計及線路電阻的直流微網混合儲能系統電流分配控制策略

陳德彪， 蔣偉明， 劉海風， 高明明， 趙晉斌

（1. 上海煙草集團有限責任公司， 上海 200090； 2. 上海電力大學， 上海 200090）

0 引言

近年來， 各行業對環境保護和資源節約的呼聲越來越高， 分布式發電如風力發電、 光伏發電由于其環保可持續特性， 受到了國內外專家學者的廣泛關注[1-3]。 受自然條件的影響， 分布式電源存在間歇性與隨機性的特點， 因此微電網需要配置相應的儲能以彌補其功率缺額[4]。 不同的儲能具有不同的功率密度、 能量密度、 響應時間和循環壽命， 如超級電容具有較快的響應速度、 較高的功率密度， 但其能量密度較低； 蓄電池響應速度較慢、 功率密度較低， 但其能量密度較高。 單一型儲能無法兼具上述優良性能， 而混合型儲能結合了高功率密度、 高能量密度及動態響應等特點， 可充分發揮儲能的效率， 因此對混合儲能的研究具有重要意義。

針對混合儲能電流分配策略， 國內外專家學者提出了一系列解決方案。 文獻[5]提出一種光伏－超級電容－蓄電池－電解槽混合發電系統功率協調控制策略， 在實現直流微電網有功功率平衡的前提下， 達到了維持直流母線電壓穩定和平抑系統并網功率的目的， 提高了光伏利用率； 文獻[6]中功率密度型儲能在平抑功率波動過程中產生的能量差額由能量密度型儲能補償， 極大地減少了儲能容量的配置； 文獻[7]采用希爾伯特黃變換和低通濾波算法相結合的方式， 確定了初始濾波時間與其時間常數之間的變化規則， 較好地實現了功率波動的平抑作用； 文獻[8]提出基于自適應變分模態分解的混合儲能平滑光伏出力波動方法， 能夠自適應地實現光伏出力的最佳分解及合理分配， 在有效減少光伏出力波動的同時， 避免儲能元件出現冗余容量； 文獻[9]中采用多目標非線性優化調度， 在調度過程中充分考慮了混合儲能系統的壽命、 偏離校正以及充放電效率； 文獻[11]提出一種基于虛擬電容下垂的分散型控制策略， 無需通信即可實現功率的動態分配。 然而，這些文獻均未考慮線路電阻對混合儲能系統電流分配的影響。

1 直流微電網系統結構與特點

直流微電網典型系統架構如圖1 所示， 主要包括網、 源、 荷、 儲4 個方面， 分別對應傳統大電網、 分布式電源、 負荷和混合儲能系統。

圖1 直流微電網典型系統架構

直流微電網中的混合儲能整合了能量密度型儲能與功率密度型的各自優勢（功率及能量密度高， 響應速度快， 使用壽命長）， 能夠有效且經濟地補償直流微電網的瞬時功率波動。 分布式電源與負荷之間的瞬時功率差額可表示為：

式中： PHESS為混合儲能系統的發出功率； PDG為分布式電源的輸出功率；PLOAD為負荷所消耗的功率，其瞬時功率差額由混合儲能系統來補償。

2 儲能系統傳統下垂控制策略及其局限性

2.1 混合儲能系統傳統下垂控制策略

基于分布式電源的特點， 下垂控制的研究與應用較為廣泛， 它無需通信線作為數據傳輸的中介， 僅需本地信息就能實現良好的控制， 極大提高了系統的可靠性及可擴展性能。 根據混合儲能系統的特點， 傳統控制方法基于混合儲能系統的分頻補償特性， 提出了對蓄電池采用虛擬電阻下垂控制， 對超級電容采用虛擬電容下垂控制， 實現由蓄電池補償低頻功率波動， 超級電容補償高頻功率波動的控制策略。

2.1.1 能量密度型儲能控制策略

能量密度型儲能控制策略如圖2 所示， 圖中： Vref1為電壓基準值； VoBat為蓄電池實際輸出電壓； IoBat為實際輸出電流； ILBat為蓄電池側變換器電感電流； Rd為下垂系數。

圖2 能量密度型儲能控制策略

蓄電池虛擬電阻下垂控制與傳統直流微電網下垂控制一致， 可由式（2）表示：

4）物資供應渠道是物資采購管理的核心業務之一，在整個供應鏈管理中地位極其突出，相當于機械運轉的源頭。供應渠道選擇的根本目標就是使物資從采購、租賃到入庫的交貨期最短、總成本最小、性價比最優、價值水平達到最佳水平。例如，企業可通過招投標方式與材料供應商建立長期合作關系，減少供與求的中間環節，通過向市場要“庫存”，向供應商要“儲備”，不僅可減少訂貨周期和談判等造成的交易費用，減少資金占用成本，還不會給施工企業造成過多的庫存壓力，降低庫存成本。

通常利用式（3）計算下垂系數：

式中： ΔVmax為能保證微電網穩定運行的直流母線電壓最大波動范圍； Imax為蓄電池輸出的電流極限值。

2.1.2 功率密度型儲能控制策略

功率密度型儲能控制策略如圖3 所示， 圖中： VOUC為超級電容實際輸出電壓； Vref2為變換器輸出電壓基準值； IOUC為實際輸出電流； ILUC為超級電容側變換器電感電流； Cd為下垂電容； s為拉普拉斯變換算子。

圖3 功率密度型儲能控制策略

基于類似濾波器的設想， 虛擬電容下垂控制被廣泛應用于超級電容當中， 虛擬電容下垂控制的輸出電壓與電流關系由式（4）給出：

傳統分析中， 直流微電網規模較小時， 線路電阻一般遠小于下垂系數， 故可將其忽略不計，則有Vref1=Vref2， 即均等于母線電壓。

2.2 傳統控制策略的局限性

根據2.1 小節混合儲能系統的控制策略， 得出其等值電路如圖4 所示， 圖4 中包含單臺蓄電池及單臺超級電容。 為分析方便， 假設儲能容量較大， 不存在SOC 低于下限值的問題， 能量密度型儲能與功率密度型儲能用理想電壓源等效， 負載用理想電流源進行模擬。 Io為負載電流； Vbus為母線電壓。 當忽略線路電阻Rline1和Rline2時， 可以得到：

圖4 系統等效電路

為維持孤立直流微電網中母線電壓的穩定，需滿足供需平衡：

利用復頻域分析方法， 聯立式（2）、 式（4）—（6）可得到：

式中： IoBat（s）， IOUC（s）和Io（s）分別為蓄電池輸出電 流、超級電容輸出電流和負載電流的復頻域表達式。

由式（7）可知， 蓄電池變換器及超級電容變換器輸出分別添加了低通濾波器和高通濾波器，蓄電池僅需補償瞬時功率波動的低頻分量， 超級電容則僅需補償瞬時功率波動的高頻分量， 極大提高了儲能的利用效率， 并有利于維持直流母線電壓穩定。

然而， 隨著分布式電源的發展及微電網的規模逐漸增大， 線路電阻不容忽略。 考慮線路電阻影響時， 結合圖4， 同理可以推導出電流分配：

由式（8）可知， 考慮線路電阻影響時， 蓄電池與超級電容均參與補償了瞬時功率波動的低頻分量與高頻分量， 極大降低了儲能系統的運行效率及壽命， 嚴重時甚至會威脅直流微電網的穩定。

3 基于阻抗主動測量的改進下垂控制策略

以蓄電池為例， 本文所提改進下垂控制策略可由式（9）描述：

圖5 改進下垂控制策略

采用改進下垂控制策略后， 電流分配公式為：

由式（10）可知， 當線路電阻辨識值接近其實際值時， 其表達式與不考慮線路電阻影響的表達式一致， 說明所提控制策略能夠削弱線路電阻造成的不利影響， 有利于提高儲能系統的利用效率及維持母線電壓的穩定。

4 仿真驗證

4.1 仿真參數

為驗證所提控制策略的有效性和實用性， 在PSIM 中搭建了包含單臺蓄電池和單臺超級電容的混合儲能仿真模型， 系統仿真參數見表1。 設定在0.45 s 時， 系統由輕負荷跳變為重負荷； 在0.65 s 時， 系統由重負荷突變為輕負荷。

表1 系統仿真參數

4.2 考慮線路電阻的傳統控制策略仿真

傳統控制策略的混合儲能工作仿真波形如圖6 所示。 由圖6（a）可知， 在0.45 s 時系統負荷狀態從輕負荷狀態跳變為重負荷狀態， 跳變瞬間，蓄電池承擔了將近1/3 的瞬時功率波動高頻分量， 超級電容沒有充分發揮其優勢， 同時蓄電池進行了不必要的放電， 影響蓄電池的使用壽命和整個儲能系統的穩定運行。 在0.65 s 時， 系統負荷狀態從重負荷狀態跳變為輕負荷狀態， 跳變瞬間， 由圖6（b）仿真結果可知， 此時蓄電池承擔了將近1/4 的瞬時功率波動高頻分量， 超級電容同樣沒有充分發揮其優勢， 同時蓄電池進行了不必要的充電， 也同樣影響蓄電池的使用壽命和整個儲能系統的穩定運行。

4.3 考慮線路電阻的改進控制策略仿真

改進控制策略的混合儲能工作仿真波形如圖7 所示。 由圖7（a）可知， 在0.45 s 時， 系統負荷狀態從輕負荷狀態跳變為重負荷狀態， 跳變瞬間， 蓄電池幾乎沒有承擔瞬時功率波動高頻分量，超級電容充分發揮其優勢， 同時蓄電池沒有進行不必要的放電， 提高了蓄電池甚至整個儲能系統的使用壽命和運行穩定性。 在0.65 s 時， 系統負荷狀態從重負荷狀態跳變為輕負荷狀態， 跳變瞬間， 由圖7（b）可知， 此時蓄電池也幾乎沒有承擔瞬時功率波動高頻分量， 超級電容充分發揮其優勢， 同時蓄電池沒有進行不必要的充電， 同樣提高了蓄電池甚至整個儲能系統的使用壽命和運行穩定性， 尤其是在功率波動較為頻繁的場景中，所提方法更具有實用性和經濟價值。

圖6 傳統控制策略的混合儲能工作仿真波形

圖7 改進控制策略的混合儲能工作仿真波形

5 結語

介紹了混合儲能系統的結構特點及其傳統控制策略的不足， 分析了線路電阻存在時對電流分配的影響， 提出了基于阻抗辨識的改進下垂控制策略。 通過虛擬電阻負反饋彌補線路電阻造成的影響， 當系統存在功率波動時， 功率波動的低頻成分僅由蓄電池補償， 而高頻成分由超級電容補償， 且控制策略無需利用通信， 提高了直流微電網的冗余性和穩定性， 更好地維持了直流微電網母線電壓的穩定。 在PSIM 中搭建了包含單臺蓄電池和單臺超級電容的混合儲能仿真模型， 驗證了所提控制策略有效性和實用性。