脈沖型負載用混合儲能系統功率自分配控制

張 衡,孫世宇,3,谷志鋒,馮高輝,劉正春

(1.陸軍工程大學石家莊校區，石家莊 050003；2.石家莊鐵道大學，石家莊 050043；3.山東華宇工學院，山東 德州 253034；4.北京清盛電氣科技研究院，北京 100084)

脈沖型負載是一種特殊的非線性負載，其主要特征為功率需求變化明顯且呈周期性，以雷達、通信設備為代表的脈沖負載，其脈沖周期的范圍涵蓋幾十至數百ms，功率需求呈現出明顯的脈沖特性，具有平均功率低、峰值功率大的特點[1]。野外條件下有限容量的微網難以滿足脈沖型負載功率特殊的需求[2]，工程上常用儲能單元平抑母線上的功率波動，能量型儲能單元續航能力強，但其放電速度跟不上脈沖負載功率變化速度；功率型儲能單元放電速度快，能夠迅速響應脈沖負載功率需求，但在續航能力上存在巨大缺陷，且經濟性較差。單一性能的儲能單元已無法滿足脈沖型負載的功率需求，因此通過整合能量型和功率型儲能單元的優勢，構建了混合儲能系統。

為了提升儲能系統的性能，國內外學者通過整合能量型和功率型儲能單元的優勢，構建了混合儲能系統，并就如何協調管理混合儲能系統來平抑功率波動進行了大量探究。文獻[3]詳細介紹了混合儲能系統多種拓撲結構，并對不同拓撲適用范圍進行分析；文獻[4]采用濾波算法區分負載側功率的高低頻分量，作為相應儲能單元的指令值，該方法需要對混合儲能系統集中控制，降低了系統的可靠性；文獻[5-6]采用在下垂控制中引入電壓波動率，提高了混合儲能系統對母線電壓波動的靈敏度；文獻[7]采用級聯拓撲的混合儲能系統，超級電容優先響應母線上的電壓波動，有效減少了蓄電池的充放電次數，但該方法增加了控制的難度；文獻[8-9]提出基于虛擬電阻和虛擬電容的下垂控制，實現了下垂條件下的高低頻分配，但該方法降低了蓄電池低頻響應能量。文獻[10]采用阻感和阻容的下垂方法，提高了動態條件下儲能單元的高低頻響應能量，但控制參數增多，增大控制難度。文獻[11-12]綜合考慮儲能單元荷電狀態，通過SOC反饋環節適當調節功率分配，從而優化混合儲能系統功率的分配。文獻[13-14]采用粒子群算法找出目標函數下的系統最優解，但全局的尋優算法限制了混合儲能系統的擴展。

為解決脈沖型負載的功率需求問題，實現高低頻功率的合理分配，本文采用蓄電池基于虛擬電感、超級電容基于虛擬電容的下垂控制方法，相比于傳統濾波算法的混合儲能控制方法，基于下垂控制的混合儲能系統具備可擴展性且可靠性強，即使單個儲能單元出現故障，混合儲能系統仍能穩定運行。

1 混合儲能系統功率自分配穩定控制

本文采用蓄電池-超級電容混合儲能系統應對脈沖型負載，該拓撲下更有利于觀察脈沖型負載對直流母線電壓波造成的影響，以及混合儲能系統中不同儲能單元的響應特性和出力大小，混合儲能系統拓撲如圖1所示。

1.1 基于虛擬電感的能量型儲能單元穩定控制

能量型儲能單元具有能量密度大、可持續性強的特點，主要用于提供負載側的低頻功率需求。儲能單元通過DCDC變換器接入直流母線，可實現電壓的升降和功率的雙向流動。蓄電池采用基于虛擬電感的下垂控制方法，其下垂控制表達式為

udc1=udcref-idc1·sL

(1)

式中：udc1為蓄電池變化器端的輸出電壓；udcref為變換器端空載時的電壓；L分別為虛擬電感的取值；idc1為變換器端口的輸出電流；s為微分環節，單獨使用時容易導致系統產生擾動，因此考慮加入慣性環節，提高控制系統的穩定性。其中T為慣性環節的時間常數，取T=0.01 s。

(2)

控制環節為電壓外環電流內環的雙環控制，通過調節PI參數，使得外環電壓環的帶寬遠小于內環電流環的帶寬，將電流內環近似為1處理，得到簡化控制框圖如圖2[7]。

圖1 混合儲能系統結構圖

圖2 虛擬電感下垂控制框圖

根據控制框圖求出輸出電流與輸出電壓間的傳遞函數，即虛擬電感下垂控制的輸出阻抗：

(3)

輸出阻抗伯德圖如圖3。從輸出阻抗bode圖分析可得，頻率較低時，輸出阻抗呈現出感性的低阻抗特性；當頻率過高時，受變換器輸出電容的影響呈現出純容性的特征。虛擬電感取值過大影響輸出阻抗的低頻響應；虛擬電感取值過小，其高頻響應會增加，因此虛擬電感L取值數量級為10-1～10-2H。

1.2 基于虛擬電容的功率型儲能單元穩定控制

功率型儲能單元具有功率密度大、響應速度快的特點，主要用于提供負載側的高頻功率需求。類比蓄電池下垂控制，設計超級電容下垂控制器，將虛擬電感改為虛擬電容代入下垂控制中，其下垂控制表達式為

(4)

式中：udc2為超級電容變化器端的輸出電壓；udcref為變換器端空載時的電壓；C分別為虛擬電容的取值；idc2為變換器端口的輸出電流；1/s為積分環節。超級電容簡化的控制框圖如圖4。

圖3 虛擬電感變化時輸出阻抗頻率響應仿真

圖4 虛擬電容下垂控制框圖

輸出阻抗為

(5)

輸出阻抗伯德圖如圖5所示。從圖5分析可得：輸出阻抗在低頻段呈現出容性的高阻抗特性，但隨著頻率升高，阻抗值逐漸減小。輸入頻率過高時，輸出阻抗受變換器輸出電容的影響呈現出純容性。從幅頻特性可以看出轉折點隨虛擬電容取值的增大向左下移動，確定參數時需確保輸出阻抗具有良好的低頻高阻抗特性和高頻低阻抗特性，并良好匹配虛擬電感大小，虛擬電容取值數量級為10-1～10-2F。

圖5 虛擬電容變化時輸出阻抗頻率響應

1.3 分布式混合儲能功率自分配穩定控制

基于不同虛擬阻抗的下垂控制等效電路模型如圖6所示。

圖6 混合儲能系統等效電路模型

忽略線路阻抗的影響，由式(2)、式(4)得出負載電流分配的表達式為

(6)

(7)

可以看出：在下垂控制下儲能單元按照阻抗比例進行分配，分配函數G1(s)相比較于二階巴特沃斯低通濾波函數分母上多了s項，因此蓄電池將承擔更多的中頻功率，對于容量有限的超級電容而言，只承擔部分高頻功率更經濟適用。

下垂控制電流分配系數的頻率響應曲線如圖7。從圖7可以看出：基于虛擬電感、電容的下垂控制能夠有效區分負載側電流的高低頻，使功率的分配與儲能單元的響應速度相匹配。其濾波時間常數大小取決于虛擬電感、虛擬電容的值。

圖7 下垂控制電流分配系數的頻率響應

2 多混合儲能協調控制

基于虛擬阻抗的下垂控制方法實現了功率型和能量型儲能的結合，發揮了不同特性儲能單元的優勢。為擴展系統容量、提高混合儲能系統的靈活性，驗證該控制方法在多混合儲能條件下的可行性。m個蓄電池和n個超級電容并聯，由下垂控制的特性可知：

(8)

(9)

由式(9)得出：多混合儲能并聯時，下垂控制能夠區分高低頻功率需求；在母線電壓波動條件下，儲能單元能夠按照虛擬阻抗的大小進行再分配。

3 仿真實驗分析

為比較基于虛擬電感和虛擬電容的下垂控制與傳統虛擬電阻控制在混合儲能系統中的控制效果，設計實驗1、2；此外，為驗證虛擬電容和電感下垂控制的可擴展性和按比例分配特性設計實驗3、4。具體實驗數據如表1所示。

表1 仿真系統參數

3.1 傳統下垂與改進下垂控制效果分析對比

實驗1：傳統基于虛擬電阻下垂控制蓄電池-超級電容混合并聯運行實驗。

實驗對象：蓄電池1，超級電容1，虛擬電阻均為0.1 Ω。

由圖8可知：基于傳統純阻性下垂控制方法不能夠有效區分負載功率的高低頻需求，造成蓄電池和超級電容的同步動作，不能充分發揮不同特性電源的優勢，出現分配不合理現象，且蓄電池的頻繁充放電嚴重損害蓄電池的使用壽命。

圖8 混合儲能輸出功率與負載功率波形

實驗2：基于虛擬電感和虛擬電容下垂的蓄電池-超級電容混合并聯運行實驗。

實驗對象：蓄電池1，超級電容1，虛擬電感為0.1H，虛擬電容為0.01F。

從圖9可以看出：負載穩定時，超級電容不輸出功率，蓄電池承擔全部功率；負載突變時，超級電容迅速動作，響應負載功率的高頻部分，蓄電池緩慢補償，通過混合儲能的共同作用滿足負載的功率需求，該方法有效區分了負載側功率需求的高低頻分量。從圖10可得：在負載突變時，母線電壓呈現出波動趨勢，反映出過高頻率的功率需求超出混合儲能補償能力，因此出現的電壓波動現象。

圖9 混合儲能輸出功率與負載功率波形

圖10 直流母線電壓波形

3.2 改進下垂控制可擴展性驗證分析

實驗3：超級電容并聯時混合儲能不對稱運行實驗。

實驗對象：蓄電池1，超級電容1、2。

從圖11可以看出：超級電容并聯條件下混合儲能不對稱運行能夠識別負載側高低頻功率需求，且超級電容并聯部分將高頻功率按照虛擬電容的比例進行分配，不僅實現了功率高低頻的區分，也實現了對分頻后功率的合理分配。從圖12可以看出：增加了超級電容數量后，負載突變時造成的母線電壓波動得到了一定程度的抑制。

圖11 混合儲能輸出功率與負載功率波形

圖12 直流母線電壓波形

實驗4：蓄電池并聯時混合儲能不對稱運行實驗。

實驗對象：蓄電池1、2，超級電容1。

從圖13可以看出：蓄電池并聯條件下混合儲能不對稱運行同樣能夠區分不同頻率功率需求，且低頻功率由蓄電池并聯部分共同響應；穩態條件下，超級電容不動作，蓄電池按照相同輸出功率滿足負載側的需求，實驗證明了該方法動靜態條件下的性能。從圖14可以看出：蓄電池數量增加后，母線電壓穩態條件下穩定程度明顯提高。

圖13 混合儲能輸出功率與負載功率波形

圖14 直流母線電壓波形

4 結論

1)采用基于虛擬電感、電容的下垂控制方法，充分利用功率型和能量型儲能單元的充放電特性，有效平抑了脈沖型負載造成的母線電壓大幅波動。

2)在該控制方法下，不同類型的儲能單元能夠根據下垂特性區分高低頻功率，響應與之對應的功率部分。

3)在高低頻功率區分的基礎上，同類型的儲能單元能夠合理地對高頻或低頻的功率進行再分配。

4)該方法使混合儲能系統在拓撲結構上更加靈活，為混合儲能系統多種條件下的應用提供了技術支持。