蓄電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略

張純江 董 杰 劉 君 賁 冰

（燕山大學(xué)電力電子節(jié)能與傳動(dòng)控制河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 秦皇島 066004）

1 引言

可再生能源的大量利用不僅能緩解目前的能源危機(jī)，同時(shí)也能大大減少污染物的排放，能夠取得比較好的節(jié)能減排效益[1]。可再生能源發(fā)電單元存在著發(fā)電量不穩(wěn)等一些缺點(diǎn)，因此儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)成了以太陽能、風(fēng)能等為主要能量來源的分布式發(fā)電系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，具有重要的研究意義[2,3]。

蓄電池在儲(chǔ)能設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，其能量密度較大，符合分布式發(fā)電對(duì)能量密度的要求[4]。但是受電化學(xué)反應(yīng)速率的限制，蓄電池地功率密度比較小，當(dāng)負(fù)載功率突變時(shí)，不能快速的吸收或釋放目標(biāo)功率，較難滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)要求。超級(jí)電容充放電時(shí)內(nèi)部發(fā)生的是物理變化，具有功率密度大的特點(diǎn)，可以在短時(shí)間內(nèi)提供較大功率，為其他設(shè)備提供緩沖，但是能量密度比較低，因此超級(jí)電容與蓄電池在性能上有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，常將這兩種儲(chǔ)能元件通過一定的方式連接構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)[5-10]，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)使系統(tǒng)獲得更好的性能，這也是本文的出發(fā)點(diǎn)。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理分析

將蓄電池和超級(jí)電容分別通過雙向半橋接到直流母線上構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，此變換器是目前在光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種雙向變換器。為了簡化分析，假定分布式系統(tǒng)能量來源僅來自光伏電池，則系統(tǒng)的簡化結(jié)構(gòu)如圖1 所示，直流母線可認(rèn)為是光伏發(fā)電單元、負(fù)載、儲(chǔ)能系統(tǒng)三者的公共接點(diǎn)，把分布式發(fā)電系統(tǒng)中的直流負(fù)載、獨(dú)立運(yùn)行逆變器、并網(wǎng)運(yùn)行逆變器統(tǒng)稱為直流母線的負(fù)載。

圖1 簡化的分布式發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 simplified structure of distributed power generation system

設(shè)Pload、Pbat、Psc、Ppv分別為負(fù)載、蓄電池、超級(jí)電容以及光伏電池的功率，則有

蓄電池在系統(tǒng)中的作用通常是維持母線上能量的功率平衡，在負(fù)載功率突變的時(shí)刻，光伏電池的功率可認(rèn)為不變的，這要求蓄電池迅速的改變其充放電功率以滿足負(fù)載要求。但蓄電池功率密度小的特點(diǎn)決定了蓄電池難以滿足要求。

此時(shí)如果超級(jí)電容來提供負(fù)載功率突變部分（即負(fù)載功率的高頻分量），這樣蓄電池就只需要提供負(fù)載功率變化的低頻分量。這樣可以極大地削減負(fù)載突變?cè)斐傻膶?duì)蓄電池的沖擊，降低對(duì)蓄電池功率密度的要求，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。同時(shí)蓄電池可以更好地穩(wěn)定直流母線電壓，其充放電電流變化速率也得到了降低，蓄電池的工況有了很好地改善，這能減少蓄電池的損傷，延長蓄電池的使用壽命。

對(duì)于負(fù)載功率高頻分量的檢測(cè)，采用單極點(diǎn)高通濾波器即可以實(shí)現(xiàn)，且控制相對(duì)簡單，數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方便。設(shè)Pscref為負(fù)載突變時(shí)超級(jí)電容的高頻功率給定量，則單極點(diǎn)高通濾波器的通用表達(dá)式為

設(shè)超級(jí)電容所連接的雙向變換器效率為η，Vsc和Isc分別為超級(jí)電容端壓和電流，對(duì)于超級(jí)電容本身的充放電功率Psc有

當(dāng)負(fù)載突增時(shí)，經(jīng)濾波得出的超級(jí)電容功率給定Pscref為正值，即此時(shí)超級(jí)電容應(yīng)該釋放功率

此時(shí)超級(jí)電容放電電流應(yīng)該為

當(dāng)負(fù)載突減時(shí)，經(jīng)過濾波得出的Pscref為負(fù)值，即此時(shí)超級(jí)電容應(yīng)該吸收功率

則此時(shí)超級(jí)電容的充電電流大小為

在負(fù)載突增或突減時(shí)，通過式（5）和式（7）計(jì)算結(jié)果來控制超級(jí)電容的充放電電流來實(shí)現(xiàn)其功率的控制。

在整個(gè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過程中，其控制原理圖如圖2 所示。蓄電池和超級(jí)電容分別通過一個(gè)雙向變換器連接到直流母線上，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制中設(shè)計(jì)了四個(gè)控制器。

圖2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制原理圖Fig.2 Control principle diagram of the HESS

控制器1 采集蓄電池充放電電流和直流母線電壓，并根據(jù)給定的直流母線電壓值控制雙向變換器工作于單端穩(wěn)壓模式，穩(wěn)定直流母線的電壓。控制器2 采集超級(jí)電容端壓和充放電電流，根據(jù)負(fù)載功率高頻分量檢測(cè)環(huán)節(jié)的高頻功率信號(hào)，得出超級(jí)電容實(shí)時(shí)充放電電流值的大小，以實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容充放電功率的控制，提供或吸收突變功率的高頻部分，給蓄電池提供緩沖。控制器3 工作在負(fù)載功率波動(dòng)值小于設(shè)定閾值時(shí)，采集超級(jí)電容電流和端壓，根據(jù)設(shè)定的超級(jí)電容端壓參考值 Vscref進(jìn)行恒壓限流充電，這能使超級(jí)電容的電壓時(shí)刻維持在設(shè)定值，為下一次負(fù)載突變做準(zhǔn)備。控制器4 運(yùn)行在蓄電池過放時(shí)，蓄電池已經(jīng)不能在維持母線電壓穩(wěn)定，應(yīng)斷開負(fù)載，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，采集蓄電池電壓和電流，進(jìn)行恒壓限流充電。

3 系統(tǒng)主電路與控制策略分析

3.1 雙向半橋變換器兩種模式下的數(shù)學(xué)模型

圖3 雙向半橋變換器電路結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Diagram of the bidirectional half-bridge converter

將蓄電池和超級(jí)電容都等效為理想電容及一個(gè)等效串聯(lián)內(nèi)阻的簡化模型，儲(chǔ)能元件連接雙向變換器的電路圖如圖3 所示，C 是儲(chǔ)能元件等效電容，r 是其串聯(lián)內(nèi)阻，U2是儲(chǔ)能元件的端壓，也就是變換器低壓端電壓，電感L、開關(guān)管S1、S2以及輸出側(cè)濾波電容C1構(gòu)成雙向半橋變換器，RL為等效負(fù)載，U1為輸出電壓，實(shí)際中U1即是直流母線電壓。

當(dāng)變換器運(yùn)行于Boost 單端穩(wěn)壓模式時(shí)，設(shè)d為S1的開關(guān)函數(shù)，可以得到其小信號(hào)模型為

當(dāng)變換器運(yùn)行于Buck 模式時(shí)，設(shè)d'為S2的開關(guān)函數(shù)，可以得到其小信號(hào)模型為

3.2 雙向半橋變換器四種模式下的控制策略

在變換器處于Boost 單端穩(wěn)壓模式時(shí)，負(fù)載RL在數(shù)值上而言可正可負(fù)，即變換器正向工作時(shí)為正，反向時(shí)為負(fù)。雙向變換器Boost 型單端穩(wěn)壓模式采用電壓電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，單端穩(wěn)壓模式的控制框圖如圖4 所示。

圖4 控制器1 的控制框圖Fig.4 Block diagram of the controller 1

在超級(jí)電容正常工作時(shí)，超級(jí)電容提供負(fù)載高頻功率，檢測(cè)環(huán)節(jié)得到功率的高頻部分，計(jì)算得出超級(jí)電容充放電電流的參考值，再通過控制超級(jí)電容充放電電流來實(shí)現(xiàn)。直接用比例積分控制器就可以使電感電流穩(wěn)定，其控制框圖如圖5 所示。

圖5 控制器2 的控制框圖Fig.5 Block diagram of the controller 2

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，如果負(fù)載波動(dòng)幅度小于設(shè)定的閾值，則需要對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行恒壓限流充電，使得超級(jí)電容的端壓回到給定值。另外，當(dāng)蓄電池端電壓過低時(shí)，為了避免蓄電池過放電，也需要對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，此時(shí)變換器的控制目標(biāo)是低壓端輸出電壓，采用電壓外環(huán)電流雙內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)的控制策略，控制框圖如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)中控制器3、4 的控制框圖Fig.6 Block diagram of the controller 3 and 4

變換器此模式工作時(shí)電壓調(diào)節(jié)器輸出的電流給定需加限幅環(huán)節(jié)，對(duì)蓄電池充電而言，這樣做的目的是為了避免蓄電池端電壓低時(shí)出現(xiàn)充電電流過大；對(duì)超級(jí)電容而言，是為了避免超級(jí)電容自充電時(shí)因?yàn)槌潆婋娏鬟^大引起母線電壓波動(dòng)。

4 儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真分析

4.1 仿真條件

以230V 電壓源和5Ω電阻串聯(lián)作為簡化光伏電池，系統(tǒng)負(fù)載為純電阻性負(fù)載，設(shè)定直流母線電壓為220V，蓄電池組額定電壓為96V，容量為100A·h，超級(jí)電容組參數(shù)為3.3F，初始電壓設(shè)為110V。系統(tǒng)輕載為100W，重載為2 000W。0.1s 時(shí)系統(tǒng)由輕載變?yōu)橹剌d，0.3s 時(shí)系統(tǒng)由重載變?yōu)檩p載。

4.2 蓄電池單獨(dú)工作仿真

如果蓄電池單獨(dú)工作，得到仿真波形如圖7 所示。圖中上部分曲線為直流母線電壓波形，下部分曲線為蓄電池電流波形，從圖中可以看出，在負(fù)載變化一段時(shí)間后，母線電壓能夠穩(wěn)定在220V，說明蓄電池單端穩(wěn)壓模式能夠起到維持母線功率平衡和母線電壓穩(wěn)定的作用。

在系統(tǒng)加載時(shí)，蓄電池電流值由負(fù)變正，補(bǔ)充母線上功率的不足。在此過程中母線電壓跌落至198V，跌落幅度為22V。

圖7 蓄電池單端穩(wěn)壓模式仿真波形Fig.7 Simulation graph when battery works alone

在系統(tǒng)減載時(shí)，蓄電池由釋放功率變到吸收功率，電流由正變負(fù)，吸收母線上過多的功率。在此過程中母線電壓升高至245V，幅度為25V。

4.3 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真

加入超級(jí)電容構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)后，超級(jí)電容按照高頻濾波得到功率高頻分量進(jìn)行充放電，給蓄電池提供緩沖。加載和減載時(shí)的仿真波形分別如圖8 和圖9 所示。圖中第一條曲線為直流母線電壓波形，第二條曲線為蓄電池電流波形，第三條曲線為超級(jí)電容電流波形。

系統(tǒng)加載時(shí)，超級(jí)電容根據(jù)高頻功率給定，輸出電流由0 迅速增至20A，超級(jí)電容提供了負(fù)載突變功率，在超級(jí)電容作用下，蓄電池得到極大的緩沖，此時(shí)直流母線電壓的跌落5V，小于只用蓄電池穩(wěn)壓的22V。0.15s 時(shí)由于負(fù)載功率高頻分量已經(jīng)接近于0，此時(shí)超級(jí)電容開始充電，補(bǔ)充工作時(shí)釋放的能量，使自身電壓回到給定值，切換過程中母線電壓基本不受影響。

圖8 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)載突增時(shí)仿真波形Fig.8 Simulation of the HESS when load increase

圖9 加入超級(jí)電容后負(fù)載突減時(shí)仿真波形Fig.9 Simulation of the HESS when load decrease

系統(tǒng)減載時(shí)，超級(jí)電容電流由0 迅速變?yōu)?15A，超級(jí)電容吸收由于負(fù)載突減形成的功率過剩，在此過程中直流母線電壓上升6V，小于只用蓄電池單獨(dú)工作的25V，說明加入超級(jí)電容的作用是明顯的。0.35s 時(shí)超級(jí)電容切換為放電過程，釋放工作時(shí)吸收的能量，使端壓回到給定值。

5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

5.1 系統(tǒng)的程序?qū)崿F(xiàn)與實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)采用 DSP 實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池和超級(jí)電容的工作控制，系統(tǒng)功能是在中斷服務(wù)子程序里實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)控制程序流程圖如圖10 所示。程序能實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)功能：

（1）蓄電池運(yùn)行于單端穩(wěn)壓模式維持直流母線電壓。

（2）實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載功率，提取功率突變的高頻分量。

圖10 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制程序流程圖Fig.10 Flow chart of the system’s control program

（3）按照負(fù)載功率高頻分量，決定超級(jí)電容運(yùn)行在哪種模式。

（4）負(fù)載波動(dòng)時(shí)運(yùn)算得出超級(jí)電容的電流給定，使超級(jí)電容定功率充放電。

（5）負(fù)載無波動(dòng)時(shí)超級(jí)電容自充電至給定電壓。

為了簡化實(shí)驗(yàn)，假定系統(tǒng)運(yùn)行在夜間，即此時(shí)光伏電池?zé)o輸出。超級(jí)電容組容值3.3F，充電參考電壓設(shè)置為80V。7 節(jié)標(biāo)稱為12V/33A·h 的蓄電池串聯(lián)成蓄電池組，直流母線電壓設(shè)定為150V。輕載200W，重載600W。

5.2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

負(fù)載加載時(shí)，如果蓄電池單獨(dú)工作，得到實(shí)驗(yàn)波形如圖11 所示，曲線1 為直流母線電壓波形，曲線2 為蓄電池電流波形。蓄電池輸出電流由原來的2A 迅速的增大到7A，負(fù)載突增造成母線電壓波動(dòng)幅度為12V。

圖11 蓄電池單獨(dú)工作時(shí)負(fù)載突增實(shí)驗(yàn)波形Fig.11 voltage of dc bus and current of battery when battery operates alone

加入超級(jí)電容構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)后，得到如圖12 和圖13 所示的實(shí)驗(yàn)波形，圖12 為直流母線電壓和超級(jí)電容電流波形，其中1 為直流母線電壓，2為超級(jí)電容電流。圖13 為直流母線電壓和蓄電池電流波形，其中1 為直流母線電壓，2 為蓄電池電流。加載時(shí)，超級(jí)電容的電流立即由0 變?yōu)?.2A，蓄電池輸出電流由原來的2A 緩慢的增大到7A，過程持續(xù)約1s，蓄電池得到了極大的緩沖。母線電壓基本無波動(dòng)。

圖12 加載時(shí)直流母線電壓和超級(jí)電容電流波形Fig.12 voltage of DC bus and current of ultracapacitor in HESS when load increase

圖13 加載時(shí)直流母線電壓和蓄電池電流波形Fig.13 voltage of DC bus and current of battery in HESS when load increase

在加載后的a 點(diǎn)處，由于此時(shí)負(fù)載突變的高頻分量已經(jīng)接近為0，超級(jí)電容開始充電，補(bǔ)充本次負(fù)載突增過程中釋放的電能，為下次負(fù)載突變做準(zhǔn)備。負(fù)載減載時(shí)，如果蓄電池單獨(dú)工作，得到如圖14 所示的實(shí)驗(yàn)波形，曲線1 為直流母線電壓波形，曲線2 為蓄電池電流波形,蓄電池輸出電流由原來的7A 迅速的減小到2A，負(fù)載突減造成母線電壓波動(dòng)幅度為14V。

加入超級(jí)電容構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)后，得到如圖15 和圖16 所示的實(shí)驗(yàn)波形，圖15 為直流母線電壓和超級(jí)電容電流波形，其中1 為直流母線電壓，2為超級(jí)電容。圖16 為直流母線電壓和蓄電池電流波形，其中1 為直流母線電壓，2 為蓄電池電流電流。減載時(shí)，超級(jí)電容的電流立即由0 變?yōu)?4.5A，蓄電池輸出電流緩慢減小，蓄電池得到了極大的緩沖，母線電壓基本無波動(dòng)。

圖14 蓄電池單獨(dú)工作時(shí)負(fù)載突減實(shí)驗(yàn)波形Fig.14 voltage of DC bus and current of battery when battery operates alone

圖15 減載時(shí)直流母線電壓與超級(jí)電容電流波形Fig.15 voltage of DC bus and current of ultracapacitor in HESS when load decrease

圖16 減載時(shí)直流母線電壓與蓄電池電流波形Fig.16 voltage of DC bus and current of battery in HESS when load decrease

在減載后的b 點(diǎn)處，超級(jí)電容開始放電，釋放這次減載過程中吸收的電能，為下次負(fù)載突變做準(zhǔn)備。

6 結(jié)論

本文所建立的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)通過蓄電池穩(wěn)定直流母線電壓、超級(jí)電容提供負(fù)載突變功率高頻分量的運(yùn)行方式，能夠充分利用兩種儲(chǔ)能元件的優(yōu)點(diǎn)，使整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有高能量密度和高功率密度的特點(diǎn)。另外恒壓限流充電環(huán)節(jié)能在負(fù)載突變后對(duì)超級(jí)電容自動(dòng)充放電，使其端壓回到給定值，為下一次負(fù)載突變做準(zhǔn)備，極大地提高了超級(jí)電容的利用率，減小了系統(tǒng)對(duì)超級(jí)電容的容量要求。

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