基于混合儲能荷電狀態的光伏直流微網系統能量分配策略

胡治國，李永杰，張磊沖

(河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南焦作 454003)

大部分可再生能源都具有一定的波動性和隨機性，在大規模接入電網的過程中會影響系統穩定運行，為了更好地控制和利用這些能源，諸多類型的儲能技術應運而生[1-3]。儲能設備可以按照功能劃分為能量型和功率型兩種，通常單一的儲能裝置不能滿足電網需求，因此由蓄電池和超級電容組成的混合儲能系統成為了研究熱點[4-5]。儲能設備都有其最佳的工作狀態區間，在平抑可再生能源功率波動的同時，需要根據其荷電狀態(SOC)來進行能量分配，并且避免頻繁進行充放電狀態切換，提升儲能設備使用壽命[6-7]。

針對儲能設備出力優化，實現能量有效分配，文獻[8]提出在蓄電池響應環節加入延時控制，并采用端電壓多滯環電流控制方法，避免其充放電電流過大，但忽略儲能介質過載引起的系統不穩定現象。文獻[9-11]提出一種超級電容荷電狀態自恢復控制策略，使其在出力后仍能恢復至額定值，但未考慮蓄電池SOC越限情況。文獻[12-13]提出一種微網系統協調運行的控制模式，根據光伏出力、儲能SOC設計多種運行模式，在提升儲能設備壽命的同時平衡系統功率，但未考慮蓄電池頻繁切換充放電狀態問題。文獻[14]提出一種基于可控負荷與蓄電池的綜合控制策略，具體分析了系統各種狀態下的工況，減少儲能介質容量配置及充放電次數，穩定性與經濟性大大提高。文獻[15]在考慮儲能SOC狀態的前提下，采用多段電壓下垂控制法實時跟蹤負荷功率，在減少蓄電池充放電次數的同時，使微網系統達到動態平衡。

本文根據前人研究成果，在考慮超級電容SOC的基礎上，提出一種動態功率修正策略，同時，充分利用功率型儲能器件的特點，在微網系統功率發生不平衡時，由超級電容率先維持母線電壓穩定，蓄電池則延時反應，最大程度減少其充放電次數。此外，實時跟蹤光伏出力、混合儲能SOC狀態，設計出滿足直流微網系統動態平衡的六種運行模式，在MATLAB/Simulink 仿真平臺中將各工況逐一實現，驗證了所提策略的有效性與可靠性。

1 光儲直流微網系統框架

光儲直流微網系統基本框架如圖1 所示，由光伏陣列、儲能系統、電力電子變換器、負載等構成。

圖1 光儲直流微網系統框架

光伏發電單元經Boost 升壓電路并入直流母線，采用最大功率點跟蹤(MPPT)或恒壓模式運行，輸出功率為Ppv；蓄電池與超級電容組成混合儲能系統，通過雙向DC/DC 連接直流母線，輸出功率為Pbat和Psc；交流負荷經AC/DC 與直流母線相連，與直流負荷共同消耗功率Pload；主電網通過AC/DC 并入直流母線，實現能量交互。

2 混合儲能系統控制策略

系統各單元間應滿足功率平衡，如式(1)所示：

其中，Phess為混合儲能需補償功率：

當Phess＞0 時，光伏輸出功率小于負載消耗功率，為保證系統功率平衡，混合儲能釋放能量；反之，當Phess＜0 時，混合儲能吸收能量。直流母線電壓穩定是衡量系統能量平衡的唯一標準[16]，在產生光照變化或其他影響母線電壓穩定的因素時，由儲能單元承擔不平衡能量，確保系統達到動態平衡。本文在確保直流母線電壓穩定的同時，提出一種基于混合儲能SOC的多模式協調控制策略，旨在提升混合儲能使用時限，具體控制策略如圖2 所示。

圖2 基于混合儲能荷電狀態的多模式協調控制策略運行框圖

2.1 基于超級電容SOC 的動態功率修正

超級電容屬于功率型儲能器件，具有能量密度小的特點[17]，在工作過程中SOC易發生越限現象，因此本文提出一種基于超級電容SOC的動態功率修正策略，實時跟蹤和保護超級電容。蓄電池加入電壓外環維持直流母線電壓穩定，超級電容采用電流單環控制追蹤高頻功率分量，運行框圖如圖3 所示。

圖3 動態功率修正策略運行框圖

當母線電壓發生波動時，經式(1)得到混合儲能參考功率Phess_ref，并通過低通濾波器分解后，分別得到由蓄電池與超級電容承擔的初始參考功率Pbat_buf、Psc_buf：

式中：fLPF為低通濾波函數。

理論上而言，儲能單元僅按照以上參考功率調整輸出電流足以維持母線電壓穩定，但是儲能出力受多種因素影響，荷電狀態便是其一[18]。在傳統控制策略中，超級電容只負責補償高頻功率，而動態功率修正策略則實時跟蹤超級電容SOC，在完成高頻功率補償后，動態調整蓄電池參考功率，使蓄電池能夠幫助超級電容恢復荷電狀態，分配規則如下：

式中：K1為功率修正系數，其值的大小決定超級電容SOC恢復速率；K2為功率限制因數，防止蓄電池輸出功率超過其最大限值。以放電狀態為例：

Pbat_max為蓄電池所能輸出最大功率，由容量配置決定，可以得到：

Pmax為系統所產生最大不平衡功率，根據經驗所得，故：

充電狀態下與上述推理結果相同。

實際上，光伏直流微網系統功率變化是暫態過程，更多時候是處于穩態或緩慢變化狀態，這樣便給超級電容荷電狀態的恢復提供了足夠時間，如此，在保證蓄電池不超過其最大輸出功率的同時，維持母線電壓穩定以及恢復超級電容荷電狀態。

2.2 模糊控制器延時環節設計

由于動態功率修正策略的存在，使超級電容有更大的發揮空間，以避免蓄電池頻繁切換充放電狀態。延時環節由模糊規則控制，本文對輸入變量隸屬度函數進行優化，使蓄電池在超級電容SOC余量充足時具有更長的延時時間。在蓄電池延時反應期間，由超級電容采用電壓電流雙環控制維持母線電壓穩定，蓄電池則保持微充(微放)狀態，輸出小功率信號Pp_min(Pn_min)，控制策略如圖4 所示。

圖4 蓄電池延時環節控制框圖

模糊規則采用雙輸入-單輸出形式，輸入變量為超級電容SOC以及混合儲能參考功率Phess_ref，輸出變量為延時時間t。其中，超級電容SOC模糊變量為[VS，S，M，B，VB]，分別代表荷電狀態區間[很小，小，中，大，很大]；Phess_ref模糊變量為[N，P]，分別代表儲能系統狀態[放電，充電]；輸出變量t模糊變量為[VS，S，M，B，VB]，分別代表延時時間[很小，小，中，大，很大]。優化后的各變量隸屬度函數如圖5 所示。

圖5 各變量隸屬度函數

模糊控制規則如表1 所示。若系統處于放電狀態，且超級電容SOC較低(高)，則延時時間較短(長)；若系統處于充電狀態，且超級電容SOC較低(高)，則延時時間較長(短)。

表1 模糊規則表(延時時間)

2.3 基于混合儲能SOC的多模式協調控制策略

為保證光儲直流微網系統有序、穩定運行，避免儲能單元出現過充過放現象，本文在考慮混合儲能荷電狀態的基礎上設計了六種運行模式，如圖6 所示。

圖6 多模式協調運行流程圖

蓄電池處于放電越限狀態，由于超級電容自身能量密度小，不足以單獨維持系統穩定過久，此時為保證直流母線電壓穩定，接入主電網為負載供電，同時為儲能系統補充能量，直至光伏輸出功率高于負載消耗功率。

蓄電池SOC處于安全狀態，超級電容SOC越過下限，此時禁止超級電容放電，由蓄電池雙環控制維持母線電壓穩定，直至系統開始充電。

混合儲能SOC均處于安全狀態，系統按照式(4)進行動態功率修正，并通過延時環節進行放電。

混合儲能SOC均處于安全狀態，系統按照式(4)進行動態功率修正，并通過延時環節進行充電。

蓄電池SOC處于安全狀態，超級電容SOC越過上限，此時禁止超級電容充電，由蓄電池雙環控制維持母線電壓穩定，直至系統開始放電。

蓄電池處于充電越限狀態，僅由超級電容不足以吸收過多能量，混合儲能系統切換為待機狀態。此時光伏系統除向負載供電以外，還會向電網饋能，確保直流母線電壓穩定，直至光伏輸出功率低于負載消耗功率。

3 仿真驗證

為驗證所提策略的有效性，在MATLAB/Simulink 中搭建了光伏直流微網混合儲能系統仿真模型，在不同工況下分析系統各單元輸出功率、儲能設備SOC變化，系統參數如表2 所示。

表2 系統參數表

光伏陣列處于外界溫度25 ℃，光照強度分別為1 000、600、800 W/m2條件下，變化間隔為3 s；為驗證動態功率策略的有效性，儲能單元荷電狀態均處于正常工作區間，延時模塊不參與工作，將傳統功率分配策略與本文所提策略進行對比，實驗波形如圖7 所示。

圖7 傳統功率分配策略與動態功率策略對比

圖7(a)～(b)分別為母線電壓波動、光伏輸出及負載消耗功率情況，光照強度在3 s 及6 s 時發生波動，由混合儲能平抑不平衡功率，母線電壓波動范圍維持在最大2%，圖7(c)～(d)分別為不同策略中超級電容SOC及輸出功率變化情況。在低通濾波法以及下垂控制法中，超級電容僅負責補償高頻功率，在出力后功率快速趨于0 W，荷電狀態則趨于穩定值；而動態功率修正策略中的超級電容在出力后，其功率會根據實時采樣的荷電狀態來進行調整，使其SOC逐漸向安全狀態恢復。

蓄電池放電越限，系統并網運行工況下，光伏陣列處于外界溫度25 ℃，光照強度700 W/m2條件下，由于仿真時長所限，設置蓄電池初始荷電狀態為10.04%，超級電容荷電狀態良好，實驗波形如圖8 所示。

圖8 系統并網運行工況

蓄電池初始為放電狀態，6 s 時蓄電池放電達到下限，混合儲能系統出力不足，為保證負載安全穩定運行，主電網為其供電，輸出功率Pen。在補償負載消耗功率的同時，電網還會為儲能系統進行充電，如圖8(b)所示。超級電容響應瞬時功率，而后按照動態功率修正策略進行荷電狀態恢復；蓄電池持續充電，直至恢復至安全狀態。

蓄電池充電越限，光伏系統向電網饋能工況下，光伏陣列處于外界溫度25 ℃，光照強度分別為1 000、700 W/m2條件下，變化間隔為8 s，蓄電池初始荷電狀態為89.94%，超級電容荷電狀態良好，實驗波形如圖9 所示。

圖9 光伏向電網饋能工況

蓄電池初始為充電狀態，在接近4 s 時充電達到上限，混合儲能系統切換為待機狀態。為確保負載消耗功率不變，此時光伏系統將產生的多余能量回饋于電網，電網吸收功率為Pen；8 s 后光照強度降低，光伏輸出功率低于負載消耗功率，混合儲能系統開始放電。在此過程中，當光伏系統和儲能系統進行狀態切換時，直流母線電壓略微波動，負載消耗功率不變。

超級電容充電越限工況下，光伏陣列處于外界溫度25 ℃，光照強度分別為1 000、700 W/m2條件下，變化間隔為5 s。為使超級電容SOC盡快達到上限，此處使超級電容以恒定速率進行充電。超級電容初始荷電狀態為83%，蓄電池荷電狀態良好，實驗波形如圖10 所示。

圖10 超級電容充電越限工況

超級電容在接近4 s 時充電越限，此時由蓄電池承擔所有不平衡功率；在5 s 時光伏輸出功率發生變化，由于延時環節的作用，蓄電池晚于超級電容響應1 s，在此期間保持微充狀態；6 s 后儲能系統正常放電。

暫態光照變化工況下，光伏陣列處于外界溫度25 ℃，光照強度由800 W/m2降為700 W/m2后又恢復為800 W/m2條件下，儲能單元荷電狀態良好，實驗波形如圖11 所示。

圖11 光照短暫變化工況

圖11(a)～(b)為光照強度在6～7 s 發生短暫變化時，母線電壓波動、光伏輸出以及負載消耗功率情況，混合儲能在6～7 s 時充電，其余時間放電。圖11(c)為蓄電池荷電狀態，當在光伏輸出功率變化時，蓄電池保持微放狀態，超級電容全權維持母線電壓穩定，7 s 后光照強度恢復。在光伏輸出短暫變化的過程中，蓄電池并未切換充放電狀態，有效規避了其狀態切換次數。

由上述仿真結果可知，在各個工況下，所提策略均能有效運行，并且在保證母線電壓穩定的同時，達到了預期效果。

4 結論

本文以光儲直流微網系統為研究對象，提出了一種基于混合儲能SOC的多模式協調控制策略，并通過仿真驗證了所提策略的有效性。

本文所提出的動態功率修正策略在一定程度上確保超級電容SOC處于安全狀態，能夠減少其容量配置，經濟性與穩定性大大提高；在蓄電池響應環節加入優化后的延時控制，有效規避了其狀態切換次數。如各工況下的仿真波形所示，所提策略充分考慮了儲能單元荷電狀態對系統穩定運行帶來的影響，有效提升了儲能設備使用壽命。