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

（清華大學電機系電力電子與電機控制研究室 北京 100084）

拓撲結構和功率分流算法是混合儲能系統研究的兩個重要內容。本文提出了一種基于模塊化級聯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試方法實現模塊間的電壓均衡。針對混合儲能中的功率分流控制問題，本文總結了最經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，隨著風能、太陽能等新能源發電不斷發展起來，裝機容量越來越大，但是其不確定性會對電網造成很大影響。國內外研究表明，若風電裝機容量占總容量的比例超過20%，將嚴重影響電網的調峰能力和安全運行[1]。為確保高可靠性、高質量供電，儲能裝置聯網應用具有加大發展前景。儲能模塊可以集成在“發—輸—配—用”等各個環節中，在負荷低谷時作為負荷從電網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“削峰填谷”。如此不僅可以提高電力系統的穩定性，并且能夠幫助電力系統經濟調度，從而提高能源利用率、降低環境污染[2,3]。

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

拓撲方面，傳統的思路是將儲能裝置直接串并聯后，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變換器并網輸出。文獻[4-10]都采用了此類拓撲。這類拓撲的優點是結構和控制簡單，但是當串并聯數比較大時，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。這導致系統結構復雜，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的性能，使多種儲能介質的優點都能盡可能體現。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。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，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，并提出了相應的調制方法，可以在PWM調制過程中實現蓄電池和超級電容的主動電壓均衡。在此拓撲基礎上，將傳統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，得到了實驗結果。

2 新拓撲及其PWM調制方法

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斷時，輸出儲能模塊的端電壓；當下管開通上管關斷時，儲能模塊被旁路，半橋輸出零。基本模塊構級聯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，兩個支路的級聯數相等。根據交流參考電壓，超級電容支路在直流母線上輸出多電平直流電壓，再經過H橋換向變為交流多電平電壓；蓄電池支路則根據功率分流算法輸出電壓，以控制電池支路的功率。系統的三相結構如圖1b所示，實際為單相結構的星形連接。

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數增大電壓和大容量。此外，當某個模塊故障時，可以使用半橋變換器旁路此模塊，實現容錯運行，也可以容易地替換維修。最后，相比于傳統的MMC電路，因為該拓撲每相只有一個橋臂，所以可以節省一半的開關管。

2.2PWM調制方法

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

（1）對各個基本模塊所帶儲能介質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，對應模塊輸出高電平，反之則對應模塊輸出低電平。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調制方法（放電情況）Fig.2 modified carrier-cascaded PWM method for active voltage balance (during discharging)

在調制過程中，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是開關函數，表示的是第n個模塊的開關裝填，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為級聯數。

需要說明的是，圖2給出的實際是超級電容支路的調制過程。因為H橋的開關狀態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，輸出長時間的穩定的功率。

為了達到這些目標，最簡單、也被大多數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出，高頻分量由超級電容支路發出。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超級電容的SOC來設定，即Pbat= f(SOCsc)[17]。典型的f(SOCsc)函數形式是單調遞減帶有上下限的線性函數，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情況能夠將超級電容SOC限制在安全范圍內。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調節器閉環控制電池電流，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劣。

4 仿真結果

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，模擬儲能系統的并網充放電。每相拓撲取級聯數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。

并網控制采用了鎖相環和電網電壓定向的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，并網三相電流和電壓如圖4所示。說明該拓撲具有較好的動態響應和較低的諧波含量，并且可以將輸出控制為單位功率因數。

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小時光伏發電數據相減得到的。為了適應仿真的時長和設計容量，將兩個周期48小時的數據壓縮到了2 400秒中，并且將幅度進行了等比例縮減，并根據并網電壓，將功率指令折合為系統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果如圖6a、6b所示。仿真結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非常接近安全限值15V，而根據超級電容SOC設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，幫助超級電容工作在安全范圍內。

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，而陡下降沿（即充電過程）主要由超級電容響應。而在圖7b中可以看到，超級電容電壓將穩定在某一值，使蓄電池輸出功率穩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果比較Fig.7 comparison of two power sharing algorithm with saw tooth wave power reference

5 實驗結果

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，級聯數為4。在此實驗平臺上，完成了混合儲能并網充放電的實驗。

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，是因為并網時在電路中連接了濾波電感，導致輸出電壓和網側電壓有一定相位差，但是電流相位需要保持和網側電壓一致。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。拓撲并網運行的基本功能得到驗證，在此基礎上，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得到了改善。當采用超級電容SOC函數功率分流算法時，因為電路結構和底層控制相同，所以短時間實驗結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果Fig.11 short time experiment result of low pass filter power sharing strategy

最后，如仿真結果所顯示，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果Fig.11 experimental result of two power sharing alogrithms’ long time operation

從實驗結果中可以看到，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，但尚未導致損壞。而超級電容SOC函數分流方法得到的電容SOC則相對平穩。對應的，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函數法控制下的電池SOC增長較多，說明超級電容SOC函數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函數分流方法在本拓撲中優于低通濾波器分量方法。

6 結論

本文提出了一種新型混合儲能拓撲，能夠通過載波層疊調制方法實現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函數法兩種功率分流算法。仿真和實驗結果證明，第二種策略更能夠充分發揮超級電容和蓄電池的性能。

[1] 孔令怡, 廖麗瑩, 張海武, 等. 電池儲能系統在電力系統中的應用[J]. 電氣開關, 2008(05): 61-62.

Kong Lingyi, Liao Liying, Zhang Haiwu et al. Application of Battery Energy Storage System in Power System[J]. Electric Switchgear, 2008(05): 61-62.

[2] 田軍, 朱永強. 儲能技術在分布式發電中的應用.電氣技術[J]. 2010(08): 第28-32+42頁.

Tian Jun, Zhu Yongqiang. Application of Energy Storage Technologies in Distributed Generation[J]. Electrical Engineering, 2010(08): 28-32+42

[3] 常樂 等. 儲能在能源安全中的作用[J]. 中外能源, 2012(02): 第29-35頁.

Chang Le, Zhang Minji, Liang Jia, Sun Yangzhou. The Function of Energy Storage in Energy Safety[J]. Sino-Global Energy, 2012(02): 29-35

[4] 桑丙玉, 陶以彬等. 超級電容-蓄電池混合儲能拓撲結構和控制策略研究[J]. 電力系統保護與控制, 2014(01): 1-6.

Sang Bingyu, Tao Yibin, et al. Research on topology and control strategy of the super-capacitor and battery hybrid energy storage[J]. Power System Protection and Control, 2014(01): 1-6.

[5] 于芃, 趙瑜等. 基于混合儲能系統的平抑風電波動功率方法的研究[J]. 電力系統保護與控制, 2011(12): 35-40.

Yu Peng, Zhao Yu, et al. Research on the method based on hybrid energy storage system for balancing fluctuant wind power[J]. Power System Protection and Control, 2011(12): 35-40.

[6] 盧蕓, 趙永來. 基于模糊神經網絡風電混合儲能系統優化控制[J]. 電力系統保護與控制, 2014(06): 113-118.

Lu Yun, Zhao Yonglai. Optimal control in a wind power hybrid energy storage system based on fuzzy neural network[J]. Power System Protection and Control, 2014(06): 113-118.

[7] 張純江, 董杰等. 蓄電池與超級電容混合儲能系統的控制策略[J]. 電工技術學報, 2014(04): 335-340.

Zhang Chunjiang, Dong Jie, et al. A Control Strategy for Battery-Ultracapacitor Hybrid Energy Storage System[J]. Transactions of China ElectrotechnicalSociety, 2014(04): 335-340.

[8] Jayasinghe, S. D. G, Vilathgamuwa, D. M., and Madawala, U. K.: A new method of interfacing battery/super capacitor energy storage systems for distributed energy sources[C]. IPEC 2010, pp. 1211-1216.

[9] Monteiro, V., Pinto, J. G., Exposto, B., Goncalves, H., Ferreira, J. C., Couto, C., and Afonso, J. L.: Assessment of a battery charger for Electric Vehicles with reactive power control[C]. IECON 2012, pp. 5142-5147.

[10] Qian, H., Zhang, J., Lai, J., and Yu, W.: A highefficiency grid-tie battery energy storage system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011, 26(3), pp. 886-896.

[11] Lee, Y., and Cheng, M.: Intelligent control battery equalization for series connected lithium-ion battery strings[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2005, 52(5): 1297-1307.

[12] Cassani, P. A., and Williamson, S. S.: Feasibility analysis of a novel cell equalizer topology for plug-in hybrid electric vehicle energy-storage systems[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2009, 58, (8), pp. 3938-3946.

[13] A Hillers, and Biela, J. Optimal design of the modular multilevel converter for an energy storage system based on split batteries[C]. EPE 2013, pp. 1-11.

[14] Martel, T., and Rufer, A.: Electric vehicle driving and fast charging system based on configurable modular multilevel converter (CMMC)[C]. EPE 2013, pp. 1-10.

[15] Wei Li, Joos, G.: A power electronic interface for a battery supercapacitor hybrid energy storage system for wind applications[C]. PESC 2008, pp. 1762-1768.

[16] Yu Zhang, Zhenhua Jiang.: Dynamic Power Sharing Strategy for Active Hybrid Energy Storage Systems [C]. VPPC 2009, 558-563.

[17] 丁若星. 微電網中的混合儲能系統研究[D] 清華大學2014. Ding Ruoxing. Research on Hybrid Energy Storage System in Micro Grid[D]. Tsinghua University 2014.

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。

國家自然科學基金項目（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。