脈沖負(fù)載下獨立微電網(wǎng)混合儲能的優(yōu)化控制策略

師 萌，王金全，黃克峰，嚴(yán) 鋆

(陸軍工程大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

0 引言

隨著電力電子變流技術(shù)的高速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，以相控陣?yán)走_(dá)為代表的新型裝備不斷涌現(xiàn)。該類裝備的負(fù)載平均功率低而峰值高[1]、周期短、沖擊強(qiáng)，呈現(xiàn)強(qiáng)烈脈沖特性，是典型的脈沖負(fù)載。現(xiàn)階段，工程或裝備的自備電源多以柴油發(fā)電機(jī)組為主，系統(tǒng)容量小、慣性弱，脈沖負(fù)載導(dǎo)致其傳輸功率大幅振蕩，甚至引起系統(tǒng)跳閘保護(hù)而中斷工作。由此可見，脈沖負(fù)載給小容量獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來巨大挑戰(zhàn)。為保持獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，采用配置儲能系統(tǒng)進(jìn)行功率平抑成為有效手段之一。

目前，儲能設(shè)備可分為能量型和功率型兩類[2-3]，以蓄電池為代表的能量型儲能設(shè)備能量密度大、存儲能量多，以超級電容為代表的功率型儲能設(shè)備功率密度高、響應(yīng)速度快[4]。為使儲能系統(tǒng)兼?zhèn)淠芰亢凸β孰p重優(yōu)勢，以降低脈沖負(fù)載對微電網(wǎng)母線電壓的大幅波動，本文使用混合儲能系統(tǒng)。

在對混合儲能系統(tǒng)的研究中，不同儲能介質(zhì)間的功率分配問題是近年研究熱點之一。文獻(xiàn)[5]采用低通濾波的方法補(bǔ)償風(fēng)電功率中的特定頻段分量，但未考慮儲能設(shè)備SOC，易造成設(shè)備過沖過放。文獻(xiàn)[6]采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的方法，根據(jù)儲能設(shè)備SOC實時調(diào)整EMD的濾波階數(shù)以維持荷電狀態(tài)的穩(wěn)定，但計算過程復(fù)雜繁瑣，而且忽略了儲能系統(tǒng)整體的性能優(yōu)化。文獻(xiàn)[7]采用時間常數(shù)隨儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)變化的方法，但無法依據(jù)理論公式求解最佳時間常數(shù)，憑經(jīng)驗獲取耗時很長。文獻(xiàn)[8]研究混合儲能系統(tǒng)的功率分配策略，為減少電池的充放電次數(shù)而過度使用超級電容，影響了整體使用的穩(wěn)定性和耐用度。

為解決混合儲能存在的問題，本文對蓄電池和超級電容組成的混合儲能系統(tǒng)進(jìn)行“雙優(yōu)化”控制。首先，根據(jù)測量得到的柴油發(fā)電機(jī)組整流輸出直流功率、脈沖負(fù)載等效功率和混合儲能電池SOCH，利用模糊邏輯算法優(yōu)化混合儲能系統(tǒng)的充放電功率；然后，以超級電容SOC作為蓄電池功率分配基礎(chǔ)，建立超級電容與蓄電池之間功率分配算法，優(yōu)化蓄電池儲能；最后，通過MATLAB/Simulink仿真驗證了本文所提方法的正確性和有效性。

1 脈沖負(fù)載混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文針對由蓄電池和超級電容組成的獨立微電網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)進(jìn)行控制優(yōu)化，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 含脈沖負(fù)載的柴油發(fā)電機(jī)組混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1中柴油發(fā)電機(jī)組通過可控整流再經(jīng)C濾波后給脈沖負(fù)載供電，輸出電壓為ud0，負(fù)載電流為idc，直流開關(guān)S為脈沖開關(guān)，與電阻負(fù)載共同組成脈沖負(fù)載。采用超級電容和磷酸鐵鋰電池組成混合儲能補(bǔ)償系統(tǒng)，分別通過雙向DC/DC連接到直流母線上，平抑脈沖負(fù)載運(yùn)行過程中引起的母線電壓波動，減小整流器前交流電流和電壓的波形畸變，改善交流供電質(zhì)量和柴油發(fā)電機(jī)工作條件。

依據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行特性可將整個系統(tǒng)劃分為3個功率模塊：混合儲能充放電功率PH(t)、柴油發(fā)電機(jī)組供電直流功率Pdc(t)、脈沖負(fù)載等效功率Pload，其中，混合儲能充放電功率包括超級電容充放電功率PS(t)和蓄電池充放電功率PB(t)。

忽略系統(tǒng)運(yùn)行中線路及設(shè)備的能量損耗，由能量守恒定律可知，各部分功率滿足如下關(guān)系式：

(1)

2 混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)化控制

2.1 混合儲能系統(tǒng)充放電功率的修正

2.1.1參考值SOCH的獲取

綜合蓄電池與超級電容的荷電狀態(tài)，可由式(2)計算混合儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)SOCH：

(2)

其中：SOCB(t)、CB分別為混合儲能系統(tǒng)中蓄電池的荷電量和額定值；SOCS(t)、CS分別為混合儲能系統(tǒng)中超級電容的荷電量和額定值。

混合儲能系統(tǒng)在獨立微電網(wǎng)中的關(guān)鍵作用在于其通過不斷地充放電補(bǔ)充或吸收系統(tǒng)能量，保證系統(tǒng)在整體上處于功率平衡狀態(tài)。因此，混合儲能系統(tǒng)的荷電量越接近飽和容量的一半，其性能越優(yōu)；反之，荷電量越接近空電或飽和，其性能越差。本文將混合儲能系統(tǒng)由空電到飽和劃分為7個荷電狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 混合儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)

當(dāng)SOCH為0.4～0.7時，混合儲能系統(tǒng)既可及時補(bǔ)充柴油發(fā)電機(jī)組母線電壓跌落，亦可及時吸收母線多余能量，此時混合儲能系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。當(dāng)SOCH為0.3～0.4、負(fù)載功率達(dá)到峰值時，其強(qiáng)行向母線補(bǔ)充電量以平抑功率波動，很容易造成電池與超級電容的過放，縮短使用壽命。當(dāng)SOCH為0.7～0.8時，易造成混合儲能系統(tǒng)的過充。當(dāng)SOCH分別為0.2～0.3和0.8～0.9的臨界狀態(tài)時，系統(tǒng)只能充電和放電。其他SOCH值表示混合儲能系統(tǒng)已處于非正常態(tài)。

2.1.2采用模糊控制方法的功率修正

若不考慮混合儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)，直接依據(jù)整流輸出的直流功率Pdc(t)與負(fù)載等效功率Pload來計算功率波動量PH(t)，強(qiáng)行使混合儲能系統(tǒng)釋放或吸收能量，極易造成混合儲能系統(tǒng)過充或過放。對此，本文利用基于模糊控制的方法，對混合儲能系統(tǒng)充放電功率進(jìn)行修正。

如圖3所示，將混合儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)SOCH與充放電參考功率PH同時作為模糊控制方法的輸入量，經(jīng)過模糊控制后得到ΔPH再與參考值PH相加以修正，得到混合儲能系統(tǒng)的充放電功率Pe。

圖3 混合儲能系統(tǒng)充放電功率的修正控制圖

如圖4所示，本文采用2輸入(SOCH、PH)-1輸出(ΔPH)的模糊控制方法。SOCH的取值范圍為[0,1]；兩個輸入變量的隸屬度函數(shù)分別包含7個模糊子集：負(fù)值最大(NB)、負(fù)值中度(NM)、負(fù)值最小(NS)、零、正值最小(PS)、正值中度(PM)及正值最大(PB)。

圖4 2輸入-1輸出的模糊控制方法結(jié)構(gòu)

確定規(guī)則的依據(jù)如下：若功率波動量PH(t)為正值，則獨立微電網(wǎng)要求混合儲能系統(tǒng)向母線放電以補(bǔ)充負(fù)載功率需求，而補(bǔ)充值要參考混合儲能系統(tǒng)自身的荷電量，避免過放，即SOCH值大時多放電，中等時少放電，小時不放電。參考兩個輸入量各自的7個狀態(tài)，得到模糊控制方法邏輯表如表1所示。

表1 模糊控制方法邏輯表

2.2 混合儲能系統(tǒng)充放電功率的分配

由2.1節(jié)確定了獨立微電網(wǎng)中混合儲能系統(tǒng)所需充放電的功率Pe，而Pe分配于超級電容和蓄電池時，必須考慮兩種儲能介質(zhì)自身的工作特性將功率變化緩慢、迅速的分量分別分配給蓄電池，和超級電容。傳統(tǒng)分配方法原理簡單，但其最佳濾波時間常數(shù)會隨微電網(wǎng)系統(tǒng)各個模塊參數(shù)的變化而變化，難以找出計算規(guī)律，且濾波效果不理想。對比此傳統(tǒng)濾波方法，提出了基于超級電容SOC的功率優(yōu)化控制方法。系統(tǒng)運(yùn)行時，超級電容的荷電狀態(tài)SOCS僅與電容電壓有關(guān)，計算方便且不會跳變，所以將其作為功率分配函數(shù)的自變量。為簡化計算，令蓄電池分配功率PBe與超級電容實時荷電狀態(tài)SOCS之間的相關(guān)系數(shù)為-1。即當(dāng)SOCS接近最大值SOCSmax時，PBe接近負(fù)的最大值PBemax，同時蓄電池的充電功率增大，此時強(qiáng)制超級電容放電；當(dāng)SOCS接近最小值時，PBe接近正的最大值PBemin，同時蓄電池的放電電功率增大，迫使超級電容充電，其線性功率分配方式函數(shù)如圖5所示。

圖5 混合儲能系統(tǒng)功率分配函數(shù)

可得圖5函數(shù)表達(dá)式為：

(3)

則分配給超級電容的功率PSe為：

PSe=Pe-PBe

(4)

為比較傳統(tǒng)濾波方法與本文提出的基于電容SOC的功率分配法，對峰值功率為20 W、脈沖周期為1 s、占空比為50%的方波信號進(jìn)行充放電功率分配仿真計算。傳統(tǒng)濾波法采用時間常數(shù)為1 s的一階低通濾波器，超級電容工作極限荷電狀態(tài)最大值SOCSmax與最小值SOCSmin分別為0.9和0.2進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真，由圖6仿真結(jié)果所示，采用傳統(tǒng)濾波方法進(jìn)行功率分配時，超級電容和蓄電池的充放電功率都分別達(dá)到了極值10、50和-20、20；而基于超級電容SOC的功率分配方法二者都小于極值。因此，相較于傳統(tǒng)LC濾波方法，基于超級電容SOC的分配方法使超級電容和蓄電池充放電功率更平緩，對混合儲能系統(tǒng)沖擊性更小。

圖6 混合儲能功率分配方法仿真對比

由式(4)得到超級電容分配功率PSe，令其與前端電壓us相比得超級電容的電流參考信號iSe，并與反饋實時電流測量值is作差，再通過PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生超級電容實際投入工作模式的PWM信號，其控制框圖如圖7所示。

圖7 超級電容PWM信號產(chǎn)生原理圖

參考超級電容PWM信號產(chǎn)生原理可得蓄電池PWM信號的控制方法，但值得注意的是，蓄電池還需要考慮SOP指標(biāo)，為避免蓄電池的過放，一般要加入SOP限值進(jìn)行處理。

本節(jié)基于混合儲能系統(tǒng)功率優(yōu)化分配方法以及2.1 節(jié)模糊控制方法對電功率的修正，可得脈沖負(fù)載下獨立微電網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)化控制原理如圖8所示。

圖8 脈沖負(fù)載下獨立微電網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)化控制原理圖

3 仿真分析

為驗證混合儲能系統(tǒng)“雙優(yōu)化”控制策略的正確性與可行性，本文利用 MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行了仿真研究。仿真系統(tǒng)由柴油發(fā)電機(jī)組、磷酸鐵鋰電池-超級電容組成的混合儲能系統(tǒng)以及脈沖負(fù)載組成。

主要參數(shù)設(shè)置如下：柴油發(fā)電機(jī)組功率為30 kW，脈沖負(fù)載峰值功率為30 kW、周期為56 ms、占空比為50%，并由文獻(xiàn)[9]可得脈沖負(fù)載等效功率為32.19 kW。脈沖負(fù)載的等效功率大于柴油發(fā)電機(jī)組，必須由儲能系統(tǒng)進(jìn)行功率補(bǔ)償。混合儲能系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為：直流母線電壓500 V，磷酸鐵鋰電池7.26 kW/10.13 kWh，超級電容5.06 kW/2.17 kWh。

3.1 仿真系統(tǒng)

“雙優(yōu)化”控制策略分為兩步：一是將基于實時計算的混合儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)SOCH與補(bǔ)償功率參考值PH(t)作為2輸入，由模糊邏輯控制算法得到修正的充放電功率；二是以電容SOC為變量的線性計算方法進(jìn)行混合儲能系統(tǒng)功率分配，分別得到磷酸鐵鋰電池與超級電容的分配功率。

蓄電池的控制方式如圖9所示，選用電流跟蹤的控制方式進(jìn)行恒壓限流控制。其中iLref為電感電流參考值；Gm(s)為PWM的傳遞函數(shù)；Gboid(s)為電感電流信號控制信號的傳遞函數(shù)；H(s)為電感電流的采樣環(huán)節(jié)；Gboid1(s)、Gboid2(s)分別為放電和充電狀態(tài)時電流環(huán)的校正函數(shù)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖9 蓄電池充放電控制策略

超級電容在混合儲能系統(tǒng)中平抑了高頻功率波動部分，本設(shè)計在充電過程中選擇電流控制，放電過程中為避免時間滯后和采樣失真等情況，采用雙環(huán)控制策略，其控制原理圖如圖10所示。

圖10 超級電容充放電控制策略

3.2 仿真結(jié)果與分析

依據(jù)3.1節(jié)所搭建的仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

直流母線電壓仿真波形如圖11所示。分析可得：混合儲能系統(tǒng)投入運(yùn)行前，直流母線電壓存在較大幅度的波動，電壓最大值可達(dá)600 V，最小值約為380 V，幅值差高達(dá)220 V；2 s時，混合儲能系統(tǒng)投入運(yùn)行，電壓的幅值振蕩大幅減小，在530 V～450 V區(qū)間波動，幅值差縮小為80 V。混合儲能系統(tǒng)主要起到削峰填谷作用，脈沖負(fù)載峰值功率突變時由柴油發(fā)電機(jī)組和混合儲能系統(tǒng)共同為負(fù)載供電，脈沖結(jié)束后，由柴油發(fā)電機(jī)組為混合儲能系統(tǒng)充電，優(yōu)化了系統(tǒng)的輸出特性。

混合儲能系統(tǒng)總充放電功率及超級電容、蓄電池各自充放電功率如圖12所示。對比傳統(tǒng)濾波算法下得到的充放電功率參考值1，模糊控制器相應(yīng)減弱了它的充放電功率，起到保護(hù)儲能系統(tǒng)的作用。

混合儲能系統(tǒng)補(bǔ)償前后系統(tǒng)諧波含量的對比如圖13所示，由圖13(a)可得混合儲能補(bǔ)償系統(tǒng)加入前，系統(tǒng)的諧波畸變率(THD)高達(dá)37.6%，由圖13(b)可得儲能補(bǔ)償加入之后畸變率降至28.16%，且6k±1次諧波在一定程度上均有所抑制。基于仿真結(jié)果，通過計算可以得到混合儲能系統(tǒng)加入前后直流電壓波動率δu和交流頻率波動率δf，對比結(jié)果如表2所示。基于本文提出的新型控制策略可以使得電壓波動率、交流頻率波動率、諧波畸變率均大幅減小，系統(tǒng)性能得到改善，達(dá)到優(yōu)化目的。

圖11 儲能補(bǔ)償柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載仿真波形

圖12 混合儲能系統(tǒng)充放電功率仿真波形

指標(biāo)δf/%δu/%THD/%補(bǔ)償前6.5626.0837.60補(bǔ)償后3.4114.4628.16

圖13 儲能系統(tǒng)補(bǔ)償前后總諧波含量

4 結(jié)論

本文以蓄電池和超級電容組成獨立微電網(wǎng)中的混合儲能系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上對其脈沖負(fù)載運(yùn)行特性進(jìn)行“雙優(yōu)化”控制。首先由整流直流功率和脈沖負(fù)載等效功率計算得到波動功率，與混合儲能系統(tǒng)SOC構(gòu)成2輸入，利用模糊邏輯算法，修正混合儲能系統(tǒng)的充放電功率；其次以超級電容SOCH作為蓄電池功率分配基礎(chǔ)，推導(dǎo)出蓄電池功率分配算式，優(yōu)化混合儲能系統(tǒng)充放電功率的分配方法。通過MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，本文提出的功率優(yōu)化控制策略可以有效降低柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載運(yùn)行產(chǎn)生的功率波動，改善系統(tǒng)電能質(zhì)量，降低蓄電池和超級電容的充放電功率峰值，提高儲能設(shè)備壽命，實現(xiàn)了脈沖負(fù)載下獨立微電網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)化控制。

本文提出的混合儲能系統(tǒng)供電功率利用了基于超級電容SOC的線性分配控制策略，下一步工作是深入研究儲能設(shè)備的充放電機(jī)理及其功率分配方法，進(jìn)一步提高混合儲能系統(tǒng)的功率補(bǔ)償效果，并延長其壽命，降低成本。

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