混合儲能超級電容與蓄電池能量分配策略研究

曹華鋒，白 迪，趙志剛

（沈陽工程學院電力學院，遼寧 沈陽 110136）

混合儲能超級電容與蓄電池能量分配策略研究

曹華鋒，白 迪，趙志剛

（沈陽工程學院電力學院，遼寧 沈陽 110136）

針對超級電容與蓄電池的混合儲能，提出了一種電池端DC－DC變換器動態控制策略。該策略可以防止電池出現深度放電，降低蓄電池的充放電頻率，延長電池使用壽命，并通過仿真驗證了其有效性。

動態濾波；DC－DC變換器；混合儲能；滑動平均法

當前，新能源引起了全球的廣泛關注，微電網的異軍突起帶來了能源的新形勢［1］。但微電網各分布式電源發電功率的不確定性使微電網的推廣受到很大局限。采用儲能系統解決這個問題成為主流。單一的儲能方式無法滿足微網對功率與能量性能的需求，超級電容與蓄電池復合的混合儲能方式結合了2種電池的優勢，很好地解決了微電網電壓與頻率波動的問題。針對超級電容與蓄電池的混合儲能，考慮到2種電池的電荷狀態（SOC）、微電網功率波動等因素設計了一套自適應濾波系統，通過控制系統輸出對應的信號控制DC－DC變換器的工作狀態，從而達到協調2種電池平抑功率的目的。

1 混合儲能工作原理

傳統的超級電容與蓄電池的混合儲能系統工作原理如圖1所示［2］。超級電容響應速度快，但能量密度低，蓄電池響應速度慢，能量密度高。因此，對于蓄電池的控制，首先對并網逆變器與交流側交換的有功部分進行低通濾波，得到功率平滑的部分由蓄電池平抑，高頻部分由超級電容平抑。超級電容采用雙閉環控制，外環采用電壓控制，內環采用電流控制，用來穩定直流母線的電壓。

圖1 混合儲能原理

蓄電池系統的工作過程［3］：交流側電壓的電流采樣電路經過A／D轉換把數字信號傳遞給單片機控制器，經過運算得到有功功率，再經濾波得到蓄電池所需平抑功率的參考值Ppbref。由Ppbref與電壓采樣電路反饋回的電池端電壓upb的比值得到電流環的電流參考值與電流采樣電路得到的蓄電池兩側的電流值ipb的差值，經過PI控制系統后再經脈沖寬度調制得到PWM信號，通過驅動電路D／A轉換，控制DC－DC變換器IGBT的開關狀態。

超級電容工作過程：直流母線的電壓Udc經過采樣得到的數字信號傳遞給單片機，Udc與直流母線額定電壓的差值經過PI控制得到電流環控制的參考電流值，電流采樣電路得到的超級電容兩端電流isc與的差值，經過PI控制系統再經脈沖寬度調制得到PWM信號，通過驅動電路控制超級電容側DC－DC變換器的IGBT開關。超級電容控制具有一定的自適應性，自動承擔了功率的高頻部分。

2 儲能電池的數學模型

2.1 蓄電池模型

蓄電池等效電路模型如圖2所示。

圖2 蓄電池等效電路模型

忽略蓄電池極化電阻和相間微分電容有：

式中：E為蓄電池空載電壓；SOCpb0為蓄電池初始電荷狀態；Qpb為蓄電池容量。

2.2 超級電容模型

超級電容等效電路模型如圖3所示。

圖3 超級電容等效電路模型

式中：Umax、Umin分別為超級電容工作的最高電壓與最低電壓；Uoc為當前電容的端電壓。

3 改進的能量分配策略及實現方法

3.1 能量分配策略

在超級電容與蓄電池的混合儲能系統下，為了協調好2種儲能裝置的功率分配，減少電荷狀態過高或者過低的情況。同時，盡可能提高超級電容的利用率，減少蓄電池的充放電次數，延長蓄電池的使用壽命，建立了混儲能量分配策略，其流程如圖4所示。

超級電容與蓄電池狀態分3種：當電荷狀態低于電池額定容量的20%時為低狀態區，此時電池不再放電，優先充電；當電荷狀態高于電池額定容量的80%時，電池不再充電，優先放電；當電荷狀態在電池容量的20%～80%時，為正常工作區。

由圖4可知，p為混合儲能系統要平抑的功率波動，經過自適應率系統得到的蓄電池要平抑的功率參考值為，此時對蓄電池與超級電容的電荷狀態進行判斷，若2種電池均在正常工作區，則通過判斷｜p?bref｜與Δp的大小來確定超級電容與蓄電池平抑的功率大小。若2種電池存在1組處于非正常工作區的狀態，則通過判斷p的正負與電池電荷狀態來確定電池平抑功率的大小。

功率參考值Δp為

3.2 滑動平均濾波算法

滑動平均濾波算法的本質就是一種低通濾波算法［4］，在一個固定長度為T的滑動窗口沿著離散時間序列滑動，每滑動1個采樣間隔，窗口前面進入1個新數據，同時窗口后面去掉1個舊數據，在這個窗口式中就會有T／t個最新數據，每滑動1次后，對這些數據進行算數平均得到對應值。

圖4 電容與電池的功率分配流程

式中：T為滑動窗口的時間寬度。在實際電路中為

由并網逆變器交流側的采樣電路得到的負荷電流與電壓經過park變換后，對應d軸q軸乘積得到的有功功率，在時間T內積分求和能得到的數值除以T，便可以得到平緩的功率Ppbref，這部分功率可由蓄電池進行平抑。根據T的不同，濾波效果也會隨之改變。

滑動平均濾波器可以等效成二階低通濾波器，工程中一般要求增益衰減在3～40 dB。在混合儲能的動態計算公式為

3.3 控制策略的實現

在圖4基礎上建立了蓄電池端DC－DC變換器的控制策略，如圖5所示。

圖5 蓄電池端DC－DC變換器的控制策略

蓄電池采用外環功率內環電流控制，相對于傳統的蓄電池端控制方法［5］，低通濾波部分采用了自適應濾波器，增加了蓄電池功率平抑參考值的判斷環節，若平抑的功率為小功率，則由超級電容平抑，由此減少蓄電池的使用率。由式（11）計算得到濾波常數T的值，通過改變濾波頻率，動態調節蓄電池平抑功率波動的大小。

如圖6所示，建立了超級電容端DC－DC變換器的控制策略。

圖6 超級電容端DC－DC變換器的控制策略

超級電容用雙閉環控制，穩定直流母線的電壓以提高電能質量。控制器根據超級電容的電荷狀態與反饋過來P值的正負，確定超級電容的電荷充放電狀態，防止電容因過充或過放造成損傷。

4 仿真與驗證

在Matlab／Simulink仿真平臺中搭建了超級電容與蓄電池的混合儲能系統模型。儲能系統仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數

由于仿真條件下很難截取數十min以上數據，出現所提策略的所有情況更加困難，因此，對混合儲能的一般工作狀態下進行仿真分析。

設定超級電容端電壓180 V，此時超級電容的SOC為71%，2種電池狀態都在正常工作區，對混儲系統仿真運行的0.2～1.3 s內進行分析。由圖7、圖8對比每個圖的上方為蓄電池平抑的功率，改進策略下出現了超級電容平抑功率為零的時刻，說明此時蓄電池并沒有進行充放電，對比圖8，蓄電池進行小功率充放電，而由超級電容在2種策略下的功率平抑對比，改進策略下的超級電容具有自適應性，自動平抑了蓄電池未平抑的功率ΔP。

圖7 改進策略下蓄電池與超級電容平抑的功率

為了既能提高超級電容的利用率，又不增加其負擔，改進策略下的ΔP能夠動態調節，根據超級電容的SOC與當前平抑功率的正負大小來確定其值的大小，如圖9所示。

圖8 未改進策略下蓄電池超級電容平抑的功率

圖9 改進策略下的ΔP值

5 結束語

微電網混合儲能利用了超級電容與電池各自的優勢，滿足微電網對電能質量的要求。本文針對2種儲能方式的控制，建立一種自適應的動態交互系統，協調2種儲能方式的功率分配，充分利用2種儲能的優勢，減少因為儲能種類增加導致的系統不穩定。通過仿真可以看到，本文針對2種儲能情況的處理策略，保證了儲能系統的安全性，提高了電池的使用壽命，促進了微電網的經濟運行。

［1］程 成.用于可再生能源發電并網技術的混合儲能控制策略研究［D］.北京：華北電力大學，2014：25－27.

［2］周 林，黃 勇，郭 珂，等.微電網儲能技術研究綜述［J］.電力系統保護與控制，2011，39（7）：147－152.

［3］張華健，黃 偉.微電網運行控制與保護技術［M］.北京：中國電力出版社，2009：75－76.

［4］郭 捷，胡文平，劉 曼.適用于直流配電網的分布式光伏發電防孤島方法［J］.東北電力技術，2015，36（12）：23－27.

［5］王秀霞.固定型閥控式鉛酸電池組充放電實驗與運行分析［J］.東北電力技術，2009，30（1）：30－35.

Energy Allocation Strategy of Super Capacitor and Storage Battery Based on Hybrid Energy Storage

CAO Hua?feng，BAI Di，ZHAO Zhi?gang
（School of Electrical Engineering，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China）

According to the hybrid energy storage capacity of micro grid，a dynamic control strategy for the DC?DC converter is pro?posed.This strategy can prevent the battery from the depth of discharge，reduce the battery charge and discharge frequency，extend the battery life.The effectiveness of the proposed strategy is verified by simulation.

Dynamic filter；DC?DC converter；Hybrid energy storage；Moving average method

TM912；TM53

A

1004－7913（2016）06－0011－04

曹華鋒（1990—），男，碩士，主要研究方向為微電網運行控制策略及控制方法。

2016－02－28）