有源并聯(lián)混合儲能系統(tǒng)多級電壓控制研究

張靜宇 高妍 張紅娟 靳寶全

摘? 要： 在超級電容和蓄電池的混合儲能系統(tǒng)，如果功率分配不當，會造成儲能系統(tǒng)充電電流振蕩或過大。為此，提出一種以儲能元件荷電狀態(tài)為判斷依據(jù)的功率分配方法，根據(jù)荷電狀態(tài)確定分解層次，接著添加多級電壓控制進行儲能功率的初次分配，進一步通過多環(huán)PI控制和功率修正，有效抑制充電電流振蕩和過充。最后，通過仿真驗證了其控制方法的有效性。

關(guān)鍵詞： 混合儲能; 電壓控制; 功率分配; 荷電狀態(tài); 功率校正; 仿真驗證

中圖分類號： TN876?34; TM910? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）06?0106?04

Research on multi?level voltage control of active parallel hybrid energy storage system

ZHANG Jingyu1， GAO Yan1， ZHANG Hongjuan1， JIN Baoquan2

（1. College of Electrical and Power Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China;

2. MOE Key Laboratory of New Sensor and Intelligent Control， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China）

Abstract： In the hybrid energy storage system of supercapacitor and battery， the current oscillation or excessive current during charging of the energy storage system may be happened， if the power is misallocated. Based on this， a power allocation method based on the state of charge of the energy storage component is proposed. The decomposition level is determined according to the state of charge， and then the multi?level voltage control is added for the initial distribution of energy storage power. Furthermore， the current oscillation and excessive current during charging are suppressed by means of the multi?loop PI control and power correction. The simulation experiments verify the effectiveness of the control method.

Keywords： hybrid energy storage; voltage control; power distribution; charged state; power correction; simulation verification

0? 引? 言

由于風力發(fā)電、太陽能發(fā)電、潮汐能發(fā)電等新能源供電方式經(jīng)濟環(huán)保，成為了電力系統(tǒng)研究熱點，但其極易受環(huán)境等因素影響，容易造成直流母線功率不平衡，儲能裝置通過吸收波動功率，維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行，成為了解決電網(wǎng)功率不平衡的有效途徑。蓄電池具有高能量密度特性而超級電容具有高功率密度特性，因此二者構(gòu)成的混合儲能系統(tǒng)由于經(jīng)濟與技術(shù)上的優(yōu)勢，被廣泛認為是解決目前能量短缺問題的有效方法[1?3]。在混合儲能系統(tǒng)中，通過對儲能單元進行管理，實現(xiàn)蓄電池與超級電容之間能量流的控制，從而滿足負載功率需求，延長儲能單元循環(huán)壽命。因此，混合儲能系統(tǒng)控制策略的研究具有深遠的意義。

目前混合儲能技術(shù)拓撲結(jié)構(gòu)主要分為有源并聯(lián)與無源并聯(lián)兩大類[4]，無源并聯(lián)即蓄電池與超級電容不經(jīng)過整流升降壓而直接并聯(lián)在直流母線兩端，此方法結(jié)構(gòu)簡單，造價低，曾投入實踐大量運用，但是可控性不理想，已逐步被淘汰。有源并聯(lián)又分為半活性與全活性結(jié)構(gòu)，半活性指蓄電池或超級電容有且只有一側(cè)通過雙向DC/DC與直流母線連接，無法保證直流母線電壓穩(wěn)定，且會對蓄電池造成大電流沖擊。而在全活性拓撲中，蓄電池與超級電容可獨立調(diào)控，控制精度與穩(wěn)定性有明顯提高，可充分發(fā)揮混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)勢[5]。

荷電狀態(tài)（State Of Charge， SOC）指儲能元件當前容量與其額定容量的比值，可以反應儲能元件剩余容量，是儲能元件安全高效管理的基礎(chǔ)。針對供電系統(tǒng)中存在的能量回收與母線功率不平衡的問題，本文首先對混合儲能系統(tǒng)中運行于充電模式時的雙向DC/DC裝置工作方式進行分析，然后根據(jù)各儲能元件的荷電狀態(tài)進行功率分配，并通過設(shè)置不同等級的母線電壓閾值完成充電電流修正，同時添加多個PI環(huán)，控制PWM信號發(fā)生器偏移值dev以優(yōu)化補償效果。多值電壓控制環(huán)節(jié)可以根據(jù)系統(tǒng)不同工況靈活調(diào)整儲能元件充電電流并能滿足各種模式無縫切換。在完成混合儲能系統(tǒng)多充電模式控制研究的基礎(chǔ)上，搭建了仿真模型并證明了該方案的有效性。混合儲能控制原理框圖如圖1所示。

1? 基于儲能元件SOC估算功率分配法

混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其由蓄電池、超級電容器與兩個DC/DC雙向變換器組成，將蓄電池與超級電容分別通過雙向DC/DC連接到直流母線上，直流母線額定電壓為UDC， 超級電容額定電壓為USC，蓄電池額定電壓為Ubat。本系統(tǒng)中雙向DC/DC變換器選用半橋型非隔離雙向DC/DC變換器，這種電路結(jié)構(gòu)簡單，采用器件少，控制容易，效率較高[6?7]。充電時根據(jù)蓄電池與超級電容狀態(tài)進行操作，若兩個儲能元件都充滿電，則DC/DC不進行能量傳遞，若有一個未充滿，則對其進行充電。充電時，S1與S3閉合，S2與S4斷開，通過S2與S4上的二極管續(xù)流，完成能量傳遞。

考慮到超級電容響應速度快，功率密度高且超級電容容量設(shè)置時保證在一個周期內(nèi)可以回收全部回饋能量，能夠抑制負載突變對直流母線造成的沖擊等特點，較適用于變化頻繁的工作環(huán)境，因而本系統(tǒng)中超級電容功率吞吐優(yōu)先級高于蓄電池。以荷電狀態(tài)作為分級依據(jù)，延長蓄電池使用壽命，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時可以保證蓄電池兩端電壓波動較小，更好地穩(wěn)定直流母線電壓。本文將安時積分法與開路電壓法相結(jié)合計算儲能元件SOC，減少因單一方法造成的計算誤差，蓄電池與超級電容均等效為一個理想電容與串聯(lián)電阻的簡化形式[8]，建立儲能元件一階模型，得電路方程為：

式中：[UOCt]為儲能元件端電壓;[R1]為等效串聯(lián)電阻;[UCt]為理想電容電壓，采用開路電壓法將SOC（t0）與[UOCUN]進行擬合，計算初始SOC（t0）[9]：

式中，a，b為擬合系數(shù)，不同系統(tǒng)數(shù)值不同。

式中：[CN]為儲能元件額定容量;i為充電電流。根據(jù)超級電容及蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能設(shè)置相關(guān)控制參數(shù)，超級電容SOC上限為0.95，蓄電池SOC上限為0.8，如果蓄電池SOC大于0.8，則啟動限功率保護。設(shè)限功率保護信號為Li，采用邏輯門電路，設(shè)置Li為控制PWM信號發(fā)生的最高級別，若Li=1，則限功率保護啟動，PWM信號發(fā)生器停止工作，儲能元件不進行充電;若Li=0，則限功率儲能元件充電，根據(jù)dev改變PWM信號的占空比，保護元件不會過充。

采用與非、或非等邏輯門電路與SOC計算模型結(jié)合的方法（圖示結(jié)果中SOC%為SOC×100%，物理意義與SOC相同），設(shè)計混合儲能開環(huán)模型，完成功率吞吐分級控制，電感0.003 mH，直流側(cè)電壓48 V，雙向DC/DC開關(guān)頻率20 kHz，超級電容容量10 F，蓄電池額定容量6.5 A·h。超級電容充電優(yōu)先級高于蓄電池，超級電容充電時蓄電池系統(tǒng)與母線斷開，蓄電池充電時，超級電容系統(tǒng)與母線斷開，分級控制結(jié)果如圖3所示。

由圖3結(jié)果可知，系統(tǒng)約在0.018 s停止向超級電容充電，此時超級電容SOC約在0.95，蓄電池進行充電工作，滿足分級控制要求，但是超級電容與蓄電池充電電流達到額定充電電流的數(shù)倍，極易損壞儲能元件，因此使用多級電壓控制對充電電流進行修正。

2? 儲能元件多級電壓控制與電流修正

系統(tǒng)運行過程中，母線功率波動頻繁，若在波動功率過大的情況下充電電流較小，則會引起負載功率擾動，延長母線功率撥動時間;如果設(shè)置充電電流為某一較大恒定值，則會增大DC/DC功率消耗甚至損壞元器件，不利于達到能量回收的效果。因此針對超級電容與蓄電池充電電流添加電壓等級控制，設(shè)置分級控制器，根據(jù)直流母線電壓UDC以及儲能元件內(nèi)部狀態(tài)判定充電電流參考值Iref，Iref與儲能元件輸出電流Ich之差經(jīng)PI控制器產(chǎn)生PWM信號占空比實現(xiàn)儲能元件充電控制，當負載突增時，減少母線電壓功率波動的情況。

設(shè)U1，U2，…，Un為各級電壓閾值，當母線電壓從規(guī)定方向達到閾值后電壓等級將會切換[10]，設(shè)置采樣時間ΔT，同時添加電流限幅，對超級電容而言，避免超級電容充電時電流過大而引起母線電流波動，對蓄電池而言，則可以避免電壓過低時充電電流過大。設(shè)IGBT通態(tài)時儲能元件充電電流為i1，則可得Buck模式方程：

式中：L為儲能電感;[UC]為理想電容瞬時電壓;UDC為高壓側(cè)電壓;R為儲能元件等效串聯(lián)電阻;R1為儲能電感等效電阻，設(shè)IGBT通態(tài)時電流初始值為I10，解式（4）可得：

設(shè)IGBT處于斷態(tài)時負載電流為i2，且初始時刻電流為I20，則可得Buck模式方程：

當電流連續(xù)時可得：

由式（7）可得Buck模式負載側(cè)最大充電電流i10為：

為簡化計算，推導得i20：

式中，t1=ton，將式（7）、式（8）用泰勒級數(shù)近似，可得：

式中，D為Buck電路占空比。由于超級電容允許大電流充電，因此超級電容充電時優(yōu)先考慮DC/DC低壓側(cè)電流，以減少DC/DC損耗，而蓄電池電流應在額定電流i限制范圍，因此蓄電池充電電流值為：

根據(jù)采集次數(shù)計算該等級內(nèi)平均值I′，設(shè)置I′為該電壓等級充電電流值，完成儲能元件充電電流修正，延長系統(tǒng)使用壽命。

3? 儲能元件充電模式分析及控制

超級電容充電時，在超級電容本身電壓初始狀態(tài)時，根據(jù)電流修正值進行恒流充電，在充電進行到超級電容閾值狀態(tài)時，充電方式轉(zhuǎn)換為恒壓充電，減少充電時間，保證超級電容內(nèi)部溫度維持在可控范圍內(nèi)，減少因溫度引起容量不均衡情況的發(fā)生。蓄電池采用恒流充電，根據(jù)蓄電池的額定電流與DC/DC低壓側(cè)最大電流選擇充電電流值，可以直接計算充電量并確定充電完成的時間。

系統(tǒng)正常運行于儲能元件充電工作模式時雙向DC/DC變流器工作于降壓模式，添加觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)與反饋網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置單元控制器，通過對儲能系統(tǒng)的小信號建模，分別可以得到儲能元件在Buck模式下變換器的傳遞函數(shù)Gid（s）和Gvi（s）：

采集超級電容的端電壓和充電電流，以實現(xiàn)超級電容充電功率的控制，使其電壓回到給定值，減少母線電壓波動，在蓄電池之前吸收能量給蓄電池以緩沖時間。采集蓄電池充電電流，實現(xiàn)蓄電池的功率控制，維持母線電壓功率平衡。蓄電池是高能量密度，低功率密度設(shè)備，設(shè)置蓄電池優(yōu)先級低于超級電容，有利于延長蓄電池使用壽命，提高經(jīng)濟效益。儲能元件充電控制原理如圖4所示。