混合儲能系統的動態比例功率分配控制策略

張芳，張紅娟，高妍，楊磊，靳寶全

（1.太原理工大學電氣與動力工程學院，山西太原 030024；2.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，山西太原 030024）

由于資源匱乏和環境污染等問題，近年來儲能技術受到越來越多的關注[1]。蓄電池能夠存儲低頻信號的能量，但仍有一些弱點，如低溫下工作能力弱、循環壽命短、功率密度低[2]。超級電容器具有功率響應快、功率密度高和循環能力強的特點，因此被廣泛地應用在大功率場合[3-4]。但是要想實現超級電容器的突破性發展還需進一步解決能量密度低的問題。而混合儲能系統把兩個互補的儲能元器件相結合，能夠在提高儲能能力的同時，提高功率密度[5]。此外，還可以保護蓄電池免受峰值功率和負載波動的影響，延長其使用壽命，從而進一步提高系統的存儲效率[6-7]。

考慮到儲能器件功率和容量有限，必須通過控制器對其進行調控[8]。通過在儲能系統中的每個儲能器件和直流母線之間放置雙向DC/DC 變換器，能量可以被雙向調控。儲能系統存儲能量時不僅可以回收直流母線多余能量，而且可以減小和緩沖直流母線能量聚集造成的波動。釋放能量時，可以在給負載補充能量的同時，彌補直流母線電壓過低造成的電機故障停機現象。但是這增加了系統架構的復雜性，需要一種可靠的功率管理控制策略進行協調或優化管理來達到最優的充放電效率[9]。基本原理是根據超級電容器或蓄電池電流、電壓以及荷電狀態，按照負載變化的需求對系統中所有儲能裝置進行功率分配，使系統高效穩定運行[10]。因此，本文設計了基于交錯并聯式雙向DC/DC 控制器的混合儲能系統功率管理控制策略，通過動態方法調節蓄電池和超級電容器之間的功率分配比，并根據負載能量估計超級電容器和蓄電池的電流參考值。最后通過對階躍負載的不同運行工況進行仿真，驗證了控制策略的有效性和穩定性。

1 混合儲能系統模型

圖1為混合儲能系統結構圖。

圖1 混合儲能系統結構圖Fig.1 Structural diagram of hybrid energy storage system

該系統主要由蓄電池、超級電容器、雙向DC/DC 變換器、變頻器和異步電機組成。電機負載通過逆變器連接到直流母線。蓄電池和超級電容器，分別通過雙向DC/DC 變換器并接到直流母線上，使得功率可以雙向流過儲能元件。雙向DC/DC 變換器采用兩相交錯并聯結構，即開關管Q1，Q3，Q5，Q7與Q2，Q4，Q6，Q8的導通角分別相差180°，以減小電流紋波。兩上管導通和兩下管導通分別對應于變換器的Buck模式和Boost模式。

2 功率管理控制方案

為了提高功率管理控制的性能，提出了以下三個目標：1）混合儲能系統應保持內部的功率平衡；2）混合儲能系統應能實現不同系統之間的能源共享；3）混合儲能系統應能夠跟蹤負載能量要求，減輕負載的功率輸出和波動。

2.1 功率管理控制策略

根據以上目標建立了混合儲能系統的功率管理控制策略的基本結構圖，如圖2所示。

圖2 混合儲能系統的功率管理控制策略Fig.2 Power management control strategy for hybrid energy storage system

圖2 中，開關小于0 代表降壓模式，開關大于0 代表升壓模式。該控制系統由一個外層功率控制回路和一個內層電流控制回路（蓄電池和超級電容器各1 個）組成。其中外層功率控制回路負責控制超級電容器和蓄電池之間的功率流，通過保護模塊和外部功率分配模塊調節蓄電池和超級電容器之間的功率分配比來滿足負載多變性和沖擊性的要求，減小直流母線電壓波動對系統性能的影響。內層電流控制回路中，超級電容器和蓄電池的輸出電流均取決于負載功率，使得超級電容器的充放電電流是由蓄電池的充放電電流動態決定的。蓄電池的電流回路采用恒流控制模式；而超級電容器的電流回路以功率跟蹤模式將充放電電流控制在動態調整的參考值上，該值取決于超級電容器電壓、蓄電池電流與負載功率。因此，負載能量由蓄電池和超級電容器按照一定的模式共享。交錯模式下，PWM調制模塊在高頻開關頻率下相移180°，以便在兩個分支之間平均分配功率流。

蓄電池和超級電容器的功率表達式分別為

式中：Pbatt，Ebatt，ibatt，Rbatt，uo，ubatt分別為蓄電池的功率、平衡電勢、電流、等效內部電阻、等效電容電壓和端電壓；Psc，Rsc，isc，uc，usc分別為超級電容的功率、等效內部電阻、電流、等效電容電壓和端電壓。

超級電容器和蓄電池功率分配的表達式分別為

式中：PHESS為混合儲能系統的總功率；λ為功率分配比系數，0≤λ≤1。

混合儲能系統的效率表達式為

為了允許應用更小、更經濟的雙向DC/DC 變換器，并避免超級電容電流過高而導致傳導損耗增加的問題，其荷電狀態的最佳工作區間設置在0.5～1，如下式：

為了避免蓄電池過度充電，其荷電狀態的最佳工作區間設置在0.2～0.9，如下式：

式中：Usc，max，Ubatt，max分別為超級電容器和蓄電池的最大電壓值；ηsc，c，ηsc，d分別為超級電容器充、放電效率值；ηbatt，c，ηbatt，d分別為蓄電池的充、放電效率值；Cbatt，Csc分別為蓄電池和超級電容的等效電容；SOCsc，SOCbatt分別為蓄電池和超級電容的荷電狀態。

2.2 動態比例功率分配控制策略

通過結合負載功率，超級電容器和蓄電池的荷電狀態得到混合儲能系統的功率管理控制框圖，如圖3所示。圖3中，PL為負載功率。

圖3 混合儲能系統在Buck模式下的功率管理控制框圖Fig.3 Block diagram of power management control for hybridenergy storage system in the Buck mode

在不同的負載功率需求下，可以動態選擇不同的功率分配比。本文以Buck模式為例。

狀態A：當超級電容器的端電壓Usc

狀態B：當負載變化（增大）時，通過動態改變功率分配比使得高再生制動能量被有效地饋送到超級電容器。當超級電容器的端電壓Usc＜Usc，max，蓄電池的荷電狀態SOCbatt＜SOCbatt，up時，減小蓄電池分配的功率，即減小功率分配比λ，蓄電池仍以不變的動力按照恒流充電模式進行充電。將狀態A 中isc控制模式下的電流參考值與直流母線側額外的再生能量所需電流值之和設置為超級電容器的電流參考值isc，ref。當超級電容 器 的 端 電 壓Usc＜Usc，max、蓄 電 池 的 荷 電 狀 態SOCbatt=SOCbatt，up時，超級電容器采用功率跟蹤控制模式充電直到Usc=Usc，max，儲能裝置退出運行，此時，Psc=0。

由于負載突變前后蓄電池功率保持不變，得到功率分配比關系為

式中：λ1，λ2分別為負載突變前、后的功率分配比，PHESS1，PHESS2分別為負載突變前、后混合儲能系統的總能量。

系統損失的總能量為

3 仿真驗證

為了驗證動態比例功率分配控制策略的性能，在混合電源環境下進行Matlab 建模仿真。交流異步電機通過逆變器連接到直流母線上，蓄電池和超級電容器作為能量緩沖器，存儲瞬態能量和峰值功率，這兩個儲能裝置通過兩個相應的雙向DC/DC變換器連接到直流母線上?；旌蟽δ芟到y的模型參數如下：超級電容器的額定電壓為220 V，最大充放電電流為30 A，額定電容為1.6 F；蓄電池的額定電壓為220 V，最大輸出電流為20 A，額定容量為24 A·h。

通過仿真對三相異步電機的制動（或電動）狀態進行模擬，電機運行工況為：0～7 s 電機處于制動（或電動）狀態，在3 s 時，負載轉矩TL發生突變。考慮到在實際應用中，蓄電池的電流值應小于10%的容量，其電流參考值設定在0～2.4 A?？紤]到超級電容器的能量轉換效率和額定電壓，其電壓的范圍應在100～220 V。因此，在仿真過程中，超級電容器的充電（放電）電壓初始值預先設定為100 V（200 V）。此時超級電容器的端電壓0.5Usc，max≤Usc

混合儲能系統加入動態比例功率分配控制時，根據式（3）計算得出負載突變前功率分配比的取值范圍：0≤λ1≤0.63。由于蓄電池的充電效率與功率成正比[11]，超級電容器的充電電流與效率成反比，所以λ1=0.63時充電效率較高。

圖4為動態比例功率分配控制策略和傳統的控制策略的充電仿真對比波形圖，傳統的控制策略即混合儲能系統在充電過程中未加入動態比例功率分配控制。由圖4 可知，采用本文的控制策略，蓄電池的充電電流始終保持在2.4 A；而采用傳統的控制策略，負載增加后，蓄電池的充電電流從1.2 A 增加到2.4 A，如圖4a 所示。超級電容器以功率跟蹤方式進行充電，如圖4b所示。采用傳統的控制策略，蓄電池的峰值電流始終處于合理的控制范圍內，但蓄電池沒有達到其最佳電力工作狀態。而且由于整個充電過程中功率分配比無法動態改變，負載突增的情況下，超級電容器不能存儲全部的再生制動能量，將導致蓄電池的電流突然加大，最終影響其使用壽命?；旌蟽δ芟到y各部分功率如圖4c所示，在1～3 s期間，混合儲能系統總功率為665 W，3 s 后負載增加時，混合儲能系統的總功率增加到1 275 W。在傳統的控制中負載突變時，蓄電池必須迅速承擔部分功率波動帶來的瞬時應力，超級電容器也沒有充分發揮其作用。采用本文的控制，負載突變后功率分配比由0.63 動態調節為0.33，超級電容器承擔了負載全部的功率波動。較傳統的控制策略，混合儲能系統的充電效率提高了0.8%。圖4d 為動態比例功率分配控制中系統能量損失和功率分配比的關系圖，Wloss，min為傳統的控制策略下最小的能量損失，當0.51≤λ1≤0.63 時采用本文控制策略的系統能量損失均小于傳統的控制策略。

圖4 動態比例功率分配控制和傳統控制的充電仿真對比波形圖Fig.4 Comparison of charging simulation waveforms of dynamic proportional power distribution control and traditional control

圖5為動態比例功率分配控制和傳統的控制的放電仿真對比波形圖。

圖5 動態比例功率分配控制和傳統的控制的放電仿真對比波形圖Fig.5 Comparison of discharging simulation waveforms of dynamic proportional power distribution control and traditional control

在動態比例功率分配控制中，應當提高超級電容器的放電功率，以便為下一次存儲負載的峰值功率做準備，同時考慮系統的能量損失與功率分配比成反比，實驗選取λ1為0.51，此時蓄電池的放電電流保持在1.9 A 附近。而采用傳統的控制策略時，負載增加，蓄電池的放電電流從1 A 突增到1.9 A，如圖5a 所示。超級電容器以功率跟蹤方式進行充電，如圖5b所示?；旌蟽δ芟到y各部分功率如圖5c所示，混合儲能系統的總功率由665 W 增加到1 275 W。采用動態比例功率分配控制，負載突變后功率分配比由0.51 動態調節為0.26。較傳統的控制策略，混合儲能系統的放電效率提高了0.75%。

因此，在負載突變情況下采用動態比例功率分配控制時，超級電容器輸出功率響應更快，混合儲能系統能量損失更少，充放電效率更高。而且蓄電池能夠保持在給定條件下工作，超級電容器在負載出現峰值功率時可以快速調整工作狀態，及時存儲剩余電力，從而提高了系統穩定性。

4 結論

本文針對電機負載突變工況下系統性能下降的問題，提出了一種動態比例功率分配控制策略?；诨旌蟽δ芟到y中儲能元件運行狀態，推導出了負載能量利用關系式，設計了動態調節蓄電池和超級電容器功率分配比的方案。在Matlab環境下通過階躍負載驗證了該策略的有效性。仿真結果表明，超級電容器能夠承擔負載快速波動的峰值功率，從而減少了蓄電池電流的波動，有效延長其使用壽命。因此在大功率場合，采用混合儲能技術并動態調控功率分配比能夠在保證系統穩定的同時提高充放電效率。