微電網混合儲能系統充放電控制策略研究

潘 豐，程凡華，駱 聰，簡 好

(國網潛江供電公司 , 湖北 潛江 433100)

以風電、光伏、儲能蓄電池等分布式電源(distributed generation，DG)組成的微電網發展迅速，但DG的隨機性、間歇性直接影響微電網系統的穩定運行。尤其是儲能系統(energy storage system，ESS)作為微電網的重要環節[1-2]，如何實現其容量和功率的合理配置,利用電力電子器件的合理通斷平衡母線側與負荷側的功率差額以及微電網的穩定性等方面有待于更深入的探討[3-4]。

混合儲能系統中蓄電池和超級電容優良的充放電控制策略對微電網可靠運行意義重大。文獻[5-6]分析了微電網孤島模式下通過逆變器控制實現交流母線電壓和頻率的穩定，并未考慮到混合儲能系統的控制；文獻[7]依據蓄電池電流計算出超級電容電流實現兩者對直流母線側負荷的集中補償，直流母線電壓無法快速穩定；文獻[8-10]通過超級電容補償高頻功率分量、蓄電池補償低頻功率分量，但兩者無法分時分段獨立控制，未有效減小儲能電源充放電次數；文獻[11]提出了一種基于多滯環電流控制的混合儲能系統混合控制方法，忽略了電容瞬時充電電流過大以及蓄電池荷電狀態限值對控制效果的影響；文獻[12]假定光伏DG輸出功率和負荷功率波動時不影響直流母線電壓的穩定。

由此可見，當前研究只是單一的考慮超級電容、蓄電池以及逆變器控制來實現直流母線電壓穩定，而對于混合儲能系統中各儲能單元間的配合關系及如何實現充放電優化控制等缺乏進一步研究。本文在依據微電網容量配置合理功率的超級電容和蓄電池混合儲能系統下，提出了一種基于直流母線電壓穩定的混合儲能系統充放電控制策略，即在混合儲能系統外部、內部功率平衡約束下，充分利用超級電容快充特性、蓄電池的續沖特性協調配合，同時以超級電容電壓和蓄電池的荷電狀態(state of charge,SOC)為判斷條件，來實現混合儲能系統充放電控制模式間的平滑切換，并通過仿真驗證了該控制策略的正確性、有效性。

1 混合儲能系統結構及運行機理

分布式電源通過單向直流變換器、基于超級電容和蓄電池的混合儲能系統通過雙向直流變換器，將功率匯集到直流母線上，在穩定直流母線電壓的同時平衡直流負荷功率需求。直流母線側存在功率差額時，混合儲能系統通過外部功率平衡控制補償功率差額，通過內部功率平衡控制實現超級電容工作電壓的穩定和蓄電池的SOC及充放電次數。同時直流母線通過逆變器將功率輸出到微電網的公共交流母線，為微電網的本地負荷提供穩定可靠的交流電源。由于本文主要針對混合儲能系統的充放電控制展開討論，只需考慮孤島模式下微電網直流母線側的功率平衡和電壓穩定控制問題，基于混合儲能系統的微電網結構如圖1所示。Ppv為光伏DG向直流母線輸出的有功功率；Pess為儲能DG向直流母線注入的有功功率；Pload為直流負荷功率。

圖1 基于混合儲能系統的微電網結構

2 混合儲能系統控制策略

將混合儲能系統中超級電容等效為理想電容串聯內阻的簡化模型，混合儲能系統控制電路拓撲結構如圖2所示。

圖2中Udc為直流母線電壓，ibat為蓄電池電流，isc為超級電容電流，iess為混合儲能系統向直流母線側輸出電流，Ssoc為蓄電池荷電狀態，Usc為超級電容電壓。DC/DC1變換器始終工作于單端功率平衡模式，將PV(Photovoltaic)功率實時注入直流母線側，電感L1平抑Upv的波動，混合儲能控制系統依據Ssoc、Usc和Udc判斷DC/DC2和DC/DC3工作于雙電平的降壓式變換電路(Buck)或者升壓式變換電路(Boost)。

在光伏DG輸出功率Ppv和負荷功率Pload不平衡時，引起直流母線側的功率差額ΔPdc=Ppv-Pload，ΔPdc≠0時啟動儲能系統實現充放電控制平衡功率差額。當ΔPdc>0時，Udc超過額定值，S31、VD32導通，變換器DC/DC3工作在Boost電路模式，對超級電容進行充電，最終使得Udc降低到額定值附近；當ΔPdc<0時，S32、VD31導通，變換器DC/DC3工作在Buck電路模式，超級電容和蓄電池通過DC/DC3對直流母線側放電補充直流母線側的功率缺額。

圖2 混合儲能系統控制電路拓撲結構

2.1 直流母線電壓穩定控制

圖2中直流微電網不同DG之間功率滿足式(1):

Pess=Udciess=Pload-Ppv

(1)

又有Pess=Udciess=-ΔPdc，而且給定的Udc在同一工作模式下基本不變，則可認為電流iess與Pess在不同工作模式呈現一定的線性關系。因此，只需混合儲能系統能夠持續提供穩定的充放電電流，就能保證直流母線電壓穩定在允許波動的合理范圍內。直流母線電壓與直流母線的功率差額表示為

Udc=Udc_ref-α(Pload-Ppv)

(2)

iess=β(Udc_ref-Udc)

(3)

假定光伏DG和負荷功率波動時不影響直流母線電壓穩定能夠快速穩定，通過選擇合適的α和β，電流雙閉環反饋控制以及引入儲能系統充放電電流限幅環節，實現直流母線電壓穩定控制，具體控制框如圖3所示。

圖3 基于電壓電流雙閉環的直流母線電壓控制框圖

2.2 混合儲能系統外部功率平衡控制

圖4 微電網系統功率平衡控制流程圖

圖5 基于外部功率平衡DC/DC3變換器動作特性

(4)

2.3 混合儲能系統內部功率平衡控制

圖6 基于內部功率平衡DC/DC2變換器動作特性

(5)

3 仿真分析

由圖7仿真結果可以看出：圖7(a)中光伏發電系統的輸出功率在t=0.5 s時由900 W跟隨光照強度變化降低到600 W，輸出電壓基本不變；圖7(b)中在0～0.15 s時間段混合儲能系統無輸出，直流母線由于功率不平衡引起較大的波動，但在0.15 s以后混合儲能系統快速動態補償因t=0.5 s時，光伏發電系統輸出功率和t=0.3 s時負載功率變化引起的直流母線側的功率缺額，使得直流母線電壓始終穩定在200 V，驗證了上述基于混合儲能系統外部功率平衡控制策略的正確性及有效性。

(a)光伏發電系統MPPT相應輸出波形

(b)直流母線電壓和儲能系統輸出電流波形圖7 基于混合儲能系統的外部功率平衡控制仿真

由圖8仿真結果可以看出：圖8(a)中超級電容在負載突變及光伏發電系統輸出功率突變時，快速充放電的同時電容電壓穩定在70 V且小幅波動；圖8(b)中蓄電池進行吸收和釋放相應的能量以彌補超級電容功率差額，荷電狀態始終穩定在80%左右；圖8(c)中具有快充特性的超級電容彌補蓄電池不能快速放電和放電電流小的缺陷，二者互為補充，大大提升了混合儲能系統的響應速度，在穩定直流母線電壓的同時實現混合儲能系統內部功率的平衡。

(a)儲能系統中超級電容電壓電流波形

(b)儲能系統中蓄電池電流和荷電狀態波形

(c)基于蓄電池-超級電容儲能系統輸出電流波形圖8 基于混合儲能系統的內部功率平衡控制仿真

4 結論

本文針對儲能蓄電池和超級電容的充放電特性，提出了一種適用于微電網混合儲能系統充放電控制策略，仿真結果如下。

a. 選定合適的直流母線電壓穩定限值，有利于混合儲能系統與直流母線功率的動態平衡，實現了直流母線電壓的穩定控制。

b. 充分利用超級電容的快充特性，在實現蓄電池平滑充放電的同時減少了其充放電次數。

c. 以超級電容工作電壓和蓄電池的荷電狀態為控制目標，實現混合儲能系統中超級電容和蓄電池的內部功率平衡。

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