基于荷電狀態的復合儲能系統功率分配方法

王曉海，王 奎，何金平

應用研究

基于荷電狀態的復合儲能系統功率分配方法

王曉海，王 奎，何金平

（船舶綜合電力技術重點實驗室，武漢 430064）

目前復合儲能系統的功率分配普遍采用基于功率直接分解的方法，此方法忽略了電量的累積效應，無法直接控制儲能裝置的狀態。針對該問題，本文提出基于荷電狀態的復合儲能系統功率分配方法。該方法省略功率分解環節，直接構造功率指令與荷電狀態之間的函數關系，并以此為基礎同時控制瞬時變量（功率）和時間累積變量（荷電狀態），從而使系統中的各儲能裝置在各時間尺度上均能維持相對的能量平衡。以由超級電容和電池構成的復合儲能系統為例，在Simulink仿真平臺上建立仿真模型。對基于荷電狀態的功率分配方法和濾波法進行了仿真對比，并且驗證了結論的正確性。

復合儲能系統 功率分配 超級電容

0 引言

以“雙碳”目標為背景，儲能系統發揮著舉足輕重的作用。儲能技術在船舶行業也得到了廣泛的應用。工程船舶上的儲能系統需要滿足兩方面的要求：一是需要提供大功率的支撐；二是需要在發電出現故障時，保證重要負荷長時間的正常運行[1]。因此儲能系統必須兼具較好的功率輸出特性和一定的儲能容量。

目前單一的儲能材料很難兼顧功率和能量兩方面的要求，將功率輸出能力強的超級電容，與具有長時間儲能能力的可充電電池類儲能裝置聯合起來，組成復合儲能系統，將最大限度地發揮各儲能裝置的優勢。同時，不同性能的儲能裝置有可能運行在對自身更有利的方式下，有助于延長儲能系統的使用壽命。此外，在滿足整體性能需求的前提下，采用復合儲能有可能減小儲能系統整體的功率或存儲容量，提高利用率，實現更好的經濟性[2]。

本文針對復合儲能系統提出了一種新的功率分配方法，并和現有的濾波法進行比較，在功率波動的情況下進行仿真，從穩態響應結果證明了該策略的優勢。

1 復合儲能系統拓撲結構和控制方法

采用超級電容和電池類直流電壓源型儲能裝置組成的復合儲能系統，其基本結構一般是，儲能裝置直接、或通過雙向DC/DC變換器并聯到直流母線上，直流母線可以直接連接直流負載或者通過DC/AC變換器為交流負載供電。復合儲能系統的示意圖如圖1所示:

圖1 復合儲能系統示意圖

圖1所示儲能系統中的DC/DC變換器可采用如圖2所示的buck-boost雙向DC/DC變換器。通過改變電感電流i平均值的大小和方向，即可實現功率的雙向流動。直流電壓源型儲能裝置接入輸入端后，可將輸出電壓u或電感電流i的平均值作為控制目標，通過改變橋臂上下管導通的占空比來實施控制[5]。

圖2 buck-boost雙向DC/DC變換器拓撲

2 復合儲能系統功率分配方法

2.1 濾波法

目前一種常規的功率分配方法是濾波法，即對功率指令或電流指令進行分解，通過高通濾波器檢測功率參考值的高頻分量作為負載瞬時功率的參考值，由超級電容進行響應；通過低通濾波器檢測功率參考值的低頻分量作為負載穩態功率的參考值，由電池進行響應[3]。濾波法控制原理圖如圖3所示:

圖3 濾波法控制原理圖

首先檢測直流母線輸出電壓U，并與參考電壓U作差，誤差信號通過控制器產生補償功率指令P，通過低通濾波器將P分解成兩部分，低頻部分作為電池輸出功率的參考值P_ref，高頻部分作為電容輸出功率的參考值P_ref，然后由功率參考值生成各自的輸出電流參考值。采用電壓外環、電流內環雙閉環控制，使電池和電容輸出功率跟隨功率輸出指令P_ref、P_ref。通常要在i_ref、i_ref指令后增加限幅環節，以防止電池電容輸出電流過限。

這里低通濾波器簡單選擇為一階低通濾波器，其傳遞函數為：

其中為微分算子，T為濾波時間常數[4]。

假設=0時刻功率參考指令P由P突變到P（0時刻以前功率分配已達穩定狀態，即P_ref(0)=0,P_ref(0)=P），則傳遞給電池和超級電容的功率指令P_ref()、P_ref()分別為：

進行離散化,其中，Δ表示仿真步長，表示迭代次數。

仿真流程為：

從式（7）可以看出，P_ref隨P緩慢變化，主要響應低頻功率；P_ref隨P快速變化，主要響應高頻功率。電池和超級電容的所分配的功率參考值主要有總功率參考指令P以及濾波時間常數T，T越大，截止頻率f越小，濾波器允許通過的頻率范圍越小，分配的電池的功率P_ref就越小，電池功率變化也就平緩。同時分配給電容的功率P_ref就越大。

2.2 基于荷電狀態（SOC）的功率分配方法

濾波法在進行功率分配時沒有考慮儲能系統的，因此需要增加額外的控制模塊，以防止超級電容的過充過放。儲能裝置的用來反映儲能裝置的剩余電量，其估計值可按下式得到：

其中，Q為儲能裝置額定容量，為累積計算得到的儲能裝置已放出的電量。儲能裝置充滿電時為1。

設某種儲能裝置一段時間[1,2]內放電電流為()，放電功率為()，端電壓為()；荷電狀態為()，儲存的能量為()；則上述變量之間具有如下關系

因此，構造（或）與（或）之間的函數，是建立兩類變量直接聯系的一種方法。

對理想電容來說，其儲存的電量與端電壓成正比，根據荷電狀態定義，其與端電壓成正比；對電池來說，可以通過電池管理系統（）獲得。因此一般儲能裝置的比較容易獲取。

若將超級電容的荷電狀態作為電池功率指令的自變量，根據電容建立與其相關的電池功率輸出指令，將使電池輸出功率更加平緩，極大地避免了尖峰功率和頻繁的功率變化對電池性能和使用壽命的影響。

電池的功率指令函數P_ref()需要能調整超級電容的到合適狀態，以使得電容具有處理波動功率的剩余電量。當功率波動到來時，首先由電容進行響應，當電容的波動稍大時，才會引起電池功率指令P_ref的變化。可簡單的令P_ref與呈線性關系，設置P_ref與的上下限，使得越接近下限，電池的放電功率越大，迫使電容進行充電；越接近上限，電池的充電功率越大，迫使電容進行放電。設儲能系統的參考正方向為放電，則P_ref與，以及P_ref相應的關系式為：

其中Pb_max為電池輸出功率絕對值的上限，SOCl為電容SOC的下限，SOCu是電容SOC的上限。Pref為復合儲能系統整體需要響應的功率參考值，Psc_ref為超級電容需要響應的功率參考值[6]。

上述分配方法的示意圖如圖4所示，可以看出，每一個P_ref對應一個，當要求儲能系統輸出的功率在（0，P_max）時，電池功率會自動調節，使得一直處于（SOC，SOC）之間，不會超限。比如當P=0.5P_max，如果降到了SOC，則電容功率P_ref=P-P_max=-0.5P_max，在電池功率的調節下，電容進行充電。同時電池功率指令函數已經對電池的輸出功率進行了限幅，在對P進行限幅的情況下，電容的輸出功率被限制在（-P_max，P_max）之內。

根據以上論述，基于荷電狀態的功率分配法控制原理圖如圖5所示[7]。

3 仿真與驗證

依據圖4給出的超級電容電池復合儲能系統的拓撲結構，以及2.1節和2.2節中的控制原理圖，基于/平臺進行仿真，給出基于荷電狀態的功率分配方法與濾波法關于周期性功率波動穩態響應結果的對比。

圖5 基于荷電狀態的功率分配法控制原理圖

假設復合儲能系統整體的功率指令P為在1 kW到3 kW之間波動、脈沖寬度為50%的方波。分別采用時間常數為0.5 s的一階低通濾波器、時間常數為2 s的一階低通濾波器、和基于荷電狀態的功率分配方法，對功率波動進行處理；達到穩態時的仿真結果如圖6所示。其中，P_ref(W)為電池響應功率，P_ref(W)代表超級電容響應功率。

圖6 功率波動仿真結果

從圖6可以看出，對于電容功率和電池功率，采用基于荷電狀態的功率分配方法相較于濾波法時，電池功率指令的波動幅度始終較小.

仿真結果說明，在容量配置一定的情況下，與普通濾波法相比，基于荷電狀態的功率分配方法具有良好的適應性。

4 結論

本文提出了一種基于荷電狀態的復合儲能系統功率分配方法。該方法省略功率分解環節，直接構造功率指令與荷電狀態之間的函數關系，并以此為基礎同時控制瞬時變量（功率）和時間累積變量（荷電狀態），使系統中的各儲能裝置能維持相對的能量平衡。該方法使功率分配結果針對功率波動具有良好自適應性。

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Power distribution method of composite energy storage system based on state of charge

Wang Xiaohai, Wang Kui, He Jinping

(Science and Technology on Ship Integrated Power System Technology Laboratory, Wuhan 430064, China)

U469.72

A

1003-4862（2022）10-0133-04

2022-03-29

王曉海（1994-），男，碩士。研究方向：電力電子與電力傳動。E-mail: 75241601@qq.com