蓄電池-超級電容混合儲能系統控制方法研究

蘇　適，李　萍，嚴玉廷，楊　洋，張文斌

(1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南昆明650063；2.昆明理工大學，云南昆明650000)

蓄電池-超級電容混合儲能系統控制方法研究

蘇適1，李萍1，嚴玉廷1，楊洋1，張文斌2

(1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南昆明650063；2.昆明理工大學，云南昆明650000)

電池-超級電容半主動混合儲能系統廣泛應用于短時大脈動功率的場合。通過對電力電子設備的控制，可以對瞬時功率進行合理地分配，最終達到延長電池和超級電容使用壽命及提高系統輸出性能的目標。低通濾波和移動平均是兩種重要的功率分配方法，而更適用于脈動負載的方法至今還沒有文獻給出。選用電池直接并聯流母線，超級電容通過雙向直流-直流變換器接直流母線的半主動混合儲能系統，分析和建立了基于移動平均和低通濾波控制的兩種SAHS模型。在脈動負載下，比較了低通濾波和移動平均這兩種控制算法。此外，還設計了超級電容的過壓和欠壓保護控制。研究表明，兩種控制方法在脈動負載下都能很好地減小電池的電流波動，但是移動平均控制下的電池電流更平滑。同時，超級電容的保護控制也保證超級電容工作在正常的電壓范圍內。

半主動混合儲能；脈動負載；低通濾波；移動平均；超級電容保護

可再生能源促進了分布式發電、智能電網和混合動力汽車等的發展。由于可再生能源具有間歇性和不確定性，輸出的功率具有波動性。混合電動汽車由于運行的環境不同，有時需要短時大功率輸出,這些都可以等效為脈動恒流負載[1]。脈動負載的接入會影響系統的穩定性和可靠性。然而，儲能系統不僅能迅速平衡系統瞬時功率，平滑負荷，還可以提高系統運行的穩定性，補償負荷的波動[2-3]。因此，研究和開發高效、廉價的大規模儲能技術，成為能源可持續發展的關鍵環節，也是國家未來能源戰略的重要組成部分[4]。

蓄電池是發展時間最長、應用最廣泛的儲能技術之一。它的典型特點是能量密度高。當蓄電池為脈動負載供電時，它的壽命會大大縮短。與傳統的蓄電池相比，超級電容(supercapacitor,SC)作為一種新型儲能技術具有功率密度大、循環壽命長和充放電效率高等特點，它可以短時提供強大的脈動功率。將蓄電池和超級電容混合使用，構成蓄電池/超級電容混合儲能系統，可提高儲能單元的功率輸出能力，延長放電時間和增加蓄電池的使用壽命[5]。再配以相應的能量管理方案和控制策略，可以實現系統穩定經濟的運行[6]。

電池-超級電容HESS在電動汽車、地鐵、充電站、UPS、便攜式設備、微電網及軍事相關領域有著廣泛的應用。文獻把超級電容應用到能量存儲系統中，使電動汽車的總成本(安裝+充電)降低了三分之一。眾多科研小組驗證了電池和超級電容混合到一個系統中可以充分發揮電池能量密度高和超級電容功率密度高的優勢[7]。然而，HESS的協調控制和能量管理是目前應用中的熱點問題[8]。文獻[9]采用低通濾波算法有效地平抑可再生能源功率波動，達到延長蓄電池使用壽命的目的。文獻[10]采用移動平均的控制算法，這種控制方法不僅提高了蓄電池和超級電容的利用率，還延長了蓄電池的使用壽命。移動平均和低通濾波常用于平滑脈動負載的功率，然而，兩種控制算法的比較研究還比較少。因此，探究哪種控制方法更適合脈動負載具有重要的研究價值。

本文選用超級電容、蓄電池和BDC組成的半主動混合儲能系統作為分析的模型，分別設計了基于低通濾波和移動平均算法的控制方案。通過建模仿真比較了兩種控制算法。本文還設計了超級電容的過壓和欠壓保護控制，避免超級電容超過額定電壓或者低于最低電壓帶來的損壞。

1　控制策略

半主動混合儲能的拓撲結構有多種，本文選用電池直接并聯在直流母線，SC通過一個BDC與母線連接的系統，系統結構如圖1。這種結構不需要蓄電池額定電壓與超級電容電壓一致。同時BDC接在SC側，還能最大限度地利用SC。

圖1　半主動混合儲能系統

1.1低通濾波

低通濾波能夠有效平滑功率的波動。一個理想的低通濾波器可以用式(1)表示：

式中：ωc是截止頻率；k為系數。

對式(1)進行拉普拉斯變換得：

式中：τ是時間常數。所以通過低通濾波器的功率為：

式中：Pload是負載的瞬時功率。

可以由式(4)得到超級電容的功率：

負載所需功率Pload，減去低通濾波器輸出功率Plp，就是超級電容的參考功率Psc,ref。輸入控制器的參考電流Iref就等于超級電容的參考功率Psc,ref除以超級電容的瞬時電壓Vsc。

圖2是低通濾波器的控制仿真圖。

1.2移動平均

在這個控制算法中，移動平均輸出的功率可以表示為：

圖2　低通濾波控制仿真圖

式中：Tma和Pload分別是移動時間窗口和負載的瞬時功率。另外，Tma與負載的頻率有關。

同理可以得到移動平均算法下的參考電流，只需把前一節中的Plp用Pma代替,如式(7)和(8)。

1.3SAHES中超級電容的過/欠壓保護

超級電容的荷電狀態(state of charge,SoC)和電壓在HESS中變化較大。如果不采取保護措施，超級電容的電壓可能降低到零也可能超過安全電壓，這就會損壞超級電容。因此，需要設計一個控制策略來保護超級電容。我們把SoCsc和Iload方向作為輸入，得到一個無量綱的M作為輸出，M的范圍在0到1之間，這就根據超級電容和負載的實時情況，控制超級電容工作在不同模式下。控制規律如式(9)：

式中：k1，k2，c1和c2為常數。

當負載把能量回饋給系統時，若SC已經充滿，SC則不再充電，M=0。若SC已經接近充滿，SoC超過95%時，充電電流開始緩慢地減小，減小的速率為k1。在SC充滿時，M減小到0，對SC停止充電。當SC工作在正常電壓范圍內，即SoC介于30%到95%之間時，SC的充放電電流根據負載情況變化。當SoC低于30%時，放電速度開始減小，減小的速率為k2。當SoC降低到25%時，SC停止放電，保護超級電容。

過/欠壓保護控制的仿真圖如圖3所示。

2　仿真和結果分析

2.1仿真

本文使用MATLAB/Simulink(version R2013a)進行仿真分析。這里我們直接使用SimPower Systems中已經建立好的電池和超級電容的模型。由于鉛酸電池是使用時間最長、技術最成熟的，是電力系統中主要使用的電池種類，所以仿真中我們選鉛酸電池。DC/DC變換器的轉化效率與電池和超級電容端電壓有關。兩者的電壓越接近，DC/DC變換器效率越高。所以電池和超級電容的額定電壓都為48 V。電池和超級電容的參數設置如表1。電池和超級電容都處于充滿狀態，也就是說電壓都處在最大值處。

圖3　超級電容過/欠壓保護仿真圖

表1　鉛蓄電池和超級電容參數數

超級電容的過/欠壓控制的常數分別取：k1=－20，k2=20，c1=20，c2=－5。

脈動負載電流由一個受控電流源和脈沖發生器產生。脈動發生器的周期為5 s，占空比為10%。仿真中使用一個雙向BUCK/BOOST變換器。另外，PI控制器廣泛應用于DC/DC變換器的控制當中，所以這個仿真模型中我們也使用PI控制器。整個仿真進行的總時長為30 s。

2.2仿真結果分析

時間常數的選擇對兩種控制都有很大的影響，因此選取合適的時間常數非常重要。圖4顯示時間常數Tlp分別取1、5、10、50和100 s時，電池電流的波形。我們可以看出當低通濾波的時間常數大于負載周期的兩倍時，電池電流的波紋幾乎減小到零。

圖4　脈動負載周期和占空比分別為T=5 s，D=10%時，不同低通濾波時間常數Tlp為1、5、10、50、100 s下對應的電池電流波形

當移動平均的時間常數Tma分別取1、5、10 s時，電池的電流情況如圖5。從圖中可以看出移動平均的時間常數要大于等于脈動負載的周期。在本次仿真中，我們分別取低通濾波和移動平均的時間常數為Tlp=50 s和Tma=5 s。

圖5　脈動負載周期和占空比分別為T=5 s，D=10%時，不同移動平均時間常數Tma為1、5、10 s對應的電池電流波形

仿真結果如圖6和圖7。從圖中我們可以看出：(1)除了仿真開始的短暫時間，超級電容的電流Isc，都很好地跟蹤了參考電流Iref。負載需要的電流由電池Ibatt和Icon一起提供；(2)超級電容提供了負載所需的90%的功率；(3)盡管兩種控制方法的控制結果很相近，但是與低通濾波相比，移動平均控制下的電池電流波紋更平滑。

圖6　脈動負載周期和占空比分別為T=5 s，D=10%時，采用低通濾波控制方法的SAHS的仿真結果

圖7　脈動負載周期和占空比分別為T=5 s，D=10%時，采用移動平均控制方法的SAHS的仿真結果

為了進一步地比較兩種控制策略下電池和超級電容的利用程度，這里給出了安時曲線。安時分別對電池電流Ibatt和超級電容電流的絕對值|Isc|進行時間積分，如圖8。從結果可以看出：(1)移動平均控制下，超級電容和電池的利用率都提高了；(2)兩種控制方法下的超級電容和電池曲線幾乎平行。兩條平行線之前的間隙是由時間常數引起的。

圖8　低通濾波和移動平均控制下的安時曲線

從圖6和圖7中可以看出，負載電流施加和結束的短暫時間內，電流有個瞬間脈動。產生這種情況的原因主要有兩個：(1)當負載施加和結束的時候有個近似的階躍變化；(2)控制器具有延時。

過壓保護如圖9。由圖中可以看出，當SoCsc=100%且Iload＜0時，M=0。參考電流為零，避免超級電容過壓。當超級電容的SoCsc從 100%減小到95%，M 的斜率為－20。當SoCsc＜25%且Iload＞0時，M=0，如圖10，有一個較低的過渡區域保護超級電容低于最小電壓。當電池給超級電容充電使SoC從20%升高到30%時，M變化的斜率為20。

圖9　當SoCsc=100%且Iload＜0時，過壓保護啟動M=0

圖10　當SoCsc＜25%且Iload＞0時，欠壓保護啟動M=0

本文建立了SAHES模型，其中超級電容通過BDC與直流母線相連，電池直接連接直流母線。

本文重點比較了低通濾波和移動平均兩種不同的控制方法，也討論了時間常數對電池電流的影響，制定了選擇時間常數的規律。低通濾波器時間常數應該大于等于脈動負載的周期的兩倍。移動平均的時間函數應該大于等于脈動負載的周期。超級電容的過/欠壓保護控制，根據實時的工況調整超級電容的充放電速率，避免過充和過放對超級電容帶來的損傷，延長超級電容的使用壽命。

仿真結果顯示，移動平均控制下電池的波紋較小。同時兩種控制方法的控制結果相似。此外，過/欠壓保護控制算法成功避免超級電容發生過充或者過放的情況。

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Comparison of control strategies in a battery/supercapacitor hybrid energy storage system

SU Shi1,LI Ping1,YAN Yu-ting1,YANG Yang1,ZHANG Wen-bin2
(1.Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming Yunnan 650063,China；2.Kunming University of Science and Technology,Kunming Yunnan 650000,China)

A battery/supercapacitor hybrid energy storage system is widely used in many applications.The instantaneous power can be smoothed reasonably by the control of power electronic devices.So lives of batteries and supercapacitors can be extended and the output performance of system can be improved.Low pass filter and moving average both are very important power smoothing control methods,but the better one has not yet been given. Low pass filter and moving average control methods used in semi-active hybrid energy storage system were analyzed and modeled.The simulation results were compared in pulsed load power.Besides,the over and under protects of supercapacitor were presented in this paper.The results show that two control methods both decrease the current fluctuation,but the moving average control are better.At the same time,the protection control of supercapacitor ensured that the voltage was within the normal range.

semi-active hybrid energy storage；pulsed load；low pass；moving average；supercapacitor protection

TM 53

A

1002-087 X(2016)10-2030-03

2016-03-21

青年科學基金項目(21106060)；中國博士后科學基金資助項目(2012M511950)

蘇適(1972—)，男，云南省人，高級工程師，主要研究方向為電廠自動化和新能源發電技術應用。