混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)比例功率分配控制策略

張芳，張紅娟，高妍，楊磊，靳寶全

（1.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原 030024；2.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030024）

由于資源匱乏和環(huán)境污染等問題，近年來儲(chǔ)能技術(shù)受到越來越多的關(guān)注[1]。蓄電池能夠存儲(chǔ)低頻信號(hào)的能量，但仍有一些弱點(diǎn)，如低溫下工作能力弱、循環(huán)壽命短、功率密度低[2]。超級(jí)電容器具有功率響應(yīng)快、功率密度高和循環(huán)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用在大功率場(chǎng)合[3-4]。但是要想實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器的突破性發(fā)展還需進(jìn)一步解決能量密度低的問題。而混合儲(chǔ)能系統(tǒng)把兩個(gè)互補(bǔ)的儲(chǔ)能元器件相結(jié)合，能夠在提高儲(chǔ)能能力的同時(shí)，提高功率密度[5]。此外，還可以保護(hù)蓄電池免受峰值功率和負(fù)載波動(dòng)的影響，延長其使用壽命，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的存儲(chǔ)效率[6-7]。

考慮到儲(chǔ)能器件功率和容量有限，必須通過控制器對(duì)其進(jìn)行調(diào)控[8]。通過在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的每個(gè)儲(chǔ)能器件和直流母線之間放置雙向DC/DC 變換器，能量可以被雙向調(diào)控。儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)能量時(shí)不僅可以回收直流母線多余能量，而且可以減小和緩沖直流母線能量聚集造成的波動(dòng)。釋放能量時(shí)，可以在給負(fù)載補(bǔ)充能量的同時(shí)，彌補(bǔ)直流母線電壓過低造成的電機(jī)故障停機(jī)現(xiàn)象。但是這增加了系統(tǒng)架構(gòu)的復(fù)雜性，需要一種可靠的功率管理控制策略進(jìn)行協(xié)調(diào)或優(yōu)化管理來達(dá)到最優(yōu)的充放電效率[9]?；驹硎歉鶕?jù)超級(jí)電容器或蓄電池電流、電壓以及荷電狀態(tài)，按照負(fù)載變化的需求對(duì)系統(tǒng)中所有儲(chǔ)能裝置進(jìn)行功率分配，使系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行[10]。因此，本文設(shè)計(jì)了基于交錯(cuò)并聯(lián)式雙向DC/DC 控制器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率管理控制策略，通過動(dòng)態(tài)方法調(diào)節(jié)蓄電池和超級(jí)電容器之間的功率分配比，并根據(jù)負(fù)載能量估計(jì)超級(jí)電容器和蓄電池的電流參考值。最后通過對(duì)階躍負(fù)載的不同運(yùn)行工況進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了控制策略的有效性和穩(wěn)定性。

1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

圖1為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of hybrid energy storage system

該系統(tǒng)主要由蓄電池、超級(jí)電容器、雙向DC/DC 變換器、變頻器和異步電機(jī)組成。電機(jī)負(fù)載通過逆變器連接到直流母線。蓄電池和超級(jí)電容器，分別通過雙向DC/DC 變換器并接到直流母線上，使得功率可以雙向流過儲(chǔ)能元件。雙向DC/DC 變換器采用兩相交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，即開關(guān)管Q1，Q3，Q5，Q7與Q2，Q4，Q6，Q8的導(dǎo)通角分別相差180°，以減小電流紋波。兩上管導(dǎo)通和兩下管導(dǎo)通分別對(duì)應(yīng)于變換器的Buck模式和Boost模式。

2 功率管理控制方案

為了提高功率管理控制的性能，提出了以下三個(gè)目標(biāo)：1）混合儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)保持內(nèi)部的功率平衡；2）混合儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的能源共享；3）混合儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)能夠跟蹤負(fù)載能量要求，減輕負(fù)載的功率輸出和波動(dòng)。

2.1 功率管理控制策略

根據(jù)以上目標(biāo)建立了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率管理控制策略的基本結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率管理控制策略Fig.2 Power management control strategy for hybrid energy storage system

圖2 中，開關(guān)小于0 代表降壓模式，開關(guān)大于0 代表升壓模式。該控制系統(tǒng)由一個(gè)外層功率控制回路和一個(gè)內(nèi)層電流控制回路（蓄電池和超級(jí)電容器各1 個(gè)）組成。其中外層功率控制回路負(fù)責(zé)控制超級(jí)電容器和蓄電池之間的功率流，通過保護(hù)模塊和外部功率分配模塊調(diào)節(jié)蓄電池和超級(jí)電容器之間的功率分配比來滿足負(fù)載多變性和沖擊性的要求，減小直流母線電壓波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。內(nèi)層電流控制回路中，超級(jí)電容器和蓄電池的輸出電流均取決于負(fù)載功率，使得超級(jí)電容器的充放電電流是由蓄電池的充放電電流動(dòng)態(tài)決定的。蓄電池的電流回路采用恒流控制模式；而超級(jí)電容器的電流回路以功率跟蹤模式將充放電電流控制在動(dòng)態(tài)調(diào)整的參考值上，該值取決于超級(jí)電容器電壓、蓄電池電流與負(fù)載功率。因此，負(fù)載能量由蓄電池和超級(jí)電容器按照一定的模式共享。交錯(cuò)模式下，PWM調(diào)制模塊在高頻開關(guān)頻率下相移180°，以便在兩個(gè)分支之間平均分配功率流。

蓄電池和超級(jí)電容器的功率表達(dá)式分別為

式中：Pbatt，Ebatt，ibatt，Rbatt，uo，ubatt分別為蓄電池的功率、平衡電勢(shì)、電流、等效內(nèi)部電阻、等效電容電壓和端電壓；Psc，Rsc，isc，uc，usc分別為超級(jí)電容的功率、等效內(nèi)部電阻、電流、等效電容電壓和端電壓。

超級(jí)電容器和蓄電池功率分配的表達(dá)式分別為

式中：PHESS為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的總功率；λ為功率分配比系數(shù)，0≤λ≤1。

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率表達(dá)式為

為了允許應(yīng)用更小、更經(jīng)濟(jì)的雙向DC/DC 變換器，并避免超級(jí)電容電流過高而導(dǎo)致傳導(dǎo)損耗增加的問題，其荷電狀態(tài)的最佳工作區(qū)間設(shè)置在0.5～1，如下式：

為了避免蓄電池過度充電，其荷電狀態(tài)的最佳工作區(qū)間設(shè)置在0.2～0.9，如下式：

式中：Usc，max，Ubatt，max分別為超級(jí)電容器和蓄電池的最大電壓值；ηsc，c，ηsc，d分別為超級(jí)電容器充、放電效率值；ηbatt，c，ηbatt，d分別為蓄電池的充、放電效率值；Cbatt，Csc分別為蓄電池和超級(jí)電容的等效電容；SOCsc，SOCbatt分別為蓄電池和超級(jí)電容的荷電狀態(tài)。

2.2 動(dòng)態(tài)比例功率分配控制策略

通過結(jié)合負(fù)載功率，超級(jí)電容器和蓄電池的荷電狀態(tài)得到混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率管理控制框圖，如圖3所示。圖3中，PL為負(fù)載功率。

圖3 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在Buck模式下的功率管理控制框圖Fig.3 Block diagram of power management control for hybridenergy storage system in the Buck mode

在不同的負(fù)載功率需求下，可以動(dòng)態(tài)選擇不同的功率分配比。本文以Buck模式為例。

狀態(tài)A：當(dāng)超級(jí)電容器的端電壓Usc

狀態(tài)B：當(dāng)負(fù)載變化（增大）時(shí)，通過動(dòng)態(tài)改變功率分配比使得高再生制動(dòng)能量被有效地饋送到超級(jí)電容器。當(dāng)超級(jí)電容器的端電壓Usc＜Usc，max，蓄電池的荷電狀態(tài)SOCbatt＜SOCbatt，up時(shí)，減小蓄電池分配的功率，即減小功率分配比λ，蓄電池仍以不變的動(dòng)力按照恒流充電模式進(jìn)行充電。將狀態(tài)A 中isc控制模式下的電流參考值與直流母線側(cè)額外的再生能量所需電流值之和設(shè)置為超級(jí)電容器的電流參考值isc，ref。當(dāng)超級(jí)電容 器 的 端 電 壓Usc＜Usc，max、蓄 電 池 的 荷 電 狀 態(tài)SOCbatt=SOCbatt，up時(shí)，超級(jí)電容器采用功率跟蹤控制模式充電直到Usc=Usc，max，儲(chǔ)能裝置退出運(yùn)行，此時(shí)，Psc=0。

由于負(fù)載突變前后蓄電池功率保持不變，得到功率分配比關(guān)系為

式中：λ1，λ2分別為負(fù)載突變前、后的功率分配比，PHESS1，PHESS2分別為負(fù)載突變前、后混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的總能量。

系統(tǒng)損失的總能量為

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證動(dòng)態(tài)比例功率分配控制策略的性能，在混合電源環(huán)境下進(jìn)行Matlab 建模仿真。交流異步電機(jī)通過逆變器連接到直流母線上，蓄電池和超級(jí)電容器作為能量緩沖器，存儲(chǔ)瞬態(tài)能量和峰值功率，這兩個(gè)儲(chǔ)能裝置通過兩個(gè)相應(yīng)的雙向DC/DC變換器連接到直流母線上。混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的模型參數(shù)如下：超級(jí)電容器的額定電壓為220 V，最大充放電電流為30 A，額定電容為1.6 F；蓄電池的額定電壓為220 V，最大輸出電流為20 A，額定容量為24 A·h。

通過仿真對(duì)三相異步電機(jī)的制動(dòng)（或電動(dòng)）狀態(tài)進(jìn)行模擬，電機(jī)運(yùn)行工況為：0～7 s 電機(jī)處于制動(dòng)（或電動(dòng)）狀態(tài)，在3 s 時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL發(fā)生突變。考慮到在實(shí)際應(yīng)用中，蓄電池的電流值應(yīng)小于10%的容量，其電流參考值設(shè)定在0～2.4 A?？紤]到超級(jí)電容器的能量轉(zhuǎn)換效率和額定電壓，其電壓的范圍應(yīng)在100～220 V。因此，在仿真過程中，超級(jí)電容器的充電（放電）電壓初始值預(yù)先設(shè)定為100 V（200 V）。此時(shí)超級(jí)電容器的端電壓0.5Usc，max≤Usc

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)加入動(dòng)態(tài)比例功率分配控制時(shí)，根據(jù)式（3）計(jì)算得出負(fù)載突變前功率分配比的取值范圍：0≤λ1≤0.63。由于蓄電池的充電效率與功率成正比[11]，超級(jí)電容器的充電電流與效率成反比，所以λ1=0.63時(shí)充電效率較高。

圖4為動(dòng)態(tài)比例功率分配控制策略和傳統(tǒng)的控制策略的充電仿真對(duì)比波形圖，傳統(tǒng)的控制策略即混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在充電過程中未加入動(dòng)態(tài)比例功率分配控制。由圖4 可知，采用本文的控制策略，蓄電池的充電電流始終保持在2.4 A；而采用傳統(tǒng)的控制策略，負(fù)載增加后，蓄電池的充電電流從1.2 A 增加到2.4 A，如圖4a 所示。超級(jí)電容器以功率跟蹤方式進(jìn)行充電，如圖4b所示。采用傳統(tǒng)的控制策略，蓄電池的峰值電流始終處于合理的控制范圍內(nèi)，但蓄電池沒有達(dá)到其最佳電力工作狀態(tài)。而且由于整個(gè)充電過程中功率分配比無法動(dòng)態(tài)改變，負(fù)載突增的情況下，超級(jí)電容器不能存儲(chǔ)全部的再生制動(dòng)能量，將導(dǎo)致蓄電池的電流突然加大，最終影響其使用壽命?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)各部分功率如圖4c所示，在1～3 s期間，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)總功率為665 W，3 s 后負(fù)載增加時(shí)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的總功率增加到1 275 W。在傳統(tǒng)的控制中負(fù)載突變時(shí)，蓄電池必須迅速承擔(dān)部分功率波動(dòng)帶來的瞬時(shí)應(yīng)力，超級(jí)電容器也沒有充分發(fā)揮其作用。采用本文的控制，負(fù)載突變后功率分配比由0.63 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)為0.33，超級(jí)電容器承擔(dān)了負(fù)載全部的功率波動(dòng)。較傳統(tǒng)的控制策略，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電效率提高了0.8%。圖4d 為動(dòng)態(tài)比例功率分配控制中系統(tǒng)能量損失和功率分配比的關(guān)系圖，Wloss，min為傳統(tǒng)的控制策略下最小的能量損失，當(dāng)0.51≤λ1≤0.63 時(shí)采用本文控制策略的系統(tǒng)能量損失均小于傳統(tǒng)的控制策略。

圖4 動(dòng)態(tài)比例功率分配控制和傳統(tǒng)控制的充電仿真對(duì)比波形圖Fig.4 Comparison of charging simulation waveforms of dynamic proportional power distribution control and traditional control

圖5為動(dòng)態(tài)比例功率分配控制和傳統(tǒng)的控制的放電仿真對(duì)比波形圖。

圖5 動(dòng)態(tài)比例功率分配控制和傳統(tǒng)的控制的放電仿真對(duì)比波形圖Fig.5 Comparison of discharging simulation waveforms of dynamic proportional power distribution control and traditional control

在動(dòng)態(tài)比例功率分配控制中，應(yīng)當(dāng)提高超級(jí)電容器的放電功率，以便為下一次存儲(chǔ)負(fù)載的峰值功率做準(zhǔn)備，同時(shí)考慮系統(tǒng)的能量損失與功率分配比成反比，實(shí)驗(yàn)選取λ1為0.51，此時(shí)蓄電池的放電電流保持在1.9 A 附近。而采用傳統(tǒng)的控制策略時(shí)，負(fù)載增加，蓄電池的放電電流從1 A 突增到1.9 A，如圖5a 所示。超級(jí)電容器以功率跟蹤方式進(jìn)行充電，如圖5b所示?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)各部分功率如圖5c所示，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的總功率由665 W 增加到1 275 W。采用動(dòng)態(tài)比例功率分配控制，負(fù)載突變后功率分配比由0.51 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)為0.26。較傳統(tǒng)的控制策略，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電效率提高了0.75%。

因此，在負(fù)載突變情況下采用動(dòng)態(tài)比例功率分配控制時(shí)，超級(jí)電容器輸出功率響應(yīng)更快，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量損失更少，充放電效率更高。而且蓄電池能夠保持在給定條件下工作，超級(jí)電容器在負(fù)載出現(xiàn)峰值功率時(shí)可以快速調(diào)整工作狀態(tài)，及時(shí)存儲(chǔ)剩余電力，從而提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文針對(duì)電機(jī)負(fù)載突變工況下系統(tǒng)性能下降的問題，提出了一種動(dòng)態(tài)比例功率分配控制策略?；诨旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件運(yùn)行狀態(tài)，推導(dǎo)出了負(fù)載能量利用關(guān)系式，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)蓄電池和超級(jí)電容器功率分配比的方案。在Matlab環(huán)境下通過階躍負(fù)載驗(yàn)證了該策略的有效性。仿真結(jié)果表明，超級(jí)電容器能夠承擔(dān)負(fù)載快速波動(dòng)的峰值功率，從而減少了蓄電池電流的波動(dòng)，有效延長其使用壽命。因此在大功率場(chǎng)合，采用混合儲(chǔ)能技術(shù)并動(dòng)態(tài)調(diào)控功率分配比能夠在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)提高充放電效率。