白迪，曹華鋒，申愛兵（沈陽工程學院電力學院，遼寧 沈陽 110136）

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基于混合儲能系統(tǒng)DC-DC變換器控制策略的研究

白迪，曹華鋒，申愛兵
（沈陽工程學院電力學院，遼寧 沈陽 110136）

摘要：本文針對混合儲能蓄電池充放電頻率問題，提出了蓄電池單電流環(huán)與自適應(yīng)電流滯環(huán)控制相結(jié)合的控制策略。該策略利用自適應(yīng)電流滯環(huán)控制，避免蓄電池小功率充放電，降低了蓄電池的充放電頻率，同時能夠防止超級電容負荷超載。針對直流母線電壓穩(wěn)定的控制，超級電容采用帶有功率前饋的雙環(huán)控制，內(nèi)環(huán)采用電流控制，外環(huán)采用電壓控制，用以平抑功率的高頻波動，能夠更好地維持直流母線電壓的穩(wěn)定。仿真結(jié)果表明該控制策略可行有效。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；混合儲能；蓄電池；超級電容；DC-DC變換器；滯環(huán)控制；功率前饋；雙環(huán)控制

0 引言

當前，隨著全球資源緊缺，微電網(wǎng)逐漸成為熱門，儲能部分作為微電網(wǎng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，國內(nèi)外針對儲能容量的設(shè)計、儲能方式以及儲能充放電的控制策略進行了不同程度的研究。文獻 [1] 采用了蓄電池作為微電網(wǎng)的儲能設(shè)備，設(shè)計了蓄電池外環(huán)電壓控制，內(nèi)環(huán)電流控制的雙環(huán)控制策略，由此可以穩(wěn)定微電網(wǎng)直流母線的電壓，但是單一的儲能無法滿足微電網(wǎng)對于穩(wěn)定性的要求。文獻 [2] 建立了蓄電池與超級電容的混合儲能，提出了混合儲能的控制策略，顯示了混合儲能的優(yōu)勢，但是沒有考慮到電池狀態(tài)，會對電池壽命造成一定的影響。文獻[3] 利用雙層控制增加了對電池電荷狀態(tài)的判斷，并且計算了電池等效壽命，從而防止了電池因過度充放電造成的損壞。本文為進一步提高微電網(wǎng)直流母線電壓穩(wěn)定性，提出了帶功率前饋的控制策略，在此基礎(chǔ)上考慮到蓄電池充放電次數(shù)與壽命有著極大的關(guān)系，而超級電容有著無限大充放次數(shù)的理論，從而設(shè)計了控制策略進一步減少蓄電池的充放電次數(shù)，以延長蓄電池的使用壽命。

1 混合儲能結(jié)構(gòu)

由蓄電池跟超級電容組成的混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前級分為三類[4]：直接并聯(lián)結(jié)構(gòu)、單 DC/DC 并聯(lián)結(jié)構(gòu)以及雙 DC/DC 并聯(lián)結(jié)構(gòu)。在本文中，采用雙DC/DC 并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，蓄電池和超級電容分別經(jīng)過功率控制器與直流母線并聯(lián)，它們的充放電功率分別由兩個控制器獨立控制，因此可以精確控制混合儲能系統(tǒng)的充放電來響應(yīng)外部系統(tǒng)的需求。后級由雙向 DC/AC 換流器來連接儲能系統(tǒng)與微電網(wǎng)交流母線，其具體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1　混合儲能結(jié)構(gòu)

2 DC/DC 變換器數(shù)學模型

直流側(cè)的控制基于雙向 DC/DC 電路的電流環(huán)控制[5]，作為充放電控制器，起到傳遞能量的作用。首先，我們對雙向半橋變換器數(shù)學模型進行分析。圖 2 所示為雙向半橋變換器電路結(jié)構(gòu)。根據(jù)雙向半橋變換器兩個工作模式下所得公式，經(jīng)過狀態(tài)平均法，可以得到大信號平均方程：

式中，α 為占空比。由于混合儲能中設(shè)計由超級電容補償有功功率的高頻分量，因此超級電容含有兩倍頻交流分量，當系統(tǒng)輸出存在兩倍頻功波動時，令，可得到：

把式（3）和（4）代入式（1）、（2）并線性化后，忽略母線交流分量的影響就可以得到：

圖 2　DC/DC 變換器結(jié)構(gòu)

3 直流側(cè)控制策略

3.1 混合儲能中的蓄電池控制策略[6]

由于直流母線的電壓控制速度比電流控制速度慢很多，因此可以忽略直流母線電壓的動態(tài)擾動，直接利用式（5）可以設(shè)計出電池電流環(huán)控制。如圖 3 所示，策略為：蓄電池用來平抑 DC/AC 換流器與直流母線交換的瞬時有功功率的低頻部分，因此采用低通濾波器進行濾波得到平滑部分，蓄電池電流真實值與計算所得的參考值經(jīng) PI 轉(zhuǎn)換再經(jīng)PWM 得到信號后控制 DC/DC 變換器的工作狀態(tài)；另一側(cè)經(jīng)測得的當前超級電容的狀態(tài)量及蓄電池端電壓通過計算得到比較器的參考電流值，與電流環(huán)的電流參考值進入滯環(huán)控制器，判斷是否滿足蓄電池的充放電條件，得到相應(yīng)信號后經(jīng)過驅(qū)動直接控制蓄電池的充放電狀態(tài)。

圖 3 中： P 為 DC/AC 換流器與直流母線交換的瞬時有功功率；1/(1+sTf) 為低通濾波；Tf為時間濾波，用來平滑瞬時功率由蓄電池進行平衡；Gb,id(s) 為蓄電池電感電流對占空比的小信號傳遞函數(shù)；PWM 的等效增益取值。電流環(huán)遞函數(shù)表達式為：

把滯環(huán)比較器參考值 i*設(shè)為 0，自適應(yīng)滯環(huán)計算器的計算表達式為：

式中， SOCsc為超級電容的當前狀態(tài)，L 與Δi 根據(jù)儲能實際容量所定，滯環(huán)比較器帶寬為2Δib,ref。由該策略可以做到，系統(tǒng)需要蓄電池放電時, 則為正值，若 SOCsc-0.5 的值為正說明超級電容處于充能較高狀態(tài)，可以放寬比較器的寬度，讓超級電容平抑更多功率，蓄電池處于停止工作時間則越長，反之亦然。該策略可有效保證蓄電池的使用壽命。

圖 3　蓄電池的控制

3.2 混合儲能中的超級電容控制策略[10-11]

超級電容具有充放電速度快，循環(huán)充放電次數(shù)多的特點，在系統(tǒng)中起著快速調(diào)節(jié)的作用?？刂撇呗灾校夒娙萜髫撠煼謸蠹壸兞髌鬏敵龉β?P中的高頻波動分量，因為其電流環(huán)路控制為毫秒級的控制，采用的是間接控制的方法，整個系統(tǒng)的前后側(cè)功率的不平衡將會導致直流母線電壓的波動，所以只要控制穩(wěn)壓電容兩端電壓的穩(wěn)定性，前后級功率自然能夠保持平衡。蓄電池通過功率的 PI 雙閉環(huán)控制，能夠很好地實現(xiàn)對系統(tǒng)低頻趨勢性功率的跟蹤，所以只要控制直流母線電壓穩(wěn)定，超級電容就能分擔其中的高頻分量。

微電網(wǎng)直流母線電壓的穩(wěn)定是微網(wǎng)正常運行的關(guān)鍵，因此加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減少電壓穩(wěn)態(tài)誤差，是控制的核心。本文引入功率前饋控制，其中功率前饋電流幅值指令為：

圖 4 中：鑒于半導體元件的消耗，增加 Ksc,v為功率前饋比例值，根據(jù)系統(tǒng)的實際消耗給出。為功率前饋量，Δi*為填補蓄電池部分功率的擾動量，當時，反之Δi*=0。DC/DC 變換器輸出電流為系統(tǒng)的前饋量，并不影響系統(tǒng)穩(wěn)定，因此不必考慮，只需分析雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性即可。超級電容內(nèi)環(huán)控制部分與蓄電池部分相似，不加以重復(fù)。為電壓外環(huán)控制傳遞函數(shù)，對于超級電容的電壓外環(huán)控制，首先對直流母線的電壓建立數(shù)學模型[7-9]。對于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的功率平衡有：

圖 4　帶有功率前饋的超級電容雙環(huán)控制

考慮電感電容上的瞬時功率則有：

令 DC/AC 換流器與直流母線交換的瞬時功率、直流母線電壓的平方，直流母線電流分別為：

把式（13）代入式（12），忽略超級電容電壓擾動，線性化可以得到：

由式（15）可以設(shè)計超級電容電壓外環(huán)控制策略，如圖 5 所示。圖 5 中各項傳遞函數(shù)可由式（14)、(15）求得：

圖 5　超級電容電壓外環(huán)控制

4 仿真與實驗結(jié)果

為了驗證上述控制策略的正確性，搭建MATLAB/SIMLINK 的微電網(wǎng)仿真模型。在儲能系統(tǒng)中，直流母線側(cè)額定電壓為 500 V，交流側(cè)額定線電壓為 380 V，超級電容額定電壓為 180 V，蓄電池額定電壓為 250 V。截取儲能系統(tǒng)運行的 1 s時間段內(nèi)分析，結(jié)果見圖 6。

圖 6　滯環(huán)比較器的輸出信號以及自適應(yīng)比較器的帶寬值

在 1～1.05 s 時間內(nèi)設(shè)置儲能系統(tǒng)進行脫網(wǎng)運行，1.05 s 之后恢復(fù)并網(wǎng)。由圖 7 兩種策略的對比可以看出：在 0.3～0.7 s 時間段內(nèi)，采用滯環(huán)控制的蓄電池出現(xiàn)了充放電功率為 0 的情況；而未采用滯環(huán)控制策略的蓄電池依舊做著小功率充放電。由此可知，此策略對減少蓄電池的充放電頻率有很大作用。由圖 8 對應(yīng)時間段內(nèi)的超級電容平抑的功率可知，采用滯環(huán)控制后，蓄電池未平抑的功率部分全部由超級電容彌補。由圖 6 中的帶寬可見，在該段時間內(nèi)帶寬是變化的；但是由于在滯環(huán)控制前加入了自適應(yīng)滯環(huán)寬帶計算器，可以根據(jù)超級電容當前狀態(tài)隨時做出調(diào)整，避免了超級電容出現(xiàn)超負荷運轉(zhuǎn)，對于延長超級電容壽命也有重要作用。

圖 7　未采用（上）和采用（下）滯環(huán)控制的蓄電池平抑功率波形

圖 8　未采用（上）和采用（下）滯環(huán)控制的超級電容功率波形

由圖 9 可見，微電網(wǎng)在 1～1.05 s 時間段內(nèi)出現(xiàn)脫網(wǎng)故障，回復(fù)并網(wǎng)時由于沖擊電流的影響直流母線電壓出現(xiàn)劇烈震蕩。當未采用功率前饋時，由于控制環(huán)節(jié)反饋時間延遲以及誤差等原因，直流母線的電壓波動最高可達到 1000 V 左右，波動時間0.7 s。而采用功率前饋的電壓波動明顯得到改善，最高電壓不到 800 V，波動時間 0.25 s。由此可得出，在超級電容端 DC-DC 變換器采用功率前饋，不僅可以減小直流母線電壓的震蕩幅度，而且可以減少震蕩時間，縮短恢復(fù)穩(wěn)定運行的時間，對于微電網(wǎng)并離網(wǎng)平滑切換有著重要作用。

圖 9　未采用（左）和采用（右）功率前饋的直流母線電壓波形

如圖 10 所示，由超級電容端 DC-DC 變換器S1、S2 兩個輸入端接收的信號，可以看出超級電容頻繁充放電切換，對于穩(wěn)定直流母線電壓有著重要作用。

圖 10　DC-DC 變換器接收的信號

5 結(jié)論

要保證微電網(wǎng)穩(wěn)定可靠運行，儲能是關(guān)鍵，因此在混合儲能控制中，針對直流母線電壓的穩(wěn)定性，提出了帶有功率前饋的雙閉環(huán)控制，防止出現(xiàn)由于反饋不及時造成的功率平抑滯后從而引起母線電壓波動的問題。在儲能元件中，為了減少蓄電池一些不必要的電能充放，增加了帶有自適應(yīng)帶寬計算的電流滯環(huán)比較器，不僅可以有效延長蓄電池使用壽命，而且防止了超級電容的超負荷運轉(zhuǎn)。本文所提策略把混合儲能的優(yōu)勢進一步發(fā)揮出來了。仿真結(jié)果也驗證了其可行性。

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Research on the control strategy of DC-DC converter based on hybrid energy storage system

BAI Di, CAO Huafeng, SHEN Aibing
(Institute of Electric Power, Shenyang Institute of Engineering, Shenyang Liaoning 110136, China)

Abstract:The control strategy of single current loop of battery combined with self-adaptive current hysteresis control is put forward in view of the problem that battery charges and discharges frequently in the hybrid energy storage system. By using the self-adaptive current hysteresis control, the strategy can stabilize the power in low frequency fl uctuations, avoid charging and discharging the battery in low-power, and prevent super capacitor overloading. In order to stabilize the DC bus voltage, the super capacitor adopts a power feed-forward double loop control mode which consists of inner current loop and outer voltage loop to stabilize the high frequency power fl uctuation and maintain the DC bus voltage stability. The simulation results show that the control strategy is feasible and effective.

Key words:micro-grid; hybrid energy storage; battery; super capacitor; DC-DC converter; hysteresis loop control; power feed-forward; double loop control

基金項目：沈陽市科技局集合項目（F14-231-1-21）

收稿日期：2015-12-07

中圖分類號：TM 912.9

文獻標識碼：A

文章編號：1006-0847(2016)02-64-05