張純江 董 杰 劉 君 賁 冰

（燕山大學(xué)電力電子節(jié)能與傳動控制河北省重點實驗室 秦皇島 066004）

1 引言

可再生能源的大量利用不僅能緩解目前的能源危機(jī)，同時也能大大減少污染物的排放，能夠取得比較好的節(jié)能減排效益[1]?？稍偕茉窗l(fā)電單元存在著發(fā)電量不穩(wěn)等一些缺點，因此儲能系統(tǒng)已經(jīng)成了以太陽能、風(fēng)能等為主要能量來源的分布式發(fā)電系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，具有重要的研究意義[2,3]。

蓄電池在儲能設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，其能量密度較大，符合分布式發(fā)電對能量密度的要求[4]。但是受電化學(xué)反應(yīng)速率的限制，蓄電池地功率密度比較小，當(dāng)負(fù)載功率突變時，不能快速的吸收或釋放目標(biāo)功率，較難滿足系統(tǒng)的動態(tài)要求。超級電容充放電時內(nèi)部發(fā)生的是物理變化，具有功率密度大的特點，可以在短時間內(nèi)提供較大功率，為其他設(shè)備提供緩沖，但是能量密度比較低，因此超級電容與蓄電池在性能上有較強的互補性，常將這兩種儲能元件通過一定的方式連接構(gòu)成混合儲能系統(tǒng)[5-10]，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點使系統(tǒng)獲得更好的性能，這也是本文的出發(fā)點。

2 儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理分析

將蓄電池和超級電容分別通過雙向半橋接到直流母線上構(gòu)成混合儲能系統(tǒng)，此變換器是目前在光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種雙向變換器。為了簡化分析，假定分布式系統(tǒng)能量來源僅來自光伏電池，則系統(tǒng)的簡化結(jié)構(gòu)如圖1 所示，直流母線可認(rèn)為是光伏發(fā)電單元、負(fù)載、儲能系統(tǒng)三者的公共接點，把分布式發(fā)電系統(tǒng)中的直流負(fù)載、獨立運行逆變器、并網(wǎng)運行逆變器統(tǒng)稱為直流母線的負(fù)載。

圖1 簡化的分布式發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 simplified structure of distributed power generation system

設(shè)Pload、Pbat、Psc、Ppv分別為負(fù)載、蓄電池、超級電容以及光伏電池的功率，則有

蓄電池在系統(tǒng)中的作用通常是維持母線上能量的功率平衡，在負(fù)載功率突變的時刻，光伏電池的功率可認(rèn)為不變的，這要求蓄電池迅速的改變其充放電功率以滿足負(fù)載要求。但蓄電池功率密度小的特點決定了蓄電池難以滿足要求。

此時如果超級電容來提供負(fù)載功率突變部分（即負(fù)載功率的高頻分量），這樣蓄電池就只需要提供負(fù)載功率變化的低頻分量。這樣可以極大地削減負(fù)載突變造成的對蓄電池的沖擊，降低對蓄電池功率密度的要求，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。同時蓄電池可以更好地穩(wěn)定直流母線電壓，其充放電電流變化速率也得到了降低，蓄電池的工況有了很好地改善，這能減少蓄電池的損傷，延長蓄電池的使用壽命。

對于負(fù)載功率高頻分量的檢測，采用單極點高通濾波器即可以實現(xiàn)，且控制相對簡單，數(shù)字化實現(xiàn)方便。設(shè)Pscref為負(fù)載突變時超級電容的高頻功率給定量，則單極點高通濾波器的通用表達(dá)式為

設(shè)超級電容所連接的雙向變換器效率為η，Vsc和Isc分別為超級電容端壓和電流，對于超級電容本身的充放電功率Psc有

當(dāng)負(fù)載突增時，經(jīng)濾波得出的超級電容功率給定Pscref為正值，即此時超級電容應(yīng)該釋放功率

此時超級電容放電電流應(yīng)該為

當(dāng)負(fù)載突減時，經(jīng)過濾波得出的Pscref為負(fù)值，即此時超級電容應(yīng)該吸收功率

則此時超級電容的充電電流大小為

在負(fù)載突增或突減時，通過式（5）和式（7）計算結(jié)果來控制超級電容的充放電電流來實現(xiàn)其功率的控制。

在整個混合儲能系統(tǒng)運行過程中，其控制原理圖如圖2 所示。蓄電池和超級電容分別通過一個雙向變換器連接到直流母線上，為了實現(xiàn)系統(tǒng)功能，混合儲能系統(tǒng)的控制中設(shè)計了四個控制器。

圖2 混合儲能系統(tǒng)控制原理圖Fig.2 Control principle diagram of the HESS

控制器1 采集蓄電池充放電電流和直流母線電壓，并根據(jù)給定的直流母線電壓值控制雙向變換器工作于單端穩(wěn)壓模式，穩(wěn)定直流母線的電壓?？刂破? 采集超級電容端壓和充放電電流，根據(jù)負(fù)載功率高頻分量檢測環(huán)節(jié)的高頻功率信號，得出超級電容實時充放電電流值的大小，以實現(xiàn)超級電容充放電功率的控制，提供或吸收突變功率的高頻部分，給蓄電池提供緩沖?？刂破? 工作在負(fù)載功率波動值小于設(shè)定閾值時，采集超級電容電流和端壓，根據(jù)設(shè)定的超級電容端壓參考值 Vscref進(jìn)行恒壓限流充電，這能使超級電容的電壓時刻維持在設(shè)定值，為下一次負(fù)載突變做準(zhǔn)備?？刂破? 運行在蓄電池過放時，蓄電池已經(jīng)不能在維持母線電壓穩(wěn)定，應(yīng)斷開負(fù)載，對蓄電池進(jìn)行充電，采集蓄電池電壓和電流，進(jìn)行恒壓限流充電。

3 系統(tǒng)主電路與控制策略分析

3.1 雙向半橋變換器兩種模式下的數(shù)學(xué)模型

圖3 雙向半橋變換器電路結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Diagram of the bidirectional half-bridge converter

將蓄電池和超級電容都等效為理想電容及一個等效串聯(lián)內(nèi)阻的簡化模型，儲能元件連接雙向變換器的電路圖如圖3 所示，C 是儲能元件等效電容，r 是其串聯(lián)內(nèi)阻，U2是儲能元件的端壓，也就是變換器低壓端電壓，電感L、開關(guān)管S1、S2以及輸出側(cè)濾波電容C1構(gòu)成雙向半橋變換器，RL為等效負(fù)載，U1為輸出電壓，實際中U1即是直流母線電壓。

當(dāng)變換器運行于Boost 單端穩(wěn)壓模式時，設(shè)d為S1的開關(guān)函數(shù)，可以得到其小信號模型為

當(dāng)變換器運行于Buck 模式時，設(shè)d'為S2的開關(guān)函數(shù)，可以得到其小信號模型為

3.2 雙向半橋變換器四種模式下的控制策略

在變換器處于Boost 單端穩(wěn)壓模式時，負(fù)載RL在數(shù)值上而言可正可負(fù)，即變換器正向工作時為正，反向時為負(fù)。雙向變換器Boost 型單端穩(wěn)壓模式采用電壓電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，單端穩(wěn)壓模式的控制框圖如圖4 所示。

圖4 控制器1 的控制框圖Fig.4 Block diagram of the controller 1

在超級電容正常工作時，超級電容提供負(fù)載高頻功率，檢測環(huán)節(jié)得到功率的高頻部分，計算得出超級電容充放電電流的參考值，再通過控制超級電容充放電電流來實現(xiàn)。直接用比例積分控制器就可以使電感電流穩(wěn)定，其控制框圖如圖5 所示。

圖5 控制器2 的控制框圖Fig.5 Block diagram of the controller 2

系統(tǒng)正常運行時，如果負(fù)載波動幅度小于設(shè)定的閾值，則需要對超級電容進(jìn)行恒壓限流充電，使得超級電容的端壓回到給定值。另外，當(dāng)蓄電池端電壓過低時，為了避免蓄電池過放電，也需要對蓄電池進(jìn)行充電，此時變換器的控制目標(biāo)是低壓端輸出電壓，采用電壓外環(huán)電流雙內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)的控制策略，控制框圖如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)中控制器3、4 的控制框圖Fig.6 Block diagram of the controller 3 and 4

變換器此模式工作時電壓調(diào)節(jié)器輸出的電流給定需加限幅環(huán)節(jié)，對蓄電池充電而言，這樣做的目的是為了避免蓄電池端電壓低時出現(xiàn)充電電流過大；對超級電容而言，是為了避免超級電容自充電時因為充電電流過大引起母線電壓波動。

4 儲能系統(tǒng)仿真分析

4.1 仿真條件

以230V 電壓源和5Ω電阻串聯(lián)作為簡化光伏電池，系統(tǒng)負(fù)載為純電阻性負(fù)載，設(shè)定直流母線電壓為220V，蓄電池組額定電壓為96V，容量為100A·h，超級電容組參數(shù)為3.3F，初始電壓設(shè)為110V。系統(tǒng)輕載為100W，重載為2 000W。0.1s 時系統(tǒng)由輕載變?yōu)橹剌d，0.3s 時系統(tǒng)由重載變?yōu)檩p載。

4.2 蓄電池單獨工作仿真

如果蓄電池單獨工作，得到仿真波形如圖7 所示。圖中上部分曲線為直流母線電壓波形，下部分曲線為蓄電池電流波形，從圖中可以看出，在負(fù)載變化一段時間后，母線電壓能夠穩(wěn)定在220V，說明蓄電池單端穩(wěn)壓模式能夠起到維持母線功率平衡和母線電壓穩(wěn)定的作用。

在系統(tǒng)加載時，蓄電池電流值由負(fù)變正，補充母線上功率的不足。在此過程中母線電壓跌落至198V，跌落幅度為22V。

圖7 蓄電池單端穩(wěn)壓模式仿真波形Fig.7 Simulation graph when battery works alone

在系統(tǒng)減載時，蓄電池由釋放功率變到吸收功率，電流由正變負(fù)，吸收母線上過多的功率。在此過程中母線電壓升高至245V，幅度為25V。

4.3 混合儲能系統(tǒng)仿真

加入超級電容構(gòu)成混合儲能系統(tǒng)后，超級電容按照高頻濾波得到功率高頻分量進(jìn)行充放電，給蓄電池提供緩沖。加載和減載時的仿真波形分別如圖8 和圖9 所示。圖中第一條曲線為直流母線電壓波形，第二條曲線為蓄電池電流波形，第三條曲線為超級電容電流波形。

系統(tǒng)加載時，超級電容根據(jù)高頻功率給定，輸出電流由0 迅速增至20A，超級電容提供了負(fù)載突變功率，在超級電容作用下，蓄電池得到極大的緩沖，此時直流母線電壓的跌落5V，小于只用蓄電池穩(wěn)壓的22V。0.15s 時由于負(fù)載功率高頻分量已經(jīng)接近于0，此時超級電容開始充電，補充工作時釋放的能量，使自身電壓回到給定值，切換過程中母線電壓基本不受影響。

圖8 混合儲能系統(tǒng)負(fù)載突增時仿真波形Fig.8 Simulation of the HESS when load increase

圖9 加入超級電容后負(fù)載突減時仿真波形Fig.9 Simulation of the HESS when load decrease

系統(tǒng)減載時，超級電容電流由0 迅速變?yōu)?15A，超級電容吸收由于負(fù)載突減形成的功率過剩，在此過程中直流母線電壓上升6V，小于只用蓄電池單獨工作的25V，說明加入超級電容的作用是明顯的。0.35s 時超級電容切換為放電過程，釋放工作時吸收的能量，使端壓回到給定值。

5 系統(tǒng)實驗設(shè)計與結(jié)果分析

5.1 系統(tǒng)的程序?qū)崿F(xiàn)與實驗條件

實驗采用 DSP 實現(xiàn)對蓄電池和超級電容的工作控制，系統(tǒng)功能是在中斷服務(wù)子程序里實現(xiàn)的，系統(tǒng)控制程序流程圖如圖10 所示。程序能實現(xiàn)如下幾個功能：

（1）蓄電池運行于單端穩(wěn)壓模式維持直流母線電壓。

（2）實時檢測負(fù)載功率，提取功率突變的高頻分量。

圖10 混合儲能系統(tǒng)控制程序流程圖Fig.10 Flow chart of the system’s control program

（3）按照負(fù)載功率高頻分量，決定超級電容運行在哪種模式。

（4）負(fù)載波動時運算得出超級電容的電流給定，使超級電容定功率充放電。

（5）負(fù)載無波動時超級電容自充電至給定電壓。

為了簡化實驗，假定系統(tǒng)運行在夜間，即此時光伏電池?zé)o輸出。超級電容組容值3.3F，充電參考電壓設(shè)置為80V。7 節(jié)標(biāo)稱為12V/33A·h 的蓄電池串聯(lián)成蓄電池組，直流母線電壓設(shè)定為150V。輕載200W，重載600W。

5.2 系統(tǒng)實驗結(jié)果分析

負(fù)載加載時，如果蓄電池單獨工作，得到實驗波形如圖11 所示，曲線1 為直流母線電壓波形，曲線2 為蓄電池電流波形。蓄電池輸出電流由原來的2A 迅速的增大到7A，負(fù)載突增造成母線電壓波動幅度為12V。

圖11 蓄電池單獨工作時負(fù)載突增實驗波形Fig.11 voltage of dc bus and current of battery when battery operates alone

加入超級電容構(gòu)成混合儲能系統(tǒng)后，得到如圖12 和圖13 所示的實驗波形，圖12 為直流母線電壓和超級電容電流波形，其中1 為直流母線電壓，2為超級電容電流。圖13 為直流母線電壓和蓄電池電流波形，其中1 為直流母線電壓，2 為蓄電池電流。加載時，超級電容的電流立即由0 變?yōu)?.2A，蓄電池輸出電流由原來的2A 緩慢的增大到7A，過程持續(xù)約1s，蓄電池得到了極大的緩沖。母線電壓基本無波動。

圖12 加載時直流母線電壓和超級電容電流波形Fig.12 voltage of DC bus and current of ultracapacitor in HESS when load increase

圖13 加載時直流母線電壓和蓄電池電流波形Fig.13 voltage of DC bus and current of battery in HESS when load increase

在加載后的a 點處，由于此時負(fù)載突變的高頻分量已經(jīng)接近為0，超級電容開始充電，補充本次負(fù)載突增過程中釋放的電能，為下次負(fù)載突變做準(zhǔn)備。負(fù)載減載時，如果蓄電池單獨工作，得到如圖14 所示的實驗波形，曲線1 為直流母線電壓波形，曲線2 為蓄電池電流波形,蓄電池輸出電流由原來的7A 迅速的減小到2A，負(fù)載突減造成母線電壓波動幅度為14V。

加入超級電容構(gòu)成混合儲能系統(tǒng)后，得到如圖15 和圖16 所示的實驗波形，圖15 為直流母線電壓和超級電容電流波形，其中1 為直流母線電壓，2為超級電容。圖16 為直流母線電壓和蓄電池電流波形，其中1 為直流母線電壓，2 為蓄電池電流電流。減載時，超級電容的電流立即由0 變?yōu)?4.5A，蓄電池輸出電流緩慢減小，蓄電池得到了極大的緩沖，母線電壓基本無波動。

圖14 蓄電池單獨工作時負(fù)載突減實驗波形Fig.14 voltage of DC bus and current of battery when battery operates alone

圖15 減載時直流母線電壓與超級電容電流波形Fig.15 voltage of DC bus and current of ultracapacitor in HESS when load decrease

圖16 減載時直流母線電壓與蓄電池電流波形Fig.16 voltage of DC bus and current of battery in HESS when load decrease

在減載后的b 點處，超級電容開始放電，釋放這次減載過程中吸收的電能，為下次負(fù)載突變做準(zhǔn)備。

6 結(jié)論

本文所建立的混合儲能系統(tǒng)通過蓄電池穩(wěn)定直流母線電壓、超級電容提供負(fù)載突變功率高頻分量的運行方式，能夠充分利用兩種儲能元件的優(yōu)點，使整個儲能系統(tǒng)具有高能量密度和高功率密度的特點。另外恒壓限流充電環(huán)節(jié)能在負(fù)載突變后對超級電容自動充放電，使其端壓回到給定值，為下一次負(fù)載突變做準(zhǔn)備，極大地提高了超級電容的利用率，減小了系統(tǒng)對超級電容的容量要求。

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