基于功率預(yù)測的混合儲能系統(tǒng)控制策略研究

曹冰玉，蔡新紅，周 鵬

（ 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000）

1 蓄電池和超級電容混合儲能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 混合儲能系統(tǒng)工作原理

混合儲能系統(tǒng)的工作原理如圖1，蓄電池和超級電容分別先于全橋DC-DC 變壓器和控制器連接后再與直流母線相連。 其中Uba為蓄電池輸出電壓；Usc為超級電容輸出電壓；Pbap為蓄電池傳輸功率預(yù)測值；Pscp為超級電容傳輸功率預(yù)測值；控制器1 與控制器2 都采用模型預(yù)測直接功率控制算法[1]。

1.2 DC-DC 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

DC-DC 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2。 該變換器的IGBT 開關(guān)管應(yīng)力電流較小，占空比可達(dá)到1，且工作周期內(nèi)擁有雙向勵磁特性，不需要勵磁復(fù)位電路，因此該變換器的利用率較高，在中高壓、中大功率電路應(yīng)用較為廣泛[2]。

2 混合儲能系統(tǒng)控制策略

2.1 雙向全橋DC/DC 變換器單相移控制策略

單相移控制策略是通過DC/DC 變換器的工作波形，來控制H11與H12開關(guān)管的驅(qū)動脈沖，使得隔離級原副邊產(chǎn)生的方波信號具有相移的特性，再通過調(diào)節(jié)方波間的相移角來調(diào)節(jié)傳輸功率的大小與流向[3]。單相移全橋控制工作波形如圖3 所示。

通過基爾霍夫定律可得：

通過圖3 可看出，在一個開關(guān)周期內(nèi)，電感電流的前半周波形與后半周波形對稱，也就是說t0～t2時間段傳輸功率與t2～t4時間段傳輸功率相同，其表達(dá)式為：

聯(lián)立式（1）式（2）可得基于全橋DC/DC 變換器的單相移控制策略的傳輸功率為[5]：

2.2 混合儲能系統(tǒng)功率分配原則

蓄電池的輸出功率為Pba，超級電容輸出功率為Psc，通過混合儲能控制原理，再結(jié)合式（3）可得到：

由式（4）可知Pba與d1呈上拋物線關(guān)系，當(dāng)傳輸功率達(dá)到最大值時，d1=0.5。 由此可知，當(dāng)d1>0.5 時，傳輸功率Pba隨著相移控制量d1增大而減小，反之，則隨著相移控制量增大而增大。為保證功率與控制量呈現(xiàn)正相關(guān)性，所以控制在0

單相移控制策略是通過改變驅(qū)動脈沖的相移角，來改變輸出功率的大小和方向，采用這種控制策略時，如式（4）所示，功率和相移控制量之間為非線性關(guān)系。當(dāng)控制量出現(xiàn)偏差時，雙向全橋DC-DC 變換器也會存在電壓電流偏差，降低功率分配精度，當(dāng)混合儲能系統(tǒng)采用單相移控制策略時，會導(dǎo)致混合儲能系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)變慢，降低系統(tǒng)電能質(zhì)量。

在混合儲能系統(tǒng)中，要求儲能單元能夠時刻根據(jù)當(dāng)前負(fù)載的需求，輸出相應(yīng)功率。 因此，在混合儲能系統(tǒng)中采用了圖2 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將混合儲能拆分為多個控制系統(tǒng)，并研究了雙向全橋DC/DC1 變換器與DC/DC2變換器的模型預(yù)測算法， 并將模型預(yù)測算法引用到直接功率控制策略中，使蓄電池和超級電容器的吸收或釋放功率得到了合理化分配， 可滿足負(fù)載的功率需求，能夠在負(fù)載功率發(fā)生突變時，迅速響應(yīng)，填補(bǔ)負(fù)載側(cè)功率缺口，實(shí)現(xiàn)了混合儲能系統(tǒng)的快速瞬態(tài)響應(yīng)[4]。

2.3 混合儲能系統(tǒng)模型預(yù)測直接功率控制策略

混合儲能系統(tǒng)的模型預(yù)測直接功率控制策略其原理是根據(jù)雙向全橋DC/DC 變換器的瞬時功率進(jìn)行瞬態(tài)分析，得到瞬態(tài)變量，并通過瞬態(tài)變量對下一周期的瞬時功率進(jìn)行預(yù)測到的預(yù)測值，在下一周期到來時，控制變換器的實(shí)時傳輸功率接近預(yù)測值，減小功率誤差，使負(fù)載在發(fā)生變化時，儲能系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)，為負(fù)載提供電能[5]。

根據(jù)蓄電池和超級電容的特點(diǎn)，可采用高通濾波器來為蓄電池和超級電容進(jìn)行功率分配， 因此可設(shè)τ1為蓄電池供能比列系數(shù)，τ2為超級電容器比列系數(shù)。設(shè)Pscref為負(fù)載發(fā)生突變時超級電容分到的高頻功率分量，則可建立一階高通濾波器通用表達(dá)式為：

式中s—積分算子；Tf—一階高通濾波器時間常數(shù)。

當(dāng)負(fù)載功率突然增加的時候，高通濾波器可給超級電容器給定負(fù)值功率，此時，超級電容器為吸收功率狀態(tài)。反正，當(dāng)負(fù)載功率突降時，超級電容器釋放功率，其負(fù)載功率與給定功率之間的比值為：

因此，在系統(tǒng)出現(xiàn)功率波動產(chǎn)生暫態(tài)功率時，超級電容瞬態(tài)響應(yīng)為系統(tǒng)提供動態(tài)能量。

基于模型預(yù)測控制思想，當(dāng)系統(tǒng)引入功率誤差函數(shù)時，可對控制器1 與控制器2 進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，為了實(shí)現(xiàn)蓄電池預(yù)測功率Pbap與超級電容預(yù)測功率Pscp能夠隨著參考功率Pref實(shí)時變化，則建立功率誤差函數(shù)表達(dá)式為：

因此，當(dāng)蓄電池和超級電容混合儲能系統(tǒng)將功率誤差函數(shù)引用到預(yù)測模型中，可以得到最優(yōu)相移控制量，當(dāng)DC-DC 變換器采用最優(yōu)相移控制量時，混合系統(tǒng)各儲能單元能夠更好的實(shí)現(xiàn)功率合理化分配。提高了微電網(wǎng)電能質(zhì)量[6]。

3 混合儲能系統(tǒng)仿真分析

為驗證DC/DC 變換器采用單相移控制策略與模型預(yù)測直接功率控制策略時，蓄電池—超級電容混合儲能系統(tǒng)的功率分配和瞬態(tài)性能。本次仿真通過改變負(fù)載功率需求，來進(jìn)行仿真測試，如圖4 所示將功率負(fù)載從1 440 W 突增到1 880 W 時的波形。

其中圖（a）為單相移側(cè)控制策略，通過仿真結(jié)果可知：當(dāng)負(fù)載功率增大時，蓄電池和超級電容同時承擔(dān)負(fù)載的功率缺額。圖（b）為模型預(yù)測直接功率控制策略，通過仿真可知：超級電容能夠為負(fù)載瞬時突變造成的功率瞬時波動進(jìn)行填補(bǔ)，而蓄電池則為提供持續(xù)性的電能。通過對比可知，模型預(yù)測直接功率控制策略可有效增加蓄電池壽命且能夠在負(fù)載發(fā)生突變時迅速響應(yīng)，該策略能量分配較為合理。

圖5 為負(fù)載突增時兩種控制策略的系統(tǒng)電壓電流瞬態(tài)響應(yīng)波形圖，圖5（a）為單相移側(cè)控制策略，通過仿真結(jié)果可知：系統(tǒng)電壓電流超調(diào)量為0.7 V，瞬態(tài)響應(yīng)時間為0.2 s。 圖5（b）為模型預(yù)測直接功率控制策略，通過仿真可知：系統(tǒng)電壓電流超調(diào)量為0.5V，瞬態(tài)響應(yīng)時間為0.0047 s，通過對比分析可知，模型預(yù)測直接功率控制策略超調(diào)量低，瞬態(tài)響應(yīng)速度較快。

4 試驗驗證

通過以上的研究，搭建出一個實(shí)驗平臺，其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6，實(shí)驗樣機(jī)如圖7。

當(dāng)實(shí)驗系統(tǒng)輸入電壓調(diào)制到50 V 時，其輸出電壓為40 V，當(dāng)負(fù)載增大時，兩種控制策略實(shí)驗波形如圖8所示。其中8（a）為單相移控制策略，從實(shí)驗波形可知：系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)時間為224 ms。圖8（b）為模型預(yù)測直接功率控制策略，從實(shí)驗波形可知：系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)時間為24 ms。實(shí)驗結(jié)果表明，基于模型預(yù)測直接功率控制策略響應(yīng)速度更快。 其結(jié)果與軟件仿真結(jié)果一致。 負(fù)載突增試驗見圖8。

5 結(jié)論

通過對混合儲能系統(tǒng)功率分配以及兩種不同控制策略的理論研究及實(shí)驗研究， 驗證了本文提出的基于模型預(yù)測直接功率控制策略比單移相控制策略響應(yīng)速度更快， 并通過實(shí)驗驗證了其可行性。 但本文只針對了負(fù)載突增進(jìn)行了實(shí)驗， 后續(xù)應(yīng)當(dāng)加入負(fù)載突降的實(shí)驗分析， 且應(yīng)當(dāng)考慮到變換器并聯(lián)的情況，后續(xù)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行MMC 模塊化多電平的研究。