復(fù)合儲(chǔ)能中蓄電池荷電狀態(tài)的自適應(yīng)控制策略

任 帥，趙興勇，趙 龍，高鵬彥，李 越

（山西大學(xué) 電力工程系，太原030013）

近年來，隨著可再生能源的發(fā)展，微電網(wǎng)得到廣泛運(yùn)用。 由于直流微電網(wǎng)沒有無功功率、諧波電流、 直流/交流轉(zhuǎn)換損耗等交流微電網(wǎng)中存在的問題，所以，有關(guān)直流微電網(wǎng)方面的研究逐漸增加[1]。穩(wěn)定直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中的直流母線電壓，保證系統(tǒng)功率平衡是直流微電網(wǎng)的研究重點(diǎn)之一[2]。 由于光伏、風(fēng)電等可再生能源在不同的時(shí)間尺度上存在不同的波動(dòng)特征，單一儲(chǔ)能很難在技術(shù)經(jīng)濟(jì)性上滿足其平抑要求。 因此，多類型儲(chǔ)能得到了廣泛應(yīng)用，其中能量型儲(chǔ)能吸收長(zhǎng)時(shí)間尺度頻率波動(dòng)較小的可再生能源功率，而功率型儲(chǔ)能吸收短時(shí)間尺度頻率波動(dòng)較大的可再生能源功率[3]。

1 復(fù)合儲(chǔ)能蓄電池荷電狀態(tài)的研究現(xiàn)狀

在復(fù)合儲(chǔ)能中，一組蓄電池?zé)o法滿足平抑任務(wù)的要求，通常由幾組或多組蓄電池分布式接入微電網(wǎng)與超級(jí)電容器， 以共同承擔(dān)平抑功率波動(dòng)的任務(wù)。 當(dāng)多組蓄電池同時(shí)存在時(shí)，若不按照蓄電池的荷電狀態(tài)進(jìn)行功率分配，過度地充電、放電會(huì)使蓄電池退出工作。 因此，在充電時(shí)，荷電狀態(tài)高的蓄電池以小電流充電，荷電狀態(tài)低的蓄電池以大電流充電；在放電時(shí)，荷電狀態(tài)高的蓄電池以大電流放電，荷電狀態(tài)低的蓄電池以小電流放電，進(jìn)而達(dá)到各蓄電池組的荷電狀態(tài)均衡[4-5]。

文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]分別采用高通濾波器和一階低通濾波器對(duì)蓄電池和功率型儲(chǔ)能元件進(jìn)行功率分配，但是二者都沒考慮蓄電池的荷電狀態(tài)。 文獻(xiàn)[8]通過功率平衡控制可以實(shí)現(xiàn)蓄電池間的荷電狀態(tài)均衡，但是蓄電池之間會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。 文獻(xiàn)[9]將蓄電池與超級(jí)電容級(jí)聯(lián)，通過蓄電池給超級(jí)電容提供電能維持母線電壓穩(wěn)定，但是控制較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[10-12]都通過復(fù)合儲(chǔ)能平抑了母線功率波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了直流母線電壓穩(wěn)定，但均未考慮蓄電池間的荷電狀態(tài)均衡問題。

基于上述問題，在此針對(duì)復(fù)合儲(chǔ)能中蓄電池組間的荷電狀態(tài)的不均衡問題，提出蓄電池荷電狀態(tài)自適應(yīng)控制策略。 首先，根據(jù)直流母線電壓波動(dòng)情況，通過改進(jìn)下垂控制得到總的平抑電流，經(jīng)過低通濾波器，根據(jù)蓄電池與超級(jí)電容器的特點(diǎn)，把高頻波動(dòng)分量給到超級(jí)電容，把低頻波動(dòng)分量給到蓄電池組。 然后，根據(jù)各個(gè)蓄電池的荷電狀態(tài)，通過電流分配控制使蓄電池合理分配平抑電流，達(dá)到蓄電池荷電狀態(tài)的均衡，從而避免部分蓄電池組過充或過放， 延長(zhǎng)復(fù)合儲(chǔ)能使用壽命并使其平抑效果最佳。最后通過MatLab/Simlink 進(jìn)行仿真。該控制策略不僅使復(fù)合儲(chǔ)能維持直流母線電壓穩(wěn)定，還使蓄電池的荷電狀態(tài)達(dá)到均衡，驗(yàn)證了該策略的可行性和有效性。

2 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與母線電壓控制策略

2.1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、負(fù)載、電力電子變換器等構(gòu)成了直流微電網(wǎng)。 光伏單元和風(fēng)力機(jī)組分別通過DC/DC 變換器和AC/DC 變換器接入直流母線，儲(chǔ)能單元通過雙向DC/DC 變換器接入直流母線。

對(duì)于儲(chǔ)能部分而言，單一儲(chǔ)能系統(tǒng)一般只包含蓄電池，而復(fù)合儲(chǔ)能（蓄電池和超級(jí)電容）相對(duì)于單一儲(chǔ)能系統(tǒng)包含了功率型儲(chǔ)能裝置。 功率型儲(chǔ)能裝置可以提高儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)速度，延長(zhǎng)蓄電池，減小母線電壓波動(dòng)等。

在此所研究的復(fù)合儲(chǔ)能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。在復(fù)合儲(chǔ)能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，n 組蓄電池和1 個(gè)超級(jí)電容（在復(fù)合儲(chǔ)能中主要儲(chǔ)能單元為蓄電池，故提出n 組蓄電池一組超級(jí)電容的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）分別通過雙向DC-DC 變換器連接到直流母線。該結(jié)構(gòu)不僅可以提高能量調(diào)度的靈活性，還有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。

圖1 本文直流微電網(wǎng)Fig.1 DC microgrid in this paper

微電網(wǎng)在偏遠(yuǎn)山區(qū)或海島的孤島運(yùn)行十分重要，儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性對(duì)微電網(wǎng)功率的平衡有很大影響，故在此研究直流微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行[13-14]。 在忽略線路、電力電子變換器等損耗時(shí)，系統(tǒng)功率平衡關(guān)系為

其中

Pb，sum＝Pb1+Pb2+…+Pbn

式中：Pload為負(fù)荷的功率；Ppv為光伏電池的功率；Pb，sum為所有蓄電池組的總功率；Psc為超級(jí)電容的功率；Pb1，Pb2，Pbn為單個(gè)蓄電池的功率。

2.2 直流母線電壓控制策略

采用傳統(tǒng)下垂控制來研究母線電壓波動(dòng)與復(fù)合儲(chǔ)能電流的關(guān)系， 由于光伏輸出功率的波動(dòng)性，母線電壓不可能一直穩(wěn)定于某一值，實(shí)際上母線電壓可以有小幅度波動(dòng)，但要穩(wěn)定于某一范圍內(nèi)。 故在此采用改進(jìn)的下垂控制，如圖2 所示。

當(dāng)UL≤Udc≤UH時(shí)， 復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)不工作；當(dāng)Udc≤UL時(shí)，復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，取Udc，ref=UL；當(dāng)Udc≥UH時(shí)，復(fù)合儲(chǔ)能充電，取Udc，ref=UH。得到復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的電流參考值計(jì)算公式為

圖2 改進(jìn)的電壓-電流下垂控制Fig.2 U-I droop control

3 混合儲(chǔ)能的控制策略

蓄電池電流分配的主要目的是確保各個(gè)蓄電池可以達(dá)到能量均衡，避免造成某個(gè)蓄電池的過度充電和深度放電。 在此提出了一種針對(duì)復(fù)合儲(chǔ)能中蓄電池荷電狀態(tài)自適應(yīng)控制策略。

復(fù)合儲(chǔ)能的控制框圖如圖3 所示。 電流分配控制依據(jù)蓄電池的荷電狀態(tài)計(jì)算分配系數(shù)， 放電時(shí)，荷電狀態(tài)高的蓄電池電流分配系數(shù)大，荷電狀態(tài)低的蓄電池電流分配系數(shù)小；充電與放電相反。 蓄電池的總參考電流通過電流分配控制得到蓄電池的參考電流，再經(jīng)過電流閉環(huán)控制使蓄電池的荷電狀態(tài)達(dá)到均衡。

圖3 復(fù)合儲(chǔ)能控制框圖Fig.3 Control diagram of hybrid energy storage

3.1 蓄電池與超級(jí)電容的功率分配

通過改進(jìn)下垂控制求得復(fù)合儲(chǔ)能電流參考值Ihess，ref，經(jīng)過低通濾波器，得到的低頻部分即為蓄電池所需平抑的功率參考值Ib，sum，ref（假設(shè)當(dāng)功率變化時(shí)，直流母線電壓為恒定值，母線功率變化可以認(rèn)為是母線電流變化）。 由于蓄電池不是功率型元件，功率不能發(fā)生突變，復(fù)合儲(chǔ)能功率參考值與蓄電池功率實(shí)際值之差，即為超級(jí)電容器所需平抑的功率波動(dòng)參考值Isc，ref， 則蓄電池與超級(jí)電容器的功率分配關(guān)系為

式中：T 為濾波時(shí)間常數(shù)。通過改變T 的大小可以改變蓄電池平抑功率參考值的大小。 功率分配結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 功率分配結(jié)構(gòu)Fig.4 Power distribution structure

3.2 電流分配控制

對(duì)于直流母線電壓波動(dòng)，可以采用復(fù)合儲(chǔ)能的改進(jìn)下垂控制來穩(wěn)定直流母線電壓，并根據(jù)各個(gè)蓄電池荷電狀態(tài)SOC（state of charge）的大小自動(dòng)分配平抑電流。 直流母線電壓偏差ΔU 為

且當(dāng)ΔU＞0 時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，當(dāng)ΔU＜0 時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)放電。 蓄電池k 的SOC 計(jì)算公式為[15]

式中：Sck（t），Sck（0）分別為第k 個(gè)蓄電池t 時(shí)刻荷電狀態(tài)與初始荷電狀態(tài)；Ik（τ）為第k 個(gè)蓄電池的充放電電流；Cbatk為第k 個(gè)蓄電池的容量。 因此，第k 個(gè)蓄電池SOC 的變化量可表示為

由式（6）可得，當(dāng)蓄電池容量相等時(shí)，SOC 的變化量取決于蓄電池充放電電流的大小。 因此各個(gè)不同的SOC 儲(chǔ)能電池電流分配原則如下：

式中：Sc，max，Sc，min分別為蓄電池的最大、最小SOC；Sc*為蓄電池充放電的參考值， 充電時(shí)Sc*=0， 放電時(shí)Sc*=1；lk為第k 個(gè)蓄電池的電流分配系數(shù)， 且l1+l2+…+lk+…+ln=1。

由分配原則（7）可知，當(dāng)蓄電池充電時(shí)，SOC 較大的蓄電池以較小電流充電，SOC 較小的蓄電池以較大電流充電； 當(dāng)蓄電池放電時(shí)，SOC 較大的蓄電池以較大電流放電，SOC 較小的蓄電池以較小電流放電。 隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，最終可以實(shí)現(xiàn)蓄電池間的荷電狀態(tài)均衡， 并且當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)達(dá)到均衡后，相同荷電狀態(tài)的蓄電池，會(huì)以相同大小的電流充放電。 使蓄電池組內(nèi)的荷電狀態(tài)達(dá)到均衡，避免某些蓄電池過充或過放。

4 算例分析

為了證明所提復(fù)合儲(chǔ)能蓄電池部分荷電狀態(tài)自適應(yīng)控制策略的有效性， 在此利用MatLab 搭建模型并進(jìn)行仿真分析。

為了便于分析，光伏模塊為最大功率點(diǎn)運(yùn)行模式，即MPPT（maximum power point tracking）模式。其光伏功率Ppv=500 W，直流母線電壓Udc=50 V，UL=49 V，UH=51 V，當(dāng)49 V＜Udc＜51 V 時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)不工作。

取1 臺(tái)超級(jí)電容與2 組蓄電池作為復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)， 超級(jí)電容器容量C=29 F，2 組蓄電池的容量Cbat1=Cbat2=2 A·h； 初始荷電狀態(tài)為Sc1=40%，Sc2=60%；負(fù)載在0～1 s 時(shí)Pload=500 W，在1 s 以后負(fù)荷突增200 W， 達(dá)到Pload=700 W； 下垂系數(shù)取k1=k2=0.3。 需要說明的是，為了能夠更直觀地了解直流母線電壓變化和復(fù)合儲(chǔ)能功率變化，圖5～圖7 仿真時(shí)間均取2 s。

4.1 未加儲(chǔ)能裝置

圖5 未加復(fù)合儲(chǔ)能負(fù)荷突增時(shí)的直流母線電壓Fig.5 DC bus voltage without hybrid energy storage when load suddenly increasing

負(fù)荷突增時(shí)，未加儲(chǔ)能裝置的直流母線電壓波形如圖5 所示。 由圖可見，當(dāng)負(fù)荷功率Pload=500 W時(shí)，母線電壓為49.7 V，基本保持恒定；當(dāng)1 s 負(fù)荷功率變?yōu)?00 W 后，直流母線電壓下降至42.3 V，超出直流母線電壓穩(wěn)定范圍47.5～52.5 V。

4.2 加入儲(chǔ)能裝置

4.2.1 直流母線電壓

加入復(fù)合儲(chǔ)能，負(fù)荷突增時(shí)，直流母線電壓的變化情況如圖6 所示。 由圖可見，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，母線電壓產(chǎn)生了很小的波動(dòng)，便很快又穩(wěn)定到50.2 V，使得直流微網(wǎng)能夠良好正常運(yùn)。

圖6 加入復(fù)合儲(chǔ)能負(fù)荷突增時(shí)的直流母線電壓Fig.6 DC bus voltage with hybrid energy storage when load suddenly increasing

4.2.2 蓄電池與超級(jí)電容的各自功率分配

復(fù)合突增時(shí)超級(jí)電容與蓄電池各自的輸出功率如圖7 所示。 由圖可見，當(dāng)1 s 時(shí)負(fù)荷發(fā)生突變，超級(jí)電容器響應(yīng)速度快，蓄電池以200 W 的功率放電，維持直流系統(tǒng)功率平衡，利用各自本身的特性，很好地維持了直流母線電壓穩(wěn)定。

圖7 蓄電池與超級(jí)電容的功率Fig.7 Respective power of the battery and the super capacitor

4.2.3 蓄電池單元的各自功率分配

蓄電池各自輸出功率如圖8 所示。 當(dāng)1 s 負(fù)載突變時(shí)，蓄電池1 以80 W 的功率開始放電，其放電功率逐漸增加； 蓄電池2 以120 W 的功率進(jìn)行放電，其放電功率逐漸減小。 蓄電池1 荷電狀態(tài)小以小功率放電， 蓄電池2 荷電狀態(tài)大以大功率放電，遵循了荷電狀態(tài)大的以大功率放電，荷電狀態(tài)小的以小功率放電原則。在43 s 時(shí)，蓄電池1 和蓄電池2功率Pb1，Pb2達(dá)到平衡，2 組蓄電池以100 W 的功率進(jìn)行放電。

圖8 蓄電池功率分配Fig.8 Respective power of the battery

4.2.4 蓄電池單元的各自功率分配

蓄電池SOC 變化曲線如圖9 所示。 由圖可見，當(dāng)1 s 時(shí)，負(fù)荷發(fā)生突變，蓄電池2 的SOC 從60%開始下降，蓄電池1 的SOC 從40%開始下降，且蓄電池2 比蓄電池1 的SOC 下降得快。 當(dāng)43 s 時(shí)，蓄電池1 與蓄電池2 的SOC 均達(dá)到18%，并且當(dāng)SOC達(dá)到平衡后， 以相同功率100 W 給直流微網(wǎng)供電，使蓄電池SOC 一直保持均衡。

圖9 蓄電池的SOCFig.9 SOC of battery

5 結(jié)語

針對(duì)直流微網(wǎng)復(fù)合儲(chǔ)能中蓄電池間的荷電狀態(tài)不均衡問題，提出了一種蓄電池荷電狀態(tài)自適應(yīng)的復(fù)合儲(chǔ)能控制策略。 通過MatLab/Simlink 建模仿真表明：采用改進(jìn)下垂控制，減少了電力電子開關(guān)的不必要?jiǎng)幼鳎辉谪?fù)荷突變的情況下，超級(jí)電容器提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速率，蓄電池提供了系統(tǒng)功率缺額，使微電網(wǎng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行；在保證復(fù)合儲(chǔ)能發(fā)揮原有優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上， 使蓄電池間荷電狀態(tài)達(dá)到均衡，有效避免某些蓄電池過充或過放。