直流微網(wǎng)系統(tǒng)中混合儲能分頻協(xié)調(diào)控制策略

李武華　徐　馳　禹紅斌　顧云杰　胡斯登　何湘寧

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院　杭州　310027）

直流微網(wǎng)系統(tǒng)中混合儲能分頻協(xié)調(diào)控制策略

李武華徐馳禹紅斌顧云杰胡斯登何湘寧

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院杭州310027）

針對直流微網(wǎng)架構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種分頻段響應(yīng)的控制策略。通過母線電壓的反饋來提取功率波動(dòng)，利用直流母線電壓環(huán)和超級電容電壓環(huán)設(shè)置高通濾波器、帶通濾波器和低通濾波器這三個(gè)“隱形”濾波器。其中母線功率波動(dòng)的高中低頻分量依次由母線電容、超級電容和蓄電池響應(yīng)，從而充分利用了蓄電池能量密度大和超級電容功率密度大、循環(huán)使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，有效提升了儲能系統(tǒng)的性能。而且，隱形濾波器的實(shí)現(xiàn)完全由軟件控制完成，具有很好的靈活性和適應(yīng)性，且無需增加額外的硬件成本。最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的混合儲能控制策略的有效性。

直流微網(wǎng)混合儲能分頻協(xié)調(diào)控制

0　引言

隨著能源的日益緊缺和環(huán)境污染的嚴(yán)重惡化，風(fēng)能和太陽能等新能源憑借其無污染性和可再生性的優(yōu)點(diǎn)受到人們越來越廣泛的關(guān)注。但同時(shí)，新能源發(fā)電裝置存在功率不可預(yù)測性和出力間歇性的不足，導(dǎo)致用戶無法得到高可靠性供電［1，2］。因此，引入儲能環(huán)節(jié)來削峰填谷，對微網(wǎng)的穩(wěn)定控制、電能質(zhì)量的改善和不間斷供電具有非常重要的作用［3-5］。

圖1為共直流母線的可再生能源分布式發(fā)電系統(tǒng)。其中風(fēng)力、光伏等新能源發(fā)電部件、超級電容和蓄電池等混合儲能元件、交直流負(fù)載以及并網(wǎng)逆變器等連接在公共的直流母線上。超級電容和蓄電池組成混合儲能元件，通過模塊化變流器與直流母線連接，便于系統(tǒng)的擴(kuò)容和控制［6-8］。由于發(fā)電和負(fù)載功率存在高頻功率波動(dòng)和低頻功率波動(dòng)，因此需要功率密度大和能量密度大的儲能介質(zhì)來補(bǔ)償高低頻功率波動(dòng)。相比單一的儲能介質(zhì)，蓄電池和超級電容組成的混合儲能不僅能夠滿足高功率密度和高能量密度的要求，而且能夠有效提高儲能系統(tǒng)的性能，延長使用壽命［9-12］。如何實(shí)現(xiàn)儲能元件的優(yōu)勢互補(bǔ)，低成本投入的同時(shí)獲得高功率密度與高能量密度的儲能系統(tǒng)，滿足功率波動(dòng)的需求，提升儲能元件的壽命，是目前混合儲能控制技術(shù)研究的重點(diǎn)［13，14］。

圖1　共直流母線的可再生能源分布式發(fā)電系統(tǒng)Fig.1　DC-based distributed renewable energy power generation system

文獻(xiàn)［15］介紹了一種通過分段函數(shù)分配混合儲能功率響應(yīng)的協(xié)調(diào)控制方法，蓄電池模塊如圖 2a所示，其中，vBus_ref、vBus_mea分別為母線電壓參考值和母線電壓測量值，采用蓄電池來維持母線電壓的恒定。蓄電池和超級電容的動(dòng)態(tài)電流分配由圖2b超級電容模塊中分段函數(shù)曲線決定，其中，iBat_mea、iSC_ref和iSC_mea分別為蓄電池電流測量值、超電容電流參考值和測量值。當(dāng)母線功率小幅波動(dòng)時(shí)，波動(dòng)功率基本由蓄電池來響應(yīng)。當(dāng)母線功率大幅波動(dòng)時(shí)，蓄電池電流增大，根據(jù)動(dòng)態(tài)電流分配曲線，超級電容輸出電流對應(yīng)急劇增大，主要由超級電容來響應(yīng)波動(dòng)功率。這種方法充分利用了超級電容的高功率密度的優(yōu)點(diǎn)來提高儲能系統(tǒng)的功率容量。但是，此方案并沒有區(qū)分高低頻功率波動(dòng)，高頻功率波動(dòng)分量同樣會由蓄電池來響應(yīng)，尤其在小功率母線波動(dòng)情況下，波動(dòng)功率基本全由蓄電池響應(yīng)，頻繁充放電操作會極大縮短蓄電池的使用壽命。

圖2　混合儲能功率響應(yīng)分段函數(shù)分配方法Fig.2　Piecewise function sharing strategy for hybrid energy storage power response

文獻(xiàn)［16］介紹了蓄電池和超級電容混合儲能在光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用及其控制。作者將光伏發(fā)電功率波動(dòng)劃分為低頻功率波動(dòng)和高頻功率波動(dòng)。其控制方式如圖3所示。圖3中PL為所有負(fù)載消耗功率包括逆變器并網(wǎng)功率，PG為所有發(fā)電單元的發(fā)電功率，PESS_ref為負(fù)載消耗功率與發(fā)電功率的缺口，由混合儲能來補(bǔ)償。PESS_ref經(jīng)過低通濾波器作用，提取出低頻功率波動(dòng)分量，作為蓄電池儲能的參考補(bǔ)償功率，而剩余部分即為高頻功率波動(dòng)，將其作為超級電容儲能的參考補(bǔ)償功率。從而有效實(shí)現(xiàn)了混合儲能元件補(bǔ)償功率的優(yōu)化分配。高頻峰值功率波動(dòng)由超級電容補(bǔ)償，減小了蓄電池的功率容量，低頻功率波動(dòng)由蓄電池來響應(yīng)，減小了超級電容儲能容量，同時(shí)提高了蓄電池的壽命。該方法在混合儲能系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用［17，18］，但是其需要檢測負(fù)載消耗功率和發(fā)電功率，并通過通信單元發(fā)送給能量管理控制器。在有較多發(fā)電單元情況下，對通信帶寬的要求很高，可靠性降低。

圖3　基于線性濾波器的混合儲能協(xié)調(diào)控制框圖Fig.3　Coordinated control block diagram of hybrid energy storage based on linear filter

本文針對直流微網(wǎng)架構(gòu)的混合儲能系統(tǒng)提出了一種分頻協(xié)調(diào)控制策略。通過母線電壓反饋中低頻功率波動(dòng)，超級電容電壓提取低頻功率波動(dòng)的方法，使得在不需要各單元功率信息情況下，對母線功率波動(dòng)進(jìn)行分頻段響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)母線電容、超級電容以及蓄電池的協(xié)調(diào)出力。母線電容響應(yīng)高頻分量，超級電容響應(yīng)中頻分量，蓄電池響應(yīng)低頻分量，充分利用超級電容功率密度大和蓄電池能量密度大的優(yōu)勢，同時(shí)極大降低了通信的需求。本文對該方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析與設(shè)計(jì)，通過理論和實(shí)驗(yàn)證明了該方法的正確性和有效性。

1　儲能變流器系統(tǒng)級模型

為簡化分析，在對混合儲能系統(tǒng)分析時(shí)，假設(shè)儲能雙向DC-DC變流器效率為100%，由輸入輸出端口的功率守恒可以得到靜態(tài)低壓側(cè)、高壓側(cè)電流IL、IH關(guān)系為

式中，VL、VH分別為低壓側(cè)輸入電壓和高壓側(cè)輸出電壓。考慮安全及動(dòng)態(tài)響應(yīng)，一般變流器通過電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)控制，且電壓外環(huán)帶寬設(shè)置遠(yuǎn)小于電流內(nèi)環(huán)。因此，可以得出動(dòng)態(tài)低壓側(cè)、高壓側(cè)電流iH、iL關(guān)系為

儲能雙向 DC-DC變流器的低壓側(cè)電流受電流指令 iL_ref控制，電流傳遞函數(shù)為 GBDC（s）。通過等效電壓比為變流器直流增益的變壓器傳遞能量至高壓側(cè)輸出端口。由此得到雙向變流器的系統(tǒng)級簡化模型如圖4所示。

圖4　雙向變流器的系統(tǒng)級簡化模型Fig.4　Simplified model of bi-directional converter on system level

2　混合儲能系統(tǒng)控制及設(shè)計(jì)

混合儲能控制框圖如圖5所示，新能源發(fā)電單元以及本地負(fù)載和并網(wǎng)發(fā)電單元等效成并聯(lián)在母線上的隨機(jī)波動(dòng)功率源，用隨機(jī)電流源 iBus等效。母線電容為CBus，HvBus和HvSC分別表示直流母線電壓和超級電容電壓采樣系數(shù)。直流母線電壓控制環(huán)通過控制超級電容器變流器實(shí)現(xiàn)，其補(bǔ)償函數(shù)記為GvcSC（s）；超級電容通過控制蓄電池變流器實(shí)現(xiàn)，其補(bǔ)償函數(shù)記為GvcBat（s）。VBus_ref和VSC_ref分別為直流母線電壓和超級電容電壓參考值。VBus、VSC和VBat分別為母線、超級電容和蓄電池電壓。iSC和 iBus_SC為超級電容電流及其注入母線電流。iBat和 iBus_Bat為蓄電池電流及其注入母線電流。由于單一儲能變流器輸出電流對隨機(jī)電流源 iBus的頻率響應(yīng)與電壓外環(huán)的帶寬有關(guān)，因此通過設(shè)置變流器的電壓外環(huán)帶寬可以實(shí)現(xiàn)儲能功率的頻率響應(yīng)分段。

圖5　混合儲能控制框圖Fig.5　Proposed control block diagram of hybrid energy storage

在該控制方案中，采用超級電容儲能來控制母線電壓，維持母線電壓的穩(wěn)定。母線功率波動(dòng)首先經(jīng)由母線電容，高頻分量被母線電容濾除，中低頻分量反應(yīng)在母線電壓上，超級電容儲能通過母線電壓反饋來補(bǔ)償母線功率波動(dòng)的中低頻分量。通過超級電容的濾波，僅低頻分量在超級電容的電壓上體現(xiàn)。根據(jù)超級電容的電壓信息和假設(shè)蓄電池能量充足情況下，蓄電池儲能將對應(yīng)的母線低頻功率波動(dòng)分量注入直流母線，確保其對母線功率波動(dòng)的響應(yīng)并且能夠使超級電容電壓維持在固定的參考值上。通過這種級聯(lián)式的反饋控制，可實(shí)現(xiàn)母線電容、超級電容以及蓄電池三者的分頻響應(yīng)，協(xié)調(diào)出力。超級電容和蓄電池儲能對母線功率波動(dòng)的響應(yīng)頻段由直流母線電壓環(huán)以及超級電容電壓環(huán)的帶寬決定。為實(shí)現(xiàn)環(huán)路之間的解耦控制，電壓環(huán)的帶寬必須遠(yuǎn)小于電流內(nèi)環(huán)的帶寬，同時(shí)超級電容電壓環(huán)的帶寬必須遠(yuǎn)小于直流母線電壓環(huán)的帶寬，確保超級電容和蓄電池儲能對母線功率波動(dòng)的分頻段響應(yīng)。

為了驗(yàn)證協(xié)同控制策略的正確性，本文構(gòu)建了超級電容蓄電池混合儲能的直流微網(wǎng)系統(tǒng)。其中混合儲能系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)見表1。

表1　混合儲能系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)Tab.1　Parameters of hybrid energy storage system

2.1直流母線電壓環(huán)設(shè)計(jì)

混合儲能系統(tǒng)控制框圖如圖6所示。考慮超級電容和蓄電池響應(yīng)時(shí)間分別為 ms級和 s級，因此設(shè)置直流母線電壓控制環(huán)和超級電容電壓控制環(huán)的穿越頻率分別為5Hz和0.05Hz。

圖6　混合儲能系統(tǒng)控制框圖Fig.6　Proposed control block diagram of hybrid energy storage system

在設(shè)計(jì)直流母線電壓控制環(huán)時(shí)，由于直流母線電壓控制環(huán)的穿越頻率 fc_Bus（5Hz）遠(yuǎn)大于超級電容電壓環(huán)的穿越頻率fc_SC（0.05Hz），因此在直流母線電壓控制環(huán)穿越頻率附近可得

式中，GiBat_iSC（s）為蓄電池電流對超級電容電流的傳遞函數(shù)，表達(dá)式在后文給出。

因此蓄電池儲能對直流母線電壓環(huán)路設(shè)計(jì)的影響可以忽略。圖7即為忽略蓄電池儲能后的直流母線電壓控制環(huán)框圖。

補(bǔ)償前后直流母線電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)GvBuso（s）、GvBusoc（s）分別為

圖7　直流母線電壓控制環(huán)框圖Fig.7　Block diagram of DC bus voltage control loop

式中，采用PI補(bǔ)償器GvcSC（s）的表達(dá)式為

由式（4）可見，直流母線電壓環(huán)的帶寬與超級電容電壓有關(guān)，且考慮超級電容響應(yīng)時(shí)間為ms級，因此設(shè)計(jì)在超級電容電壓為 45V時(shí)其穿越頻率為5Hz，通過計(jì)算PI補(bǔ)償器參數(shù)為增益KpSC=4.422，零點(diǎn)ωSC=1.256。

直流母線電壓環(huán)補(bǔ)償前后開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖如圖8所示。當(dāng)超級電容電壓從最小值30V增大到最大值60V時(shí)，直流母線電壓環(huán)穿越頻率從3.5Hz增大到7Hz，且在45V時(shí)，直流母線電壓環(huán)穿越頻率為5Hz，相位裕度為88°。從圖8中也可以看出直流母線電壓環(huán)開環(huán)增益在 PI補(bǔ)償器零點(diǎn)之前以40dB/dec衰減，在 PI補(bǔ)償器零點(diǎn)之后以 20dB/dec衰減，故其傳遞函數(shù)可以簡化為

圖8　直流母線電壓環(huán)補(bǔ)償前后開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖Fig.8　Bode plots of open loop transfer function of DC bus voltage loop before and after compensation

直流母線電壓環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù) GvBusc（s）如式（8）所示，其伯德圖如圖9所示。

圖9　直流母線電壓環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖Fig.9　Bode plots of close loop transfer function of DC bus voltage loop

在小于穿越頻率fc_Bus頻段，GvBusoc（s）＞＞1，閉環(huán)傳遞函數(shù)等于直流母線電壓采樣系數(shù) HvBus（s）的倒數(shù)。在大于穿越頻率fc_Bus頻段，GvBusoc（s）＜＜1，閉環(huán)傳遞函數(shù)等于開環(huán)傳遞函數(shù)GvBusoc（s）除以直流母線電壓采樣系數(shù) HvBus（s），并以 20dB/dec的速度衰減。因而閉環(huán)傳遞函數(shù)可以簡化為

簡化前后閉環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖對比如圖 9b所示，可見兩者吻合程度較高。

2.2超級電容電壓環(huán)設(shè)計(jì)

從圖5可知，當(dāng)超級電容電壓低于參考值時(shí)，蓄電池儲能通過雙向 DC-DC變流器向直流母線注入低頻電流，提升直流母線電壓。通過直流母線電壓環(huán)的作用，超級電容儲能通過雙向 DC-DC變流器從母線吸收電流，以直流母線為中介，蓄電池向超級電容傳遞能量，使其電壓維持在參考值。反之，當(dāng)超級電容電壓高于參考值時(shí)，超級電容向蓄電池傳遞能量，降低超級電容電壓，使其電壓維持在參考值。考慮到超級電容充放電需求，將超級電容參考電壓設(shè)定在其運(yùn)行電壓范圍內(nèi)平均值45V。

圖10　超級電容電流對蓄電池電流的響應(yīng)傳遞框圖Fig.10　Transfer block diagram of response of super capacitor current to battery current

從圖5可得到圖10所示的超級電容電流對蓄電池電流的響應(yīng)傳遞框圖。從而可知超級電容電流對蓄電池電流的傳遞函數(shù)GiSC_iBat（s）為

由GiSC_iBat（s）可見，蓄電池電流iBat對超級電容電流iSC進(jìn)行了補(bǔ)償，通過超級電容電壓環(huán)路帶寬可設(shè)定蓄電池電流響應(yīng)頻段。超級電容電壓控制環(huán)框圖如圖11所示，圖中超級電容阻抗ZSC（s）計(jì)算式為

圖11　超級電容電壓控制框圖Fig.11　Block diagram of super capacitor voltage control loop

由于超級電容容值較大，超級電容的時(shí)間常數(shù)RSCCSC大約為1s。補(bǔ)償前后其開環(huán)傳遞函數(shù)GvSCo（s）、GvSCoc（s）分別為

圖12　超級電容電壓環(huán)補(bǔ)償前后開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖Fig.12　Bode plots of open loop transfer function of super capacitor voltage loop before and after compensation

補(bǔ)償前超級電容電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖如圖12a所示，由于超級電容時(shí)間常數(shù)的存在引入了一個(gè)大約0.17Hz的零點(diǎn)。從而使得超級電容電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)幅頻曲線在該零點(diǎn)和直流母線穿越頻率fc_Bus之間出現(xiàn)平臺。如果超級電容電壓環(huán)補(bǔ)償函數(shù)仍然采用PI調(diào)節(jié)器，該區(qū)段超級電容電壓環(huán)的幅值不衰減，導(dǎo)致蓄電池仍會響應(yīng)母線高頻功率波動(dòng)。在傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器中串聯(lián)一個(gè)0.17Hz的極點(diǎn)，抵消超級電容時(shí)間常數(shù)引入的零點(diǎn)，使得補(bǔ)償后的超級電容電壓環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)幅頻曲線在該區(qū)段以20dB/dec衰減。超級電容電壓環(huán)的補(bǔ)償函數(shù)GvcBat（s）如式（14）所示，τSC為超級電容時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)，如式（15）所示。

由式（10）、式（13）可知，超級電容電壓環(huán)的穿越頻率跟超級電容電壓以及蓄電池電壓有關(guān)，在超級電容電壓為45V、蓄電池電壓為48V時(shí)，考慮蓄電池響應(yīng)速度為 s級，設(shè)計(jì)補(bǔ)償后帶寬設(shè)定為0.05Hz，可得補(bǔ)償器增益 KpBat=8.572，零點(diǎn)ωBat= 0.062 8。

補(bǔ)償后開環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖如圖12b所示。補(bǔ)償后超級電容電壓環(huán)的穿越頻率隨著超級電容電壓和蓄電池電壓的變動(dòng)，變化范圍在0.03～0.09Hz。從圖12b中可以看出，超級電容電壓環(huán)開環(huán)增益在其補(bǔ)償器零點(diǎn)之前以40dB/dec衰減，在補(bǔ)償器零點(diǎn)和直流母線電壓環(huán)穿越頻率之間以20dB/dec衰減，在直流母線電壓環(huán)穿越頻率之后接著以 40dB/dec衰減，其傳遞函數(shù)GvSCoc（s）可以簡化為

3　混合儲能系統(tǒng)輸出特性

3.1混合儲能系統(tǒng)輸出阻抗

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下，當(dāng)母線功率波動(dòng)時(shí)，母線電容首先響應(yīng)導(dǎo)致母線電壓變化。超級電容根據(jù)母線電壓環(huán)的指令隨后響應(yīng)且端電壓偏離參考值，最后由蓄電池根據(jù)超級電容電壓環(huán)的指令做出響應(yīng)。從圖 5可以得到蓄電池電流對超級電容電流的響應(yīng)傳遞框圖以及超級電容電流和蓄電池電流對母線功率波動(dòng)的響應(yīng)傳遞框圖，分別如圖13和圖14所示。

由圖13可知，蓄電池電流對超級電容電流的傳遞函數(shù)GiBat_iSC（s）為

圖13　蓄電池電流對超級電容電流的響應(yīng)傳遞框圖Fig.13　Transfer block diagram of response of battery current to super capacitor current

圖14　超級電容電流和蓄電池電流對母線功率波動(dòng)的響應(yīng)傳遞框圖Fig.14　Transfer block diagram of response of super capacitor current and battery current to power fluctuation

由圖 14可知，混合儲能直流母線的輸出阻抗Zo（s）為

通過分析，混合儲能直流母線輸出阻抗可以簡化為

圖 15給出了簡化前后混合儲能直流母線輸出阻抗的伯德圖，簡化后的輸出阻抗較好地?cái)M合簡化前的輸出阻抗。

由式（19）可知，混合儲能直流母線的阻抗由母線電容、母線電壓環(huán)和超級電容電壓環(huán)的穿越頻率以及母線電壓環(huán)和超級電容電壓環(huán)補(bǔ)償函數(shù)的零點(diǎn)決定。當(dāng)頻率小于超級電容電壓環(huán)補(bǔ)償函數(shù)零點(diǎn)時(shí)，母線阻抗以60dB/dec增長。當(dāng)頻率介于超級電容電壓環(huán)補(bǔ)償函數(shù)零點(diǎn)和超級電容電壓環(huán)穿越頻率之間時(shí)，母線阻抗以40dB/dec增長。當(dāng)頻率介于超級電容電壓環(huán)穿越頻率與母線電壓環(huán)補(bǔ)償函數(shù)零點(diǎn)之間時(shí)，母線阻抗以20dB/dec增長，當(dāng)頻率介于母線電壓環(huán)補(bǔ)償函數(shù)零點(diǎn)與母線電壓環(huán)穿越頻率之間時(shí)，母線阻抗不變。當(dāng)頻率大于母線電壓環(huán)穿越頻率時(shí)，母線阻抗以20dB/dec的速度衰減。因而母線電容的大小以及母線電壓環(huán)的穿越頻率決定了母線輸出阻抗的最大值。

圖15　混合儲能直流母線輸出阻抗Fig.15　Output impedance of hybrid energy storage reflected to DC bus side

3.2儲能介質(zhì)對母線功率的響應(yīng)

由以上分析，可以分別求得直流母線電容、超級電容和蓄電池對直流母線功率波動(dòng)的傳遞函數(shù)GiCBus_iBus（s）、GiBus_SC_iBus（s）和 GiBus_Bat_iBus（s），分別如式（20）～式（22）所示。

圖 16給出了儲能介質(zhì)對母線功率波動(dòng)的頻率響應(yīng)。該圖清晰地揭示了各儲能元件對功率波動(dòng)響應(yīng)的快慢，直流母線響應(yīng)最快，直流母線功率波動(dòng)經(jīng)過一高通濾波器后的結(jié)果為其響應(yīng)，高通濾波器的截止頻率為直流母線電壓環(huán)的穿越頻率。超級電容的響應(yīng)次之，直流母線功率波動(dòng)經(jīng)過一個(gè)帶通濾波器后的結(jié)果為其響應(yīng)，帶通濾波器截止頻率分別為直流母線電壓環(huán)以及超級電容電壓環(huán)的穿越頻率。蓄電池響應(yīng)最慢，直流母線功率波動(dòng)經(jīng)過一個(gè)低通濾波器后的結(jié)果為其響應(yīng)，低通濾波器的截止頻率為超級電容電壓環(huán)的穿越頻率。本方案通過環(huán)路的帶寬設(shè)置了低通、帶通、高通濾波器，母線功率波動(dòng)經(jīng)過三個(gè)濾波器濾波后的功率分量分別由蓄電池、超級電容、母線電容響應(yīng)。

圖16　儲能介質(zhì)對母線功率波動(dòng)的響應(yīng)Fig.16　Response of energy storage to DC bus power fluctuation

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證方案的正確性，本文構(gòu)建了如圖1所示的含超級電容蓄電池混合儲能的直流微網(wǎng)系統(tǒng)，含混合儲能直流微網(wǎng)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)見表 2。在此裝置上分別對風(fēng)機(jī)功率擾動(dòng)與電阻負(fù)載擾動(dòng)情況下，混合儲能的功率分頻響應(yīng)及響應(yīng)速度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

表2　含混合儲能直流微網(wǎng)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)Tab.2　Parameters of DC microgrid with hybrid energy storage system

為了驗(yàn)證分頻響應(yīng)的效果，在微網(wǎng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流加入了周期性擾動(dòng)，從而在直流母線產(chǎn)生一個(gè)頻率為1Hz的三角波功率擾動(dòng)，功率波動(dòng)為 500W，風(fēng)機(jī)擾動(dòng)時(shí)超級電容和蓄電池的響應(yīng)如圖17所示。從中可以看出超級電容補(bǔ)償了92%的功率擾動(dòng)，蓄電池補(bǔ)償了8%的功率擾動(dòng)，因此波動(dòng)功率基本由超級電容響應(yīng)。從圖 16可知，1Hz為超級電容的響應(yīng)頻段，直流母線功率波動(dòng)主要由超級電容響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了此理論分析的正確性。從而將超級電容和蓄電池響應(yīng)頻段分開，能夠有效減少蓄電池頻繁充放電，提升其壽命。

圖17　風(fēng)機(jī)擾動(dòng)時(shí)超級電容和蓄電池的響應(yīng)Fig.17　Response of super capacitor and battery to wind power fluctuation

為了比較超級電容和蓄電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，進(jìn)行了切換直流母線電阻負(fù)載實(shí)驗(yàn)，研究在直流母線產(chǎn)生階躍時(shí)的功率波動(dòng)各部分的響應(yīng)時(shí)間。圖18給出了直流母線負(fù)載在±1kW 切換時(shí)蓄電池和超級電容的響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)直流母線產(chǎn)生階躍功率波動(dòng)時(shí)，超級電容快速響應(yīng)，而蓄電池則緩慢變化，響應(yīng)其穩(wěn)態(tài)分量。同時(shí)，由超級電容電壓控制環(huán)路帶寬 0.05Hz，可得時(shí)間常數(shù)τ =3.18s，進(jìn)而響應(yīng)的峰值時(shí)間約為3τ =9.54s。實(shí)驗(yàn)測得的蓄電池電流響應(yīng)峰值時(shí)間為9s，與理論分析一致。

圖18　直流負(fù)載切換時(shí)蓄電池和超級電容的響應(yīng)Fig.18　Response of super capacitor and battery to DC load changes

5　結(jié)論

本文針對現(xiàn)今廣泛應(yīng)用的混合儲能系統(tǒng)，提出了通過母線電壓提取功率波動(dòng)信息進(jìn)行分頻控制的方案。利用直流母線電壓環(huán)和超級電容電壓環(huán)設(shè)置了低通濾波器、帶通濾波器、高通濾波器這三個(gè)隱形濾波器，其中這三個(gè)濾波器的帶寬由直流母線電壓環(huán)和超級電容電壓環(huán)的穿越頻率決定。波動(dòng)功率中的高中低頻功率波動(dòng)分別由母線電容、超級電容、蓄電池儲能進(jìn)行補(bǔ)償。這樣從子系統(tǒng)頻率特性的角度結(jié)合超級電容功率密度大、蓄電池能量密度大的優(yōu)點(diǎn)，有效提高了系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能。最后搭建了混合儲能平臺驗(yàn)證了理論分析的正確性。

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Frequency Dividing Coordinated Control Strategy for Hybrid Energy Storage System of DC Micro-Grid

Li WuhuaXu ChiYu HongbinGu YunjieHu SidengHe Xiangning
（School of Electrical EngineeringZhejiang UniversityHangzhou310027China）

The renewable energy in DC micro-gird system， such as wind and solar power， has the features of unpredictable power and intermittent outputs. To enhance the stability and reliability， it is necessary to combine energy storage components. The storage unit is made up of hybrid energy which consists of super capacitors and batteries. In this paper， a frequency dividing coordinated control strategy is introduced， which is suitable for DC micro-grid. The information of the power fluctuation can be extracted from the DC bus voltage， and then the invisible filters， namely a low-pass filter， a band-pass filter and a high-pass filter， are formed through the DC bus voltage loop and super capacitor voltage loop. The high， medium and low frequency power fluctuations are absorbed by the bus capacitor， the super capacitor and the battery respectively so as to fully exploit the advantages of battery and super capacitor， such as the high energy density of batteries， the high power density and long cycling life of super capacitor. Hence the storage performance is enhanced. Moreover， without adding extra hardware， the invisible filters are fulfilled by software which is flexible and adjustable. Finally， the experimental results verify the effectiveness of the proposed hybrid energy storage control strategy.

DC microgrid， hybrid energy storage， frequency dividing coordinated control

TM727；TM764.2

李武華男，1979年生，博士，教授，研究方向?yàn)榭稍偕茉吹撵`活接入與柔性并網(wǎng)、直流配電網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)與運(yùn)行控制、高性能變流器的拓?fù)淅碚撆c調(diào)制策略、大容量器件的動(dòng)態(tài)測試與健康管理。

E-mail： woohualee@gmail.com

胡斯登男，1984年生，博士，副教授，研究方向?yàn)閮δ芟到y(tǒng)與電力驅(qū)動(dòng)。

E-mail： husideng@zju.edu.cn（通信作者）

國家自然科學(xué)基金（51407159）和浙江省自然科學(xué)基金（LR16E070001）資助項(xiàng)目。

2014-10-21改稿日期 2014-12-19