流母線電壓

加入復(fù)合儲能，負(fù)荷突增時，直流母線電壓的變化情況如圖6 所示。 由圖可見，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時，母線電壓產(chǎn)生了很小的波動，便很快又穩(wěn)定到50.2 V，使得直流微網(wǎng)能夠良好正常運(yùn)。

圖6 加入復(fù)合儲能負(fù)荷突增時的直流母線電壓Fig.6 DC bus voltage with hybrid energy storage when load suddenly increasing

4.2.2 蓄電池與超級電容的各自功率分配

復(fù)合突增時超級電容與蓄電池各自的輸出功率如圖7 所示。 由圖可見，當(dāng)1 s 時負(fù)荷發(fā)生突變，超級電容器響應(yīng)速度快，蓄電池以200 W 的功率放電，維持直流系統(tǒng)功率平衡，利用各自本身的特性，很好地維持了直流母線電壓穩(wěn)定。

圖7 蓄電池與超級電容的功率Fig.7 Respective power of the battery and the super capacitor

4.2.3 蓄電池單元的各自功率分配

蓄電池各自輸出功率如圖8 所示。 當(dāng)1 s 負(fù)載突變時，蓄電池1 以80 W 的功率開始放電，其放電功率逐漸增加； 蓄電池2 以120 W 的功率進(jìn)行放電，其放電功率逐漸減小。 蓄電池1 荷電狀態(tài)小以小功率放電， 蓄電池2 荷電狀態(tài)大以大功率放電，遵循了荷電狀態(tài)大的以大功率放電，荷電狀態(tài)小的以小功率放電原則。在43 s 時，蓄電池1 和蓄電池2功率Pb1，Pb2達(dá)到平衡，2 組蓄電池以100 W 的功率進(jìn)行放電。

圖8 蓄電池功率分配Fig.8 Respective power of the battery

4.2.4 蓄電池單元的各自功率分配

蓄電池SOC 變化曲線如圖9 所示。 由圖可見，當(dāng)1 s 時，負(fù)荷發(fā)生突變，蓄電池2 的SOC 從60%開始下降，蓄電池1 的SOC 從40%開始下降，且蓄電池2 比蓄電池1 的SOC 下降得快。 當(dāng)43 s 時，蓄電池1 與蓄電池2 的SOC 均達(dá)到18%，并且當(dāng)SOC達(dá)到平衡后， 以相同功率100 W 給直流微網(wǎng)供電，使蓄電池SOC 一直保持均衡。

圖9 蓄電池的SOCFig.9 SOC of battery

5 結(jié)語

針對直流微網(wǎng)復(fù)合儲能中蓄電池間的荷電狀態(tài)不均衡問題，提出了一種蓄電池荷電狀態(tài)自適應(yīng)的復(fù)合儲能控制策略。 通過MatLab/Simlink 建模仿真表明：采用改進(jìn)下垂控制，減少了電力電子開關(guān)的不必要動作；在負(fù)荷突變的情況下，超級電容器提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速率，蓄電池提供了系統(tǒng)功率缺額，使微電網(wǎng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行；在保證復(fù)合儲能發(fā)揮原有優(yōu)勢的基礎(chǔ)上， 使蓄電池間荷電狀態(tài)達(dá)到均衡，有效避免某些蓄電池過充或過放。