含混合儲能的微電網能量管理系統控制策略

李　凱，秦文萍，張海濤，許振波

（太原理工大學電氣與動力工程學院，太原 030024）

含混合儲能的微電網能量管理系統控制策略

李凱，秦文萍，張海濤，許振波

（太原理工大學電氣與動力工程學院，太原 030024）

可再生能源輸出功率具有隨機性與間歇性的特點，利用含儲能裝置的微電網可以有效平抑可再生能源輸出的波動。本文提出了一種含鋰電池與超級電容器組成的混合儲能系統的微電網能量管理系統控制策略。該系統通過對可再生能源和儲能設備運行狀態的實時判斷，調整混合儲能系統的運行方式，實現可再生能源分布式接入時功率輸出的平穩，并控制微電網與大電網交換功率的穩定，在此基礎上盡可能延長混合儲能設備的循環壽命，節約可再生能源（或微電網）的運行成本。采用Qt Creator語言編寫能量管理系統程序，應用于實際微電網中運行，驗證了該能量管理系統控制策略的可行性。

微電網；能量管理系統；混合儲能；控制策略；循環壽命

隨著人們環境保護和能源危機意識的逐漸提高，以風、光為主的可再生能源開始逐步代替傳統能源［1］。目前，可再生能源發電設備滲透率逐年增長，并網運行在帶來環境和經濟效益的同時，其輸出的波動特性也給電網造成了巨大的沖擊。微電網是解決可再生能源分布式接入電網問題的有效途徑之一［2-3］。鑒于微電網線路損耗小、設備投切靈活、發電功率受外界影響大等特性，傳統的能量管理系統EMS（energy management system）已經無法適應微電網的發展。

常見的風、光型微電網的實時輸出功率受光照強度、溫度、風速等影響較大，因此具有高能量HE（high-energy）密度的鋰電池常應用于該類型的中小規模微電網中，以此來提高供電輸出的穩定性與可靠性。然而，鋰電池是一種化學型電池，最大充放電功率受化學反應速率制約，因此鋰電池不能較迅速地平衡波動的風能、光伏輸出功率和負載功率，并且頻繁的充放電和大功率的運行會加速其循環壽命的衰減［4］。

對于鋰電池循環壽命的預測，國內外文獻多從實驗檢測和數據擬合兩個角度進行預測，得出鋰電池的循環壽命與其放電深度DoD（depth of discharge）、充放電電流與溫度等指標有關［5-6］。國外目前已經采用的方法是將鋰電池與超級電容器組成混合儲能系統HESS（hybrid energy storage systems）接入微電網［7-8］。超級電容器雖然能量密度小，但是具有很高功率密度HP（high-power），作為一種物理型電池，它恰好能補充鋰電池的不足［9］。文獻［10］詳細描述了超級電容器的這一特點，并且建立等效模型研究其應用于分布式發電系統能量管理的穩定性與可行性。根據該特點，文獻［11］提出了含蓄電池與超級電容器的混合儲能的微電網本地控制策略，并通過仿真驗證其有效性，但是沒有從能量管理系統的角度考慮微電網整體的控制策略和在實際微電網運行中的可行性。

針對上述可再生能源和混合儲能設備的特點，本文提出了一套并網狀態下風、光混合儲交流微電網能量管理系統控制策略。本文基于Windows操作系統，在上位機上使用Qt Creator語言編寫能量管理系統軟件程序，并在實際微電網中持續運行，驗證該能量管理系統控制策略。

1　鋰電池循環壽命衰減模型

超級電容器作為物理型儲能設備，循環壽命一般大于10萬次，遠遠高于鋰電池2 000次左右的循環壽命，并且可以承受大功率的深度充放電，使用過程中容量幾乎不衰減。所以在混合儲能系統的運行中，超級電容器的使用壽命就視作其循環壽命。

美國高級電池聯合會USABC（U.S.Advanced Battery Consortium）定義鋰電池循環壽命為其容量衰減到初始容量的80%時可充放電的循環次數［12］。其循環壽命的衰減宏觀上一般體現在每個單體電池的容量衰減。鋰電池容量衰減一般是由固體電解質界面膜SEI（solid electrolyte interface）的形成、電阻的增加及其他復雜的化學反應造成的，本文不做深度研究。本文根據相關文獻實驗結果的大量數據進行統計，分析鋰電池放電深度、電流與溫度對循環壽命的影響，通過數學模型進行預測鋰電池循環壽命。

文獻［13］顯示，在鋰離子反應的擴散過程中，固體電解質界面膜的產生消耗了活性鋰離子，從而造成了鋰電池容量的損失。因此由Arrhenius公式建立方程

式中：Q為鋰電池容量的損失率；B為指前因子（頻率因子）；Ea為鋰離子的活化能；R為氣體常數，R=8.314 J/（K·mol）；T為鋰電池運行時的絕對溫度；Ah為鋰電池的放電量；ρ為經驗常數。指前因子B、活化能Ea、放電量Ah的經驗公式分別為

式中：Crate為鋰電池充放電電流；n為鋰電池循環次數；DoD為放電深度；C為鋰電池額定總容量。

式（4）中，鋰電池額定總容量C是不變的常數，但是在實際運行中，鋰電池總容量會隨著充放電循環次數增多不斷減小。本文在每次充放電時都對其進行修正，鋰電池運行實時總容量為

同時，考慮頻繁充放電對鋰電池的影響，引入罰函數φ（n）對式（1）進行修正，φ（n）是只與鋰電池充放電的次數有關的函數。本文通過對A123系統公司生產的多種磷酸鐵鋰電池產品循環壽命的大量測試數據的統計，擬合出罰函數φ（n）為

將式（2）～（6）代入式（1），并通過循環次數對其離散化，得出每次運行鋰電池時容量損失公式為

通過與文獻［14］中鋰電池測試實驗結果的對比，圖1為16.4 Ah的磷酸鐵鋰電池在45℃的條件下，以49.2 A的電流50%充放電深度運行600次的循環壽命衰減結果。可以看出，修正前鋰電池的衰減容量的預測值為12.8%，修正后為14.5%，而實際的實驗結果為14.6%。顯然，本文提出的修正方法修正后的計算結果更加接近實際的實驗數據。

圖1　修正前后鋰電池的衰減容量的預測曲線Fig.1　Estimated battery capacity retention with and without correction

2　交流微電網控制策略

2.1交流微電網結構

本文研究的交流微電網拓撲結構如圖2所示。其中，風機和光伏發電作為整個微電網的分布式電源輸出，通過DC/AC逆變器接入交流母線，采用最大功率點跟蹤MPPT（maximum power point tracking）方式運行。鋰電池和超級電容器分別通過DC/DC和DC/AC兩個變換器與交流母線聯接，構成混合儲能系統。

圖2　交流微電網結構Fig.2　Structure of AC microgrid

在每個裝置上層，都裝有一臺電能質量檢測儀，用于測量風機、光伏、儲能和負載的實時功率與電能質量，并將數據傳輸至上位機，儲存于數據庫中。

2.2能量管理系統控制原則

鑒于鋰電池循環壽命損耗的原因，能量管理系統的控制策略應以減小鋰電池循環壽命損耗為基礎，超級電容器予以配合運行，保持鋰電池盡量長時間運行在恒定功率輸入或輸出狀態，并且避免鋰電池的過充和過放。

風機和光伏分布式并網時，采用MPPT方式運行最大程度地利用可再生能源，但輸出功率的不確定性會對大電網的功率預測與計劃發電造成影響。因此，將可再生能源并入微電網運行，維持微電網自身內部功率平衡時，也盡可能控制其與大電網的公共連接點PCC（point of common coupling）的交換功率為一個可控的恒定值。對于大電網來說，采用恒定交換功率可以減少可再生能源的功率波動對大電網的沖擊，保證微電網對外凈輸入、輸出的可控性，便于大電網制定運行計劃。

2.3能量管理系統控制流程

針對上述微電網結構和能量管理系統控制原則，制定控制策略。能量管理系統控制策略的流程如圖3所示。

首先，定義微電網向外輸出的能量為正值，向微電網輸入的能量為負值，同時定義凈負荷為負載與可再生能源的功率總和，將不同時段設定的PCC交換功率也視為負載的一部分，故凈負荷表達式為

式中：Pnet為凈負荷功率；PLoad為負載功率；PPV為光伏輸出功率；Pwind為風機輸出功率；PPCC.set為設定的PCC交換功率。

圖3　能量管理系統控制策略流程Fig.3　Flow chart of EMS control strategy

同時，把凈負荷分為在一段時間內基本恒定不變的主要負荷Pmain與時刻變化的波動負荷Pfluc。初始情況下鋰電池的輸出功率PLi=Pmain，超級電容器輸出功率Psc=Pfluc。當波動負荷超過設定轉變閾值Pth，并持續一段時間Tth后，能量管理系統的中央控制器就會修正凈負荷的分配。功率的具體修正分配過程如下。

本文的能量管理系統設定了凈輸入和凈輸出兩個特殊的微電網運行狀態，用于控制鋰電池避免過沖、過放時微電網系統的功率平衡。正常運行時，微電網運行在非凈輸入和非凈輸出狀態，主要負荷Pmain由鋰電池來承擔，波動負荷Pfluc由超級電容器來承擔。當可再生能源的輸出功率發生變化，并且沒有超出設定的閾值Pth時，僅由調整超級電容器的輸入輸出來維持功率平衡，并且保持鋰電池的輸出功率為不變的定值。一旦可再生能源的輸出功率變化超出設定的閾值Pth，并且持續時間達到了時間閾值Tth，那么重新計算分配主要負荷Pmain和波動負荷Pfluc，并迅速調整鋰電池和超級電容器的出力。

當鋰電池的SOC值SOCLi超過90%，并且可再生能源輸出功率大于負荷功率，此時能量管理系統運行狀態變為凈輸出狀態，因為整個程序循環周期時間間隔很短，故在下一個循環周期再進入子程序1。進入此狀態后，鋰電池和超級電容器均停止功率輸入、輸出，直至可再生能源輸出功率小于負荷功率時，退出凈輸出狀態。

當鋰電池的SOC值SOCLi小于25%，并且可再生能源輸出功率小于負荷功率，此時能量管理系統運行狀態變為凈輸入狀態，并在下一個循環周期進入子程序2。此時，超級電容器停止功率輸入、輸出，而鋰電池的SOC值SOCLi若小于30%，則對其充電，否則停止功率輸入、輸出，直至可再生能源輸出功率大于負荷功率，退出凈輸入狀態。

3　能量管理系統的程序實現

3.1能量管理系統控制結構

交流微電網能量管理系統控制結構分為3層：頂層的中央控制層、中間的調度控制層與底層的本地控制層。

中央控制層位于所用控制的頂層，具有最高優先級。它用于調控和協調微電網全網的所有裝置，接收所有設備的數據，計算并發出指令，維持微電網系統內部的功率平衡。并且可以通過編寫程序運行上述控制策略控制整個微電網設備的運行。

調度控制層是3層控制的中間層，主要通過電能質量監測裝置測量功率的大小與方向，電能質量監測裝置位于交流母線與電氣設備之間，向中央控制層發送電氣設備的實時功率參與運算。此外，調度控制層還控制斷路器的開合，調控每個設備的并離網和負荷的投切。

本地控制層直接與每個電氣設備相連，調控其輸入輸出特性。例如，控制鋰電池DC/DC變換器和DC/AC逆變器的工作，調整鋰電池實時的輸出電壓和功率。此層控制在每個設備就地完成，以減少上層控制器的運算量，增加微電網系統的反應速度。

3.2中央控制器程序架構

中央控制器的控制程序用基于Windows操作系統的Qt Creator語言編寫。Qt是一個跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發框架，而Qt Creator是一個用于Qt開發的輕量級跨平臺集成開發環境，可以通過可視性的界面對整個微電網系統完成用戶自定義的控制。

控制界面分為儲能設備控制、程控負載控制、雙饋風機控制、光伏控制和中央控制器5個部分。用戶可以控制與查詢所有微電網設備的運行狀態，例如，在儲能控制選項中，用戶可以控制儲能設備的開關機和并離網，查詢其SOC值、電壓電流大小及其充放電狀態，設定閾值大小等。用戶控制界面如圖4所示。

圖4　用戶控制界面Fig.4　User interface of control system

能量管理系統的控制程序主要分為5個部分，分別是能量管理系統控制策略程序、CAN通訊接收程序、CAN通訊發送程序、電能質量監測裝置接收程序以及數據儲存程序。為了降低微電網設備之間的數據傳輸時間與上位機控制程序的計算時間，提高微電網策略控制的實時性與準確性，本文采用多線程控制程序，將控制程序分為5個部分，設置每個部分為1個線程，使它們在同一進程中并行執行。整個程序結構如圖5所示。

圖5　多線程程序結構Fig.5　Program structure of multithreading

4　微電網運行實驗分析

本文研究圖2所示的微電網。實驗中，太陽能光伏電池的額定功率為20 kW，雙饋風力發電實驗平臺的額定功率為12 kW，兩者的逆變器均采用MPPT模式輸出。混合儲能中鋰電池容量為53.6 kC，超級電容器容量為16.7 F，兩者的雙向DC/AC變換器均以PQ控制模式運行，最大充放電功率為25 kW，初始的SOC值分別為42.6%、48.2%。根據一般運行經驗，設定混合儲能修正分配功率閾值Pth為1 kW，時間閾值Tth為25 s。負荷的功率范圍為0～15 kW，且只能以1 kW的整數倍增減。與本文第2節一樣，定義微電網向外輸出的能量為正值，向微電網輸入的能量為負值。

圖6和圖7為微電網采用上述控制策略的實驗結果，其中PCC始終閉合，由大電網維持微電網母線電壓穩定，依據本地日常風、光出力的歷史數據，交換功率的設置值分為3個時段，每天00∶00—10∶00交換功率設置值為1 kW，10∶00—16∶00為6 kW，16∶00—24∶00為0 kW，如圖6（a）所示。這樣相對于大電網，將波動的太陽能與風能通過微電網變為可控、連續、平穩的輸出功率，便于大電網的日常功率預測與發電。微電網實時運行時，最終的交換功率如圖6（b）所示。

圖6（c）模擬某微電網用戶一天的負荷功率變化情況，圖6（d）、（e）分別為該日光伏發電和風力發電輸出功率曲線，圖6（f）、（g）分別為鋰電池和超級電容器實時運行功率曲線，其SOC值如圖7所示。

整個運行過程中微電網母線電壓在220～230 V之間波動，因此負荷的實時功率也隨著母線電壓略有升降。

圖6　微電網各設備實際運行結果Fig.6　Experiment results of microgrid equipments

在圖7中可以看出在08∶05左右，鋰電池的SOC值達到設置的最小閾值25%，此時整個微電網的可再生能源和儲能設備的輸出功率不足以維持負載的正常工作，微電網進入凈輸入狀態，需要從大電網吸收功率。在此狀態下，超級電容器停止工作，鋰電池以5 kW功率充電。在此期間，當鋰電池SOC值達到30%，停止充電。直至09∶05時可再生能源功率大于負載功率時，退出該狀態。

而在13∶08時，此時整個微電網的可再生能源和儲能設備的輸出功率大于負載功率，而且鋰電池的SOC值達到設置的最大閾值90%，所以微電網進入凈輸出狀態，多余的可再生能源功率輸送給大電網。在此狀態下，超級電容器和鋰電池停止工作，直至15∶07時可再生能源功率小于負載功率時，退出該狀態。

除上述兩個短暫狀態，微電網的內部功率完全由可再生電源和儲能系統平衡，PCC點的交換功率也按照設置的功率運行。整個一天的運行過程中，可再生能源的滲透率達99.51%。

根據式（5），鋰電池損耗曲線如圖8所示。應用上述控制策略，假設每天以上述風、光狀況和負載功率運行，經過2 394 d鋰電池容量衰減到初始容量的80%，而不應用上述控制策略則只經過1 547 d就衰減到初始容量的80%，鋰電池的使用壽命延長了54%。

圖7　混合儲能系統的SOC變化曲線Fig.7　SOC curves of hybrid energy storage system

圖8　應用控制策略前后的鋰電池循環壽命Fig.8　Cycle life of lithium battery with and without the proposed strategy

5　結語

針對含混合儲能的典型風光交流微電網，本文提出了一種能量管理系統控制策略，并編寫能量管理系統軟件程序，應用于實際微電網中，驗證了提出的控制策略具有如下優點：

（1）通過能量管理系統對混合儲能設備的控制，可以有效地抑制微電網風能與光伏輸出功率的波動，保證對負載輸出功率的穩定；

（2）針對鋰電池和超級電容器特性，合理分配兩者的輸出功率，延長鋰電池的循環壽命，降低微電網的運行成本；

（3）按時段控制微電網與大電網的交換功率，實現可再生能源實際輸出功率的可預測性，減小對大電網的功率預測與發電計劃的影響；

（4）在能量管理系統中，采用多線程控制程序，降低了微電網數據傳輸時間與計算時間，顯著提高微電網策略控制的實時性與準確性。

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Control Strategy for Microgrid Energy Management System Including Hybrid Energy Storage

LI Kai，QIN Wenping，ZHANG Haitao，XU Zhenbo
（College of Electrical and Power Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

Considering that the output of renewable energy sources has the characteristics of randomness and intermittence，its fluctuation can be stabilized effectively by the microgrid with energy storage devices.In this paper，a control strategy for microgrid energy management system is proposed，which includes a hybrid energy storage composed of lithium battery and super capacitor.By observing the realtime condition of renewable energy sources and energy storage devices，and changing the operation mode of the hybrid energy storage system，the proposed strategy can stabilize the output of renewable energy sources，control the exchange power between microgrid and major grid，prolong the cycle life of energy storages，and save the operation cost.Written with Qt Creator programming language，the management system is applied to the operation of a real microgrid，validating its feasibility.

microgrid；energy management system；hybrid energy storage；control strategy；cycle life

TM7

A

1003-8930（2016）10-0085-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.10.015

2015-06-11；

2016-01-18

李凱（1990—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統運行與控制。Email：dgf725@gmail.com

秦文萍（1972—），女，博士，教授，研究方向為電力系統可靠性分析、新能源技術和微機保護。Email：qinwenping1027@ 163.com

張海濤（1991—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統運行與控制。Email：348604732@qq.com