直流微網中基于混合儲能的自適應能量控制策略研究

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(國網山東省電力公司濟南供電公司， 濟南 250000)

直流微網中基于混合儲能的自適應能量控制策略研究

田明杰,林冬晧,孫占功,朱國軍,王輝云,張磊

(國網山東省電力公司濟南供電公司， 濟南 250000)

針對脈動荷載波動性大、易對儲能電池充放電造成沖擊等問題，研究一種由儲能電池及超級電容組成的混合儲能系統，建立一種自適應能量控制策略并將其應用于直流微網中。該控制策略采用移動平均濾波算法，使儲能電池的充放電狀態得到優化，增加了其充放電次數。對該系統的組成結構和工作原理做了介紹，對所提控制策略做了詳細研究，最后將該控制策略應用于實驗樣機，證明了其有效性。

直流微網；儲能電池；超級電容器；混合儲能；脈動荷載；自適應控制

近年來，隨著越來越多直流形式的家用電器投入市場及分布式(Distributed Generation，DG)發電技術的興起[1]，直流微網由于結構簡單，易于調節控制，且無工頻穩定性問題限制，逐漸成為研究熱點[2-4]。由于DG發電功率和荷載消耗功率都具有波動性特點，直流微網在孤立運行時極易失去穩定[5]。混合儲能作為一種可控制電源應用于直流微網，可將超級電容響應速度快和儲能電池儲存能量大的特點相結合，同時配合設計相應的能量調控策略，能夠大大延長系統的使用壽命，降低更換設備所帶來的成本消耗[6]。

目前，儲能電池及超級電容器主要通過如下三種方式并入直流微網[7]，見圖1。圖1(a)是將超級電容器組及儲能電池組分別經一個DC/DC變流器調控后并入系統直流母線；圖1(b)是將超級電容器組經一個DC/DC變流器調控后并入系統直流母線，而儲能電池組則是直接并入系統直流母線；圖1(c)是將超級電容器組直接并入系統直流母線，而儲能電池組則經一個DC/DC變流器調控后并入系統直流母線。

由于儲能電池直接并入系統直流母線，缺少了DC/DC變流器對電池充電及放電過程的調控環節，極易造成過壓、過流等情況的發生，加之儲能電池對過壓、過流等異常情況非常敏感，很容易導致電池壽命的大幅縮短甚至損壞；而與儲能電池相比，超級電容器的電壓及電流可調冗余度大，一般不存在過壓、過流情況，將其直接并入系統直流母線，反而更能發揮其響應速度快、功率密度高的特點，有效提高系統的穩定性，而且減少了一個DC/DC變流器的能量損耗，系統能量傳遞效率也將得到提高。為此，本文采用圖1(c)所示的混合儲能系統結構。文中對該系統的組成結構和工作原理做了介紹，同時對設計的自適應能量控制策略做了詳細研究，并開發了額定功率為4kW，50～80V/130V，接有1個儲能電池組及1個超級電容器組的物理樣機，將該控制策略應用于實驗樣機，證明了其有效性。

圖1 儲能電池及超級電容并入直流母線方式Fig.1 Access to DC bus modeof battery and super capacitor

1 系統組成結構與工作原理

1.1 微網系統組成結構

圖2為文中所研究的微網系統組成結構，該系統包含：儲能電池組、超級電容器組、DG、DC/DC和荷載等模塊。其中超級電容器組及固定(脈動)荷載直接并入系統直流母線，儲能電池組和DG則分別通過DC/DC變換器1、2并入系統直流母線。

變換器2工作于MPPT(最大功率點跟蹤)模式，可使DG以最大功率發出電能[7]；變換器1采用雙向Buck/Boost拓撲，并采取電流閉環控制，實現了功率的雙向傳送及電壓等級、充放電流的靈活調節。

圖2中，PDG表示DG發出的功率，Pbat、Psc分別表示儲能電池和超級電容器的充放電功率，Pload1、Pload2表示固定(脈動)荷載所吸收的功率。可得到功率動態平衡方程為

Psc+Pbat=Pload-PDG

(1)

從式(1)可以看出,荷載(固定荷載、脈動荷載之和)與DG的功率差額由超級電容器和儲能電池負責平衡。

圖2 微網系統組成結構圖Fig.2 Structure diagram of the microgrid system

1.2 混合儲能系統結構及工作原理

由于脈動荷載與DG具有相似的功率波動性，為分析簡便，文中采用等效方法，將DG與實際的脈動荷載等效為Rload2，如圖3所示。其中：Sw(1)、Sw(2)是分合開關，控制超級電容及儲能電池端口的投切；K1、K2表示斷路器，正常工作狀態下保持閉合，當發生過電壓、過電流現象時斷開；Rs是啟動電阻，在系統啟動時與K1相互配合，減小啟動階段電流對系統的沖擊；Li(1)為儲能電感，Csc、Cbat為濾波電容，SR1、SR2為負荷開關，Rload1、Rload2分別表示固定和等效脈動荷載；isc、ibat分別為超級電容及儲能電池電流;Udc為直流母線電壓;iload為荷載電流。整個裝置的控制系統由DSP與FPGA組成。數據的采樣以及濾波、保護等在FPGA中實現[8],而自適應能量控制策略等上層算法在DSP中完成。

圖3 混合儲能系統簡化后的結構與工作原理圖Fig.3 Structure and working principle diagramof simplified hybrid energy storage system

2 系統控制策略

本文設計的自適應能量控制框圖如圖4所示。其中，Pload1為固定荷載功率，Pfilter為脈動荷載濾波后的功率，Pcom為通過變增益控制維持直流母線電壓穩定的補償功率，Pbat表示經該控制策略得到的儲能電池組應傳送的功率。

該控制策略以優化儲能電池的充放電為目標，先經移動濾波器將脈動荷載功率濾波，得到Pfilter；然后通過變增益控制得到補償功率Pcom；最后將Pfilter、Pload1及Pcom相加求和得到Pbat；而荷載實時吸收功率Pload和儲能電池實時傳輸功率Pbat_t的差額則經超級電容實時快速補償。

圖4 系統自適應能量控制框圖Fig.4 System adaptive energy control block diagram

2.1 DC/DC變換器1控制

系統中變換器1采用電流閉環控制，將濾波后計算出的功率指令Pbat給儲能電池組作電流閉環控制；超級電容器直接接在直流母線上，利用其功率密度大、充放電速率快的優點，對濾波后脈動荷載功率的缺額實時快速補償。圖5為DC/DC變換器1控制框圖。圖5中,Ibat_ref表示儲能電池傳輸電流參考值，Ibat表示濾波后的儲能電池電流值。經電流閉環控制得占空比Dbat，再經PWM調制后得到互補的門極驅動信號[9]。

圖5 變換器1控制框圖Fig.5 Control block diagram of converter 1

2.2 移動平均濾波算法及時間窗口T的選擇

移動平均濾波算法旨在計算幾個序列數的移動均值，并生成一個新的平均值序列[10]。它等同于一間隔為T的時間窗口，沿一組數值序列順序移動。每經過一取樣間距，窗口前會移入一新的數據，而窗口后則會剔除一舊數據，從而確保窗口中保持T/t(t表示取樣間距)個“新的數據”，然后再將更新后的T/t個數據算術求平均，便求得一組濾波后的新數據序列，其數學表達式如下：

(2)

式中：T表示時間窗口大小。

如圖4所示，將iload2及Udc作乘積并在T內積分求和取平均，這樣就得到濾波后的功率Pfilter。同時，為實現對儲能電池組充、放電過程的充分優化，在確保系統安全工作的前提下，對移動窗口T的大小需要合理選擇。

圖6所示為脈動信號波形示意圖，對其做傅里葉分解，可得分解式如下：

(3)

圖6 脈動信號波形示意圖Fig.6 Schematic diagram of pulsating signal waveform

可以發現式(3)中占比重最高的為1次諧波，為了分析簡便，現只對1次諧波的幅頻特性做重點分析。圖7所示為脈動信號1次諧波濾波后的幅頻特性曲線，圖中T0為脈動信號周期。

圖7 脈動信號1次諧波濾波后的幅頻特性Fig.7 Amplitude frequency characteristic ofpulsating signal after first harmonic filtering

在工程應用中，移動平均濾波器的增益衰減通常為3～40dB。由圖7可知，在僅考慮1次諧波影響的狀況時，T可取范圍為0～T0，由于T取值愈大，對控制芯片性能要求愈高[11]，綜合考慮經濟性、穩定性等因素，本文取值0.42T0

2.3 直流母線電壓變增益控制

由于混合儲能系統中存在功率損耗等，且采樣存在誤差，極易造成直流母線電壓偏離其額定值，因此有必要對直流母線電壓進行實時調節。直流母線電壓控制采用增益可調的自適應控制器，其根據Udc與參考值Udc_ref的差值實時調節增益系數Kcom，從而調整補償功率Pcom，進而達到調節Pbat的目的。

圖8為直流母線電壓變增益調節示意圖。圖中，依據超級電容端電壓的大小將控制區劃分成3部分，I、III區表示快調區，分別以大小為mL、mH的增益對Pcom進行快調；III區表示微調區，以大小為m0的增益對Pcom實施微調。其中，Udc_ref為直流母線電壓的參考值，Udc_L、Udc_H分別為I區與II區、II區與III區的閾值。根據圖8所示，可得Pcom的計算公式為

式中：Kcom_L、Kcom_0、Kcom_H分別是I、II、III區的增益；Pcom_L、Pcom_H表示增益補償值，用來保證Pcom在各調節區始終連續。依據超級電容器容量大小及系統運行自損率，設定合適的Kcom_L、Kcom_0與Kcom_H，計算得Pcom，實現對Pbat實時調控。使儲能電池實時更新功率補償數值，便可使直流母線電壓穩定在額定值附近。

圖8 直流母線電壓變增益調節示意圖Fig.8 Schematic diagram of variable gainregulation on DC bus voltage

3 實驗驗證

3.1 混合儲能系統實驗平臺

為驗證本文所提出的自適應能量控制策略的有效性，本文開發一臺物理實驗樣機，它由儲能電池組、超級電容器組、變換器、控制板、驅動電路等組成。其中，電池采用鉛酸電池，由6個單體串聯成組，電壓60～75 V；超級電容采用模組形式，額定參數150 V/6.67 F，實驗中設定工作電壓為130 V。

樣機硬件參數：Li(1)=1 200 μH；Rs=100 Ω；Csc=Cbat=4 500 μF；Rload1額定值為1.8 kW，Rload2調節范圍0～2 kW。控制參數：Udc_ref=130 V；開關頻率 20 kHz，采樣頻率40 kHz。

3.2 混合儲能系統自適應能量控制策略實驗分析

為驗證直流母線電壓變增益調節的有效性，進行對比實驗。圖9為未采用直流母線電壓變增益調節情況下投入脈動荷載的波形圖。圖9中，Pload是荷載吸收功率，由于系統中存在功率損耗，從而造成超級電容輸出功率大于吸收功率，即表現為Udc不斷下跌，這給系統的穩定運行造成了威脅。圖10為采用直流母線電壓變增益調節情況下的實驗圖。

圖9 未采用電壓變增益調節實驗波形圖Fig.9 Waveforms diagram without adoptingvoltage gain regulation experiment

結合前文分析可知，由于Pcom的作用，使得蓄電池組發出功率增多，從而補償了系統功率的損耗，使Udc穩定在參考值附近。

圖10 采用電壓變增益調節實驗波形圖Fig.10 Waveforms diagram when adoptingvoltage gain regulation experiment

為驗證所提自適應能量控制策略的有效性，設置對比試驗。圖11是未采用能量控制策略情況下投入脈動荷載的實驗波形圖，當荷載功率由0.8 kW驟增至1.5 kW時，Udc下跌5 V左右，ibat由大約11 A陡升至20 A左右，isc只有6A左右充、放電電流；當荷載功率由1.5 kW驟減至0.8 kW時，則情況相反。由圖11可知，超級電容器響應程度有限，儲能電池充放電電流變化率極大，對其使用壽命有極大影響。圖12是采用能量控制策略情況下的對比實驗圖。可以發現，當荷載功率變化時，超級電容器響應程度大大增加，有大概30A左右的充、放電電流(響應速率提高近5倍)，這將大大緩解儲能電池充、放電電流突變的不利狀況，延長其使用壽命。

圖11 未采用能量控制策略實驗波形圖Fig.11 Theexperimental waveforms of energycontrol strategies are not used

圖12 采用能量控制策略實驗波形圖Fig.12 Waveforms diagram whenenergy control strategies are adopted

4 結 語

研究一種應用于直流微網的混合儲能系統，并提出一種自適應能量控制策略，通過實驗驗證了其有效性。該控制策略可使直流母線電壓穩定在額定值(130V)附近(±5V)，并將超級電容的響應速率提高近5倍，從而優化了儲能電池的充、放電狀態，延長了其使用壽命，具有良好的經濟效益。

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On the Adaptive energy control strategy based on hybrid energy storage in the DC microgrid

TIAN Mingjie，LIN Donghao，SUN Zhangong，ZHU Guojun，WANG Huiyun，ZHANG Lei

(Jinan Power Supply Company of state Grid Shandong Electric Power Co.,Ltd.，Jinan 250000，China)

In view of problems such as the high fluctuation and the impact on energy storage battery charging and discharging of fluctuating load, a hybrid energy storage system composed of energy storage battery and super capacitor is studied, and then an adaptive energy control strategy is proposed and applied to the DC microgrid. The strategy uses the moving average filter algorithm to optimize the charging and discharging state of the energy storage battery, which increases the charge and discharge time. The composition structure and working principle of the system are introduced in this paper, and then the proposed control strategy is studied in detail. At last, the control strategy is applied to an experimental prototype, which proves its effectiveness.

DC microgrid; energy storage battery; super capacitor; hybrid energy storage; fluctuating load; adaptive control

2017-07-17。

田明杰(1989—)，男，碩士，主要研究方向為微電網技術、大功率儲能技術。

TM711

A

2095-6843(2017)06-0492-05

(編輯侯世春)