微電網(wǎng)孤島狀態(tài)下新型混合儲能控制策略研究

侯世英， 畢曉輝， 孫韜， 毛瑞， 余海威

(1.重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶400044；2.國網(wǎng)四川省電力公司天府新區(qū)供電公司，四川 成都 610041；3.國網(wǎng)四川省電力公司仁壽縣供電分公司，四川 眉山 620500)

微電網(wǎng)孤島狀態(tài)下新型混合儲能控制策略研究

侯世英1， 畢曉輝2， 孫韜1， 毛瑞3， 余海威1

(1.重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶400044；2.國網(wǎng)四川省電力公司天府新區(qū)供電公司，四川 成都 610041；3.國網(wǎng)四川省電力公司仁壽縣供電分公司，四川 眉山 620500)

分析了微電網(wǎng)孤島運行狀態(tài)與并網(wǎng)運行狀態(tài)儲能系統(tǒng)控制策略的差異，針對孤島運行狀態(tài)，提出一種新型蓄電池-超級電容混合儲能系統(tǒng)控制策略，針對傳統(tǒng)控制策略在超級電容容量達到閾值而無法正常工作時，不能保證母線電壓穩(wěn)定，以及邏輯判斷與數(shù)字濾波環(huán)節(jié)過多，響應(yīng)速度慢、較難實現(xiàn)等問題，采用雙電壓閉環(huán)控制策略，配合利用雙向DC/DC變換器自帶的LC濾波器，省去數(shù)字濾波環(huán)節(jié)，在超級電容剩余電量達到限定值時，無需改變控制模式，仍能維持母線電壓的穩(wěn)定，提高了微電網(wǎng)可靠性。分別通過頻域分析、仿真分析和實驗研究，驗證了所提控制策略的正確性與可行性。

微電網(wǎng)；孤島運行；混合儲能；控制策略；小信號建模

0 引 言

微電網(wǎng)存在2種典型的運行模式：正常情況下微電網(wǎng)與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)運行，稱為并網(wǎng)模式；當(dāng)檢測到電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不滿足要求時， 微電網(wǎng)將及時與電網(wǎng)斷開而獨立運行，稱為孤島模式[1]。當(dāng)微電網(wǎng)孤島運行時，其輸出功率波動對負荷端電能質(zhì)量與安全穩(wěn)定的影響較大，引起了學(xué)術(shù)界的重視。

眾所周知，蓄電池儲能系統(tǒng)在平抑功率波動方面能發(fā)揮至關(guān)重要的作用[2]；然而，蓄電池儲能很難同時滿足高功率密度與高能量密度兩個方面的需求[3]，并且蓄電池的工作壽命短，在高輸出功率變化率下，其工作壽命還會進一步縮短[4]。近年來，蓄電池-超級電容混合儲能系統(tǒng)的提出，實現(xiàn)了功率型儲能器件與能量型儲能器件的結(jié)合，極大地提高了儲能系統(tǒng)的整體性能，延長了蓄電池工作壽命[5]。

并網(wǎng)運行時微電網(wǎng)的母線電壓受電網(wǎng)側(cè)控制，考慮的是如何利用混合儲能的互補特性使微電網(wǎng)得到平滑穩(wěn)定的輸出功率，抑制因可再生能源接入造成系統(tǒng)的功率波動，目前該方面的研究較為成熟[5-8]；但在微電網(wǎng)孤島運行狀態(tài)下，需要儲能系統(tǒng)平抑可再生能源輸出功率與負載功率的波動，確保微電網(wǎng)母線電壓的穩(wěn)定，以提供良好的電能質(zhì)量。如何協(xié)調(diào)超級電容與蓄電池滿足微電網(wǎng)孤島運行時的要求仍是一個值得深入研究的課題[9]。

目前已提出一些微網(wǎng)孤島運行混合儲能的控制策略。其中，文獻[9]提出一種混合儲能系統(tǒng)的功率自適應(yīng)控制策略，使超級電容和蓄電池輸出功率得到合理分配。文獻[10]提出一種動態(tài)控制策略，根據(jù)負載需求的不同調(diào)節(jié)超級電容與蓄電池的輸出電流，充分利用二者的優(yōu)勢。文獻[11]提出的控制策略中，由超級電容迅速響應(yīng)功率需求，母線電壓穩(wěn)定后，由蓄電池補償系統(tǒng)功率缺額，防止負荷突變對蓄電池造成的沖擊。文獻[12]利用經(jīng)典雙環(huán)控制理論，得到了良好的控制效果，延長了蓄電池使用壽命。

以上這些控制策略雖然各不相同，但都可以實現(xiàn)保持母線電壓穩(wěn)定、合理分配蓄電池與超級電容輸出功率的控制目標(biāo)；但也都忽視了一個關(guān)鍵問題，即超級電容與蓄電池在現(xiàn)實工作中，會因為剩余電量(state of charge，SOC)達到閾值、設(shè)備故障、繼電保護誤判等原因從微電網(wǎng)中斷開，尤其是超級電容容量較小，更易因SOC達到閾值而使保護開關(guān)動作。若利用超級電容穩(wěn)定母線電壓，當(dāng)超級電容從微電網(wǎng)斷開時，文獻[9-12]的控制策略都不能繼續(xù)穩(wěn)定母線電壓，難以滿足微電網(wǎng)孤島運行時對可靠性的較高要求。基于此，文獻[13]提出一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的控制策略。根據(jù)超級電容SOC所在不同區(qū)間改變蓄電池和超級電容的工作模式，當(dāng)超級電容容量即將達到閾值時，將穩(wěn)定母線電壓的任務(wù)逐步轉(zhuǎn)交給蓄電池，使得其中任何一個儲能元件停止工作時，另一儲能元件可以獨自能維持母線電壓的穩(wěn)定，提高了微電網(wǎng)的可靠性；但這種控制方法較為復(fù)雜，需要較多的邏輯判斷與數(shù)字濾波環(huán)節(jié)，響應(yīng)速度較慢，難以實現(xiàn)，也并未通過實驗驗證。

因此，本文在文獻[13]思路的基礎(chǔ)上，提出一種新型雙重電壓閉環(huán)控制策略。在超級電容或蓄電池因突發(fā)狀況從電網(wǎng)斷開時，無需改變控制模式，仍能維持微電網(wǎng)母線電壓的穩(wěn)定，并充分利用雙向DC/DC變換器自身的濾波器代替數(shù)字濾波器，通過設(shè)置兩個濾波器不同的時間常數(shù)，可以令超級電容補償高頻功率波動，蓄電池補償?shù)皖l功率波動，實現(xiàn)了與文獻[13]相同的控制目標(biāo)的同時，簡化了控制過程，提高了響應(yīng)速度與實用性。

本文首先介紹基于混合儲能的微電網(wǎng)孤島運行時的拓撲結(jié)構(gòu)及等效電路，并小信號建模；提出一種用雙向DC/DC變換器自身的濾波器代替數(shù)字濾波器，結(jié)合一種新型雙重電壓閉環(huán)控制策略的新型混合儲能控制方案；分析混合儲能系統(tǒng)的動態(tài)性能；最后，進行了仿真與實驗研究，研究結(jié)果驗證了所提控制方案的正確性與可行性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及小信號建模

1.1 微電網(wǎng)孤島運行狀態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為微電網(wǎng)孤島運行時的拓撲結(jié)構(gòu)，包含3大部分：可再生能源、負載以及儲能系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)中蓄電池和超級電容分別通過雙向DC/DC變換器連接到直流母線。

孤島運行時，儲能系統(tǒng)的作用是填補可再生能源發(fā)電功率Pi負載功率Po的差量，Pi較大時吸收多余功率，在Po較大時輸出功率，維持母線電壓穩(wěn)定。換言之，只要能保證母線電壓穩(wěn)定，就能保證負載需求的功率。

對混合儲能系統(tǒng)小信號建模時，文獻[12-15]將混合儲能系統(tǒng)外部電路等效為一個可控電流源im，如圖2所示。

圖1 微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Micro grid topology

圖2 混合儲能系統(tǒng)等效電路Fig.2 Equivalent circuit of hybrid energy storage system

1.2 小信號建模

為了研究混合儲能系統(tǒng)中2個并聯(lián)的DC/DC變換器對彼此及系統(tǒng)的影響，小信號建模是必不可少的。

對雙向DC/DC變換器上下橋臂MOSFET采用互補導(dǎo)通控制方式，這種控制方式不需要狀態(tài)邏輯單元就可以獲得雙向狀態(tài)切換，系統(tǒng)響應(yīng)更快[16]。忽略開關(guān)損耗并假設(shè)都是理想開關(guān)，可得到如下狀態(tài)空間方程[14]：

(1)

式中：Lb、Lsc分別為為蓄電池和超級電容器雙向DC/DC變換器電感；Rlb、Rlsc分別為電感Lb、Lsc的寄生電阻；vbus為母線電壓；ib、isc分別為蓄電池和超級電容的輸出電流；vb、vsc分別為蓄電池和超級電容的端電壓；d1、d2分別為開關(guān)S1、S2的占空比；im為等效電流源。

2 混合儲能控制方案

根據(jù)引言所述，可知對微電網(wǎng)孤島運行時混合儲能系統(tǒng)控制策略的基本要求有：

1)建立一個穩(wěn)定的母線電壓，使其處于允許范圍內(nèi)；

2)超級電容容量較小，在超級電容SOC處于不同狀態(tài)下，都能維持母線電壓的穩(wěn)定。

2.1 蓄電池與超級電容功率分配

蓄電池與超級電容的功率分配是混合儲能控制策略的第1個主要問題，目的是使超級電容補償高頻功率波動，蓄電池補償?shù)皖l功率波動，提高儲能系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少蓄電池充放電次數(shù)，并降低蓄電池輸出功率變化率，延長蓄電池使用壽命。

傳統(tǒng)的方法是使用數(shù)字濾波器對混合儲能系統(tǒng)輸出功率或蓄電池輸出電流進行濾波，得到低頻波動的功率或電流，作為蓄電池的參考值，再用經(jīng)典控制理論進行跟蹤，該方法的控制過程較為復(fù)雜。發(fā)現(xiàn)雙向DC/DC變換器自身就有LC電流濾波器，如圖3虛線框內(nèi)所示。若利用蓄電池與超級電容所連接的電流濾波器，設(shè)置二者的時間常數(shù)，就可能起到分離高低頻功率的作用，從而省去數(shù)字濾波器及部分采集電路和控制電路，加快響應(yīng)速度，同時降低了成本。下面從理論和實驗兩方面驗證該策略的可行性。

圖3 雙向DC/DC變換器Fig.3 Bidirectional DC/DC converter

如圖3所示，虛線框內(nèi)是一個LC濾波電路，作用是濾除斬波開關(guān)輸出電流中的脈動成分，隨著電感量的增大，濾波器的電磁時間常數(shù)就會變大，使得電感電流對占空比變化的響應(yīng)速度變慢，反之減小電感量會加快電感電流對占空比變化的響應(yīng)速度。因此，若使蓄電池端濾波器的時間常數(shù)大于超級電容端的濾波器時間常數(shù)，會使微電網(wǎng)功率波動時，超級電容的響應(yīng)速度快，補償高頻變化部分，剩余的低頻部分則由蓄電池補償；但蓄電池電感量的提高勢必會增加變換器的體積和成本，因此嘗試在保證蓄電池端電感量不變的情況下，減小超級電容端電感量，提高其響應(yīng)速度，雖然會增大超級電容電流紋波，但電流紋波對可快速充放電的超級電容并不會造成較大影響。

2.2 雙重電壓閉環(huán)控制策略

(2)

圖4 混合儲能控制策略框圖Fig.4 Block diagram of control strategy for hybrid energy storage

雙重電壓閉環(huán)控制策略的特別之處在于用2個電壓閉環(huán)穩(wěn)定母線電壓，形成雙重電壓保護。這樣控制的好處有：1)超級電容SOC達到限定值時，保護電路將超級電容從電路切除，此時蓄電池獨立工作仍能保持母線電壓的穩(wěn)定，且無需變換控制模式，省去邏輯判斷等環(huán)節(jié)，提高控制系統(tǒng)的快速性與微電網(wǎng)的電能質(zhì)量；2)蓄電池和超級電容具有獨立閉環(huán)，之間耦合作用較小，可以分別按單輸入單輸出系統(tǒng)進行設(shè)計，減少補償器設(shè)計的工作量。

3 混合儲能系統(tǒng)頻域分析

用Matlab畫出閉環(huán)傳遞函數(shù)的幅頻特性如圖5所示。

圖5 混合儲能系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)幅頻特性曲線Fig.5 Bode diagram of closed-loop transfer function of hybrid energy storage system

4 仿真及實驗研究

為了驗證上述混合儲能控制方法的有效性，采用Matlab/SIMULINK進行仿真，并搭建混合儲能實驗平臺，并對仿真和實驗結(jié)果進行對比，仿真和實驗采用相同電路參數(shù)，如表1所示。

表1 電路參數(shù)Table 1 Circuit parameters

4.1 仿真結(jié)果

擾動都選擇極限情況，即階躍函數(shù)進行仿真。圖6為蓄電池與超級電容啟動后，1 s時im從0.4A跳變到-0.4A，混合儲能系統(tǒng)從放電狀態(tài)突變到充電狀態(tài)。從圖6(a)可知，在超級電容的快速響應(yīng)下微網(wǎng)母線電壓保持穩(wěn)定，基本沒有波動，蓄電池的輸出電流變化緩慢，恰與階躍函數(shù)通過低通濾波器后的波形相吻合，證明蓄電池補償?shù)皖l功率波動，同理超級電容補償高頻功率波動。

圖6(b)為蓄電池與超級電容啟動后，1s時im從0.4 A跳變到0.8 A，從圖中可以看出母線電壓波動遠遠小于1 V，同時ib變化平緩，輸出功率變化率較小，可以有效延長蓄電池使用壽命。

圖6 im變化時仿真波形Fig.6 Simulation waveforms when im changes

4.2 實驗結(jié)果

在上述研究的基礎(chǔ)上，搭建了如圖7所示的蓄電池-超級電容混合儲能實驗平臺，由于理想的可控電流源較難實現(xiàn)，采用可控電壓源vd與可變電阻Rd串聯(lián)等效可控電流源im，首先令vd為60 V，Rd為100 Ω，進行以下操作：

1)使vd跳變到140 V，Rd不變，可模擬im從0.4 A跳變到-0.4 A；

2)使Rd跳變到50 Ω，vd不變，可模擬im從0.4 A跳變到0.8 A。

實驗電路參數(shù)與仿真參數(shù)相同，采用DSP2812對電路進行控制。由于DSP2812能夠接受的電壓輸入為0～3.3 V，且要求較高采樣精度，本文選用宇波模塊CHV-25P霍爾電壓傳感器實現(xiàn)電壓采樣。驅(qū)動電路采用光耦隔離驅(qū)動，采用74HC04芯片實現(xiàn)驅(qū)動信號從3.3 V到5 V的電平轉(zhuǎn)換，再通過帶光耦隔離功能的TLP250芯片來實現(xiàn)驅(qū)動信號的隔離，從而實現(xiàn)MOSFET的開通和關(guān)斷。電流探頭設(shè)置在100 mv/A，電壓探頭10倍衰減。

按與仿真相同的步驟，1 s時vd從60 V跳變到140 V，im從0.4 A跳變到-0.4 A，得到如圖8所示的實驗結(jié)果。從圖中可以看出vbus保持穩(wěn)定，但由于電磁干擾等問題，vbus存在一些毛刺，ib雖存在少量超調(diào)，但變化率較小，較為平緩，與仿真結(jié)果基本相同。

圖7 混合儲能實驗平臺Fig.7 Hybrid energy storage experimental platform

圖8 im從0.4 A跳變到-0.4 A 實驗波形Fig.8 Experimental waveforms when im changes to -0.4 A from 0.4 A

圖9為蓄電池與超級電容啟動后，1s時vd維持在60 V不變，Rd從100 Ω跳變到50 Ω，im從0.4 A跳變到0.8 A。將時間刻度增大到500 ms/div后，可以看出，負載增大使vbus毛刺增大，但仍穩(wěn)定在100 V，ib依舊較為平緩。

圖9 im從0.4 A跳變到0.8 A實驗波形Fig.9 Experimental waveforms when im changes to 0.8 A from 0.4 A

從實驗結(jié)果可以看出，im變化時，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本相同，混合儲能系統(tǒng)可以維持微電網(wǎng)母線電壓的穩(wěn)定，并且超級電容補償高頻波動，蓄電池補償?shù)皖l波動，減小蓄電池輸出功率的變化率，延長蓄電池的使用壽命。

5 結(jié) 論

本文針對微電網(wǎng)孤島運行狀態(tài)，提出一種新型蓄電池-超級電容混合儲能系統(tǒng)控制方案，對傳統(tǒng)方案進行改進，省去數(shù)字濾波環(huán)節(jié)，在超級電容剩余電量達到限定值時，無需改變控制模式，仍能維持母線電壓的穩(wěn)定，提高微電網(wǎng)可靠性。通過建立小信號模型及幅頻特性曲線理論上驗證了所提控制策略的可行性，仿真和實驗研究實際上驗證了所提控制策略的可行性。

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Control strategy of hybrid energy storage under microgrid islanding operation state

HOU Shi-ying1， BI Xiao-hui2， SUN Tao1， MAO Rui3， YU Hai-wei1

(1.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New technology,Chongqing University,Chongqing 400044,China；2.State Grid Sichuan Tianfu Electric Power Supply Company,Chengdu 610041,China; 3.State Grid SichuanRenshou County Electric Power Supply Branch,Meishan 620500,China)

Differences of energy storage system control strategy between islanding operation state and islanding operation state were analyzed,and a new battery-super capacitor hybrid energy storage system control strategy was proposed for the islanding operation state.For traditional control strategy,it cannot stabilize bus voltage when the ultra capacitor reach the threshold and cannot function properly,moreover,its response speed is slow and is difficultly implemented due to its over many logic and digital filters.Thus,a double voltage closed-loop control strategy combined with the use of LC filter in bi-directional DC/DC converter was employed,which spared the digital filters.When the remaining battery of super capacitor reached the threshold,it can stabilize bus voltage without changing control mode,which developed the reliability of micro-grid.Finally,the correctness and feasibility of proposed control strategy was verified by frequency analysis,simulation analysis and experimental studies.

microgrid; islanding operation; hybrid energy storage; control strategy; small signal modeling

2015-07-01

國家“111”計劃項目(B08036)

侯世英(1962—)，女，博士，教授，研究方向為新能源發(fā)電技術(shù)； 畢曉輝(1990—)，男，碩士，研究方向為新能源發(fā)電儲能系統(tǒng)分析與控制； 孫 韜(1975—)，男，博士，副教授，研究方向為新能源發(fā)電技術(shù)； 毛 瑞(1991—)，女，碩士，研究方向為風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)； 余海威(1992—)，男，碩士研究生，研究方向為新能源發(fā)電儲能系統(tǒng)分析與控制。

畢曉輝

10.15938/j.emc.2017.05.003

TM 312

A

1007-449X(2017)05-0015-08