直流對等式微電網混合儲能系統協調控制策略

孫建龍竇曉波張子仲全相軍許泰峰徐 沛（. 東南大學電氣工程學院 南京 0096 . 國電南瑞科技股份有限公司 南京 06）

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直流對等式微電網混合儲能系統協調控制策略

孫建龍1竇曉波1張子仲2全相軍1許泰峰2徐 沛1
（1. 東南大學電氣工程學院 南京 210096 2. 國電南瑞科技股份有限公司 南京 211106）

摘要提出一種基于鋰離子電池和超級電容混合儲能的協調控制策略，使得混合儲能系統（HESS）適用于風能、太陽能或者其他間歇式分布式電源供電的微電網。針對鋰離子電池和超級電容的放電特性，提出DC-DC側對等式并行雙環控制策略，控制直流母線電壓穩定的同時，利用控制環路自身帶寬濾波特性及交流功率前饋達到功率分配效果；采用滯環PI控制方法，保證超級電容不會過放或者過充。DC-AC側采用雙同步坐標系下不平衡電流控制結構，有效跟蹤不平衡參考電流。實驗結果表明，所提出的協調控制策略能有效抑制直流母線電壓沖擊與波動，顯著提高了系統動態響應；同時，超級電容利用效率得到提高，微電網在過渡狀態下的性能也得到了改善。

關鍵詞：微電網 混合儲能 鋰電池 超級電容 功率控制 變換器控制

國家高技術研究發展計劃（863計劃）（2014AA052002），國家自然科學基金（51307023），江蘇省基礎研究計劃（BK20130624）和國家電網公司科技項目（524608140103）資助。

DC Peer-to-Peer Coordinated Control Strategy of Hybrid Energy Storage System for Microgrid

Sun Jianlong1Dou Xiaobo1Zhang Zizhong2Quan Xiangjun1Xu Taifeng2Xu Pei1
（1. School of Electrical Engineering Southeast University Nanjing 210096 China 2. Nari Technology Co. Ltd. Nanjing 211106 China）

Abstract This paper presents the design and optimal control strategies for hybrid energy storage system (HESS) consisting of lithium-ion batteries (LB) and ultra-capacitors (UC). Thus HESS is suitable for microgrid powered by wind, solar and (or) other intermittent DERs. Herein, the fluctuations of the exchange power between the microgrid and the utility are hence suppressed and flattened when the microgrid operates in grid-connected mode, while the voltage and frequency keep stable when the microgrid operates in (during) island mode. The performance of the transient state of microgrid is improved. The simulation and experimental results based on the prototype verify the proposed design and strategies.

Keywords：Microgrid, hybrid energy storage system, lithium-ion batteries, ultra-capacitors, power control, converter control

0 引言

微電網以其對分布式電源的有效利用及靈活智能的控制特點，成為許多國家未來電力發展戰略的重點之一。而微電網中一般含大量的光伏和風電等分布式電源，分布式電源波動性會對系統的安全供電和電能質量帶來負面影響。因此，在系統中配備一定的儲能單元，既可以提高分布式電源的發電利用率，又能抑制其波動性和間歇性，降低對系統或者電網的沖擊與影響。傳統的儲能裝置充、放電速度慢、循環次數少且壽命短；新型的動力型鋰離子電池雖然具有較高的放電速率，但是其成本高昂，而且充電速率不宜過快。因此，需要尋求一種響應速度快、循環壽命長的儲能轉置與之相配合。超級電容正是符合該要求的新型儲能裝置，超級電容（Ultra-Capacitors, UC）與電池組成的混合儲能系統（Hybrid Energy Storage System, HESS）受到了廣泛關注與研究[1]。文獻[2]研究了HESS各種不同的配置方式及其優缺點。文獻[3-5]研究了HESS直流接入的功率分配與協調控制。由于直流接入應用場合單一，耦合度高，因此本文采用HESS交流接入方式，方便應用于包括光伏在內的各種微電網系統。

目前，對于混合儲能系統的研究，國內外大部分工作都集中在如何在電池和超級電容之間進行功率分配以減小電池的充、放電深度以及平滑功率波動。文獻[3]研究了直流孤島光伏發電系統中，鋰電池與超級電容的協調控制策略，提出超級電容補償光伏波動以減少電池充、放電次數，但未涉及交流并網環節。文獻[4]提出基于滑窗平均的功率分配控制策略，可以平滑電池放電電流。文獻[5]提出基于低通濾波器的功率分配控制策略，將低通濾波器引入控制環路，降低了系統動態響應，同時低通濾波器截止頻率需要取舍。然而，目前的大部分研究并沒有注意超級電容充、放電深度問題。文獻[6]基于混合儲能系統提出一種風電波動功率的平抑方法，針對隨機風電波動功率分解后的特性使蓄電池和超級電容器承擔不同類型波動功率平抑的任務，充分發揮二者的儲能優勢。

針對混合儲能應用，本文首先提出一種HESS結構，通過兩級功率變換單元接入微電網，可以配合包括風、光在內的任意分布式發電單元；其次，在上述HESS結構的基礎上，提出兩級解耦控制策略：①前級DC-DC采用對等式并行雙環控制結構，并行雙環冗余控制直流母線，提高控制性能，在交流功率前饋的配合下達到功率分流的運行效果，同時保證直流母線電壓的穩定；②后級DC-AC采用雙同步坐標系正、負序解耦控制結構，內環為電流控制，外環為直接瞬時功率控制或者輸出電壓控制，使得系統能夠支持微電網的多種運行工況。此外，通過對AC側的靈活控制還可以增強微電網接入電網的友好性，提高對電網的故障穿越能力。

1 HESS拓撲結構

圖1為本文所提HESS系統的基本結構，超級電容與鋰電池通過并聯雙向DC-DC變換器接入直流母線，直流母線與交流電網之間通過雙向DC-AC變換器連接；雙向DC-DC電路用于實現DC-DC控制策略，DC-AC變換器則實現DC-AC控制策略，二者通過直流母線電容解耦。圖中Luc為超級電容雙向DC-DC電路濾波電感，Lba為電池雙向DC-DC電路濾波電感，Cdc為直流母線電容，L、C為交流濾波電感與電容。

圖1 HESS基本結構Fig.1 System structure of HESS

2 HESS控制策略

HESS的功率流向如圖1所示，其中，Po為HESS系統與電網之間的交換功率，Pba為電池雙向功率，Puc為UC雙向功率，Po=Pba+Puc。理想情況下，直流母線電壓保持穩定，Po低頻分量由Pba提供，Po高頻分量由Puc提供。直流母線電壓波動反映輸出功率的波動，因此使得采用直流母線電壓控制來完成功率的分流成為可能。

設計系統控制結構如圖2所示，直流側控制直流母線電壓穩定，電池與UC采用對等式電壓控制策略，并行雙環通過調節器參數設計，各自占據頻域不同的帶寬部分，在交流功率前饋的配合下達到功率分流的運行效果。交流側采用雙同步坐標系正、負序解耦控制結構，其核心為內環電流控制器，實現正、負序有功、無功解耦控制，使控制更為靈活。外環為輸出電壓控制或基于瞬時功率理論的電流參考值生成系統。

由圖2可看出，DC-AC變換器脫離對直流母線的控制，可以實現更多靈活的應用，如負荷預測、諧波補償、無功補償和電流源與電壓源切換等。電網故障期間，超級電容直接控制母線電壓，可吸收電網不平衡所造成的直流母線波動功率，提高系統對電網的故障穿越能力。

2.1 DC側控制策略

為簡化DC側模型分析，不考慮交流側擾動時，對并聯雙向DC-DC電路建模，得到其開關周期平均模型為

圖2 HESS控制結構Fig.2 Control structure of HESS

式中，dbc、duc分別為電池與UC開關電路的占空比；RLba、RLuc分別為電池與UC開關電路的電感電阻，對式（1）在穩態工作點處小信號線性化并忽略電池與UC端電壓擾動可得

式中，上標‘^’表示小信號量，由式（2）～式（4）可得到復頻域下小信號傳遞函數式為

由式（8）和式（9）可知，由于母線電容的耦合作用，使得電池與UC電流之間產生擾動，然而可以通過閉環控制抑制該擾動。式（10）為母線電壓相對電池電流與UC電流的動態傳遞關系以及與輸出電流的擾動傳遞關系，因此式（10）作為母線電壓并行雙環設計依據。

電池與UC控制框圖如圖3所示，圖中各傳遞函數表達式為式中，Gid_ba和Gid_uc分別為電池與UC電流控制對象；Gui_ba和Gui_uc分別為電池與UC控制器傳遞函數，采用PI控制器，其傳遞函數形式為

圖3中，Kpwm為PWM調制系數，可根據經典控制理論設計電池與UC電流控制環，使得電池與UC電流環具有較高的控制帶寬，滿足內、外環控制帶寬的解耦要求。

圖3 直流環路控制框圖Fig.3 Diagram of control block of the DC

根據圖3可得電池與UC電流閉環傳遞函數

由此得到電池母線電壓控制環開環傳遞函數為UC母線電壓控制環開環傳遞函數為式中，為并行母線電壓環PI控制器傳遞函數。根據圖3可計算母線電壓閉環傳遞函數為

由式（20）可知，并行雙環增加了母線電壓控制增益，提高了系統抗擾動性；同時由于冗余控制母線電壓，系統可靠性增加。根據經典控制理論，系統閉環控制帶寬略低于開環截止頻率，因此通過對和的選擇設計，使母線電壓誤差信號有選擇地通過電池與UC控制環路。分別令和為零，可得到電池與UC單獨閉環傳遞函數，閉環伯德圖如圖4所示。由圖4可看出，電池控制環路閉環帶寬窄，約為3Hz，其運行在較低頻段，抗擾動能力弱，但是保留一定的動態調節特性。由于電池的能量型儲能特性，在低頻段電池為系統穩態運行提供能量支撐和運行基礎，滿足系統穩態功率平衡需求。而超級電容控制環路閉環帶寬較寬，約為180Hz，抗干擾能力強，動態響應快，可提高系統魯棒性，補償系統動態功率需求。由此可知，UC主要工作在3～180Hz頻段，而電池則主要工作在0～3Hz頻段。

圖4 DC-DC側控制環路閉環伯德圖Fig.4 Diagram of DC-DC close loop Bode plots

由圖4可知，系統直流側動態響應主要由UC直流母線電壓控制環路決定，其控制帶寬為180Hz。系統交、直流動態特性配合一致，才能保證系統的正常運行。通常情況下，直流側動態響應略快于交流側動態響應，這為交流電流環的參數設計提供了截止頻率上限依據。

圖4中，電池與UC閉環帶寬同時占據低頻段部分，此時，誤差信號的分配由低頻增益決定。當UC端電壓正常時，控制環路自動分配機制可以取得較好效果；然而當UC端電壓過高或過低時，此時并不希望能量持續的流入或流出UC，因此通過交流瞬時功率前饋，間接調節UC端電壓水平。前饋系數為

此前饋系數可使流入UC的功率均值較小，然而并不能保證UC端電壓處于正常范圍內，如圖5所示。因此，本文設計了UC端電壓輔助控制，系統結構如圖2所示。采用滯環控制，調節UC端電壓水平，滯環示意圖如5所示。圖5中根據本文UC端電壓水平標識了三段范圍，當UC電壓上升到啟動控制域后，啟動控制，UC電壓經過下降控制域進入停止控制域，并停止UC電壓控制；當UC電壓降落到啟動控制域后，啟動控制，UC電壓經過上升控制域進入停止控制域，并停止UC電壓控制。

圖5 UC電壓滯環控制示意圖Fig.5 The hysteresis control diagram of UC voltage

UC電壓控制如圖6所示，UC電壓輔助控制設計控制速度為s級，電池電流環閉環動態特性可以忽略，因此圖6中PI參數依據典型一階環節設計方法設計，較為簡單。

圖6 UC電壓控制框圖Fig.6 The control block diagram of UC voltage

2.2 AC側控制策略

AC側控制性能很大程度上取決于電流控制，因此合理的電流控制結構及控制器尤為重要。文獻[11,12]提出采用不對稱電流注入的比例諧振控制器，雖然能夠無靜差地跟蹤正弦電流，也具有較好的控制性能，但是不能提取不平衡電流的正、負序分量加以解耦控制，難以取得較好的直接功率控制效果以及電網故障時期的負序電流控制。因此，本文采用解耦雙同步坐標電流控制，其控制結構如圖7所示。對于解耦雙同步坐標器電流控制，正、負序分量的提取是關鍵的一步，文獻[13]提出基于陷波器的序分量提取法，但陷波器的使用影響控制系統動態性能。因此，本文采用文獻[14]提出的解耦雙同步坐標系序分量提取法，文獻[14]已經給出了具體實現方法及其時域分析，本文給出其頻域傳遞函數，以便于控制器的設計。值得注意的是，圖2中鎖相環所使用的序分量提取也是使用文獻[14]中的方法。

圖7 雙同步坐標系序分量提取Fig.7 Diagram of extraction of sequence component

圖7中，上標P表示正序分量；N表示負序分量；ωf/(s+ωf)為低通濾波環節；v為信號變量，既可表示電壓信號，也可表示電流信號；Tθ+和Tθ-為正、負序旋轉坐標變換矩陣

經過推導得到圖7傳遞函數矩陣為

式中

根據圖2所示的控制結構及式（25）可設計正序電流控制框圖如圖8所示。圖中下標dq分別表示d軸與q軸分量，符號‘^’表示信號估計值，為采樣及控制延遲環節，T'為序分量提取模型，其表達式為

式中，LPF( s)為一階低通濾波器傳遞函數。圖8中引入電壓前饋控制，可以顯著提高變換器電網故障時的控制性能，電壓前饋系數Kf一般取1；PWM環節與逆變橋級聯作用可等效為零階保持單元，持續時間為采樣周期。由圖8可知，交流電流控制環路中存在正、負序電流估計環節，因此，式（26）表示的正、負序估計傳遞函數必須計入環路參數設計中。負序電流控制與正序是相同的，僅在dq軸解耦項中的符號相反。

電流控制可以視為二輸入、二輸出系統，經過簡化，電流控制閉環傳遞矩陣為式中，PI(s)為PI調節器傳遞函數。依據式（27）可調節PI控制器參數，使得電流控制器具有較好的動態性能及穩態特性，且dq軸之間具有較好的解耦性能。

圖8 DC-AC側電流控制框圖Fig.8 The control block diagram of DC-AC current

圖9為電流動態響應及閉環伯德圖。由圖可知，電流閉環帶寬約為145Hz，略低于直流側控制帶寬。交流側電流動態響應特性可以較好地與直流側相配合，從而使系統具有較好的動態響應。

并網變換器內環為電流控制，外環根據運行模式不同分為輸出電壓控制及基于瞬時功率理論的參考電流生產系統，如圖2所示。

基于瞬時功率理論，三相電壓與電流相互作用形成瞬時無功功率與有功功率，在三相不對稱條件下，變換器瞬時功率可表示為

圖9 DC-AC電流閉環動態響應及伯德圖Fig.9 Diagram of dynamic and Bode plotsfor the current loop

當用同步旋轉坐標系表示時，功率各分量可表示為

式（29）即為圖2中瞬時功率計算表達式，可知ΔPswa不僅包含輸出功率動態信息，還包含故障時功率波動分量。考慮到電網不平衡時的不同控制目標，如消除并網點有功波動，根據式（29）可得到參考電流，見式（30）。不同控制目標的參考電流可通過類似的方法計算[14-16]。

當系統失去外部旋轉電源時，光伏等分布式電源失去同步參考源，此時HESS可做為電壓源，為光伏等分布式電源的電壓提供同步參考基準。

輸出電壓控制框圖如圖10所示，同樣輸出電壓控制系統為二輸入、二輸出控制系統，其分析過程與電流控制類似，本文不再贅述。

圖10 AC側輸出電壓控制框圖Fig.10 The control block diagram of output voltage at AC side

3 仿真與實驗驗證

3.1 仿真及波形

為驗證上述控制策略，在Matlab/Simulink環境中建立仿真模型。圖11為輸出功率出現較大波動時，UC與電池的響應。圖中，iba表示電池輸出電流，iuc表示UC輸出電流，udc表示直流母線電壓。由圖可看出，當系統輸出功率突然增加時，UC立即響應，即瞬時放電，從而滿足系統功率需求，維持直流母線電壓的穩定；而電池輸出功率則緩慢上升直到穩態。同樣，當系統輸出功率大幅度突降時，UC立即充電，吸收系統多余能量，防止直流母線電壓過沖，電池輸出功率則平滑地降低到穩態值。由此電池與UC協調工作。

圖11 仿真波形Fig.11 Simulation waveforms

3.2 實驗及波形

本文同時搭建了結構如圖1所示的硬件平臺，具體參數為：Luc=10mH, Lba=20mH, Cdc=6 500μF, Udc=650V，AC側輸出LC濾波器L=10mH、C=10μF，UC為單體90V、9.6F的電容器二并三串組成的270V、6.4F UC組，控制器采用DSP TMS320F28335。

圖12為不同補償模式時，系統各物理量波形。圖12a為補償PCC功率高頻分量，該模式下，UC補償PCC的尖峰毛刺功率，PCC的功率得到平滑，HESS發出零均值的噪聲功率，此時電池并不輸出功率，只有UC端電壓進入UC電壓啟動控制域后，電池才相應地對UC進行充電或放電。圖12b為補償PCC功率低頻分量，此時，由于PCC功率平滑深度較深，電池與UC同時參與功率調節，HESS輸出不再是零均值功率，相應的PCC功率得到深度的平滑。同時，圖12顯示，無論HESS處于何種補償模式下，當UC端電壓進入圖5所劃分的啟動控制域時，UC端電壓控制環路將啟動，使UC的端電壓得到合理控制，因而HESS具有一定的容量裕度，提高了HESS的穩定性。

圖12 UC電壓滯環控制及PCC功率補償波形Fig.12 Waveforms of hysteresis control of UC voltage and power compensation of PCC

圖13為HESS變換器控制效果波形。圖13a為HESS直流側混合儲能動態響應，iba表示電池輸出電流，iuc表示UC輸出電流，udc表示直流母線電壓。由圖可看出，當直流母線變化時，即系統功率出現缺額，UC立即響應，瞬時充電或放電，從而滿足系統功率需求，維持直流母線電壓的穩定；而電池輸出功率則緩慢變化直到穩態，兩者協調運行。圖13b為HESS交流側輸出不平衡電流控制波形，圖中ia、ib和ic為輸出電流，ua、ub和uc為輸出電壓。由圖可知，HESS具有較好的三相交流不平衡電流控制性能及三相平衡電壓控制性能。

圖13 實驗波形Fig.13 Experimental waveforms

由圖13可看出，本文所提HESS能夠正確運行在所期望的運行模式上，完成期望的控制目標。DC側完成功率分流控制，保證直流母線電壓的穩定，同時UC端電壓得到合理的控制，提高了系統的容量裕度，UC與電池能夠協調運行。AC側完成不平衡電流控制或電壓控制。

4 結論

本文提出用于微電網HESS的雙級式變流器協調控制策略及控制器參數設計，通過DC側對等式電壓解耦控制及交流功率前饋補償方法，完成穩、動態功率的分流控制；通過AC側雙同步坐標系雙解耦控制，提高了AC側功率控制的靈活性和變換器運行性能。整體系統的協調控制提高了HESS的動態響應性能和UC的使用效率。仿真和實驗結果表明：

1）協調控制策略能夠快速響應交流側功率的波動，有效抑制了母線電壓波動。

2）協調控制策略能夠維持UC端壓水平，有效解決了UC能量密度有限的問題，提高UC利用率，同時降低了電池放電速率。

3）網側變換器控制器能夠準確、快速地跟蹤不平衡電流。

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孫建龍 男，1963年生，博士研究生，主要研究方向為電網規劃與運行控制。

E-mail: sunjianlongnj@sina.com

全相軍 男，1985年生，博士研究生，主要研究方向為配電自動化及電力信息交互技術。

E-mail: 3452606@qq.com（通信作者）

作者簡介

收稿日期2014-07-16 改稿日期 2015-05-13

中圖分類號：TM60