張明光， 郜晴晴

(蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

含超級電容混合儲能系統(tǒng)直流微電網(wǎng)功率分配策略

張明光， 郜晴晴

(蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

針對直流微電網(wǎng)中微電源功率輸出不穩(wěn)定以及負(fù)荷波動導(dǎo)致直流母線電壓偏移問題，提出一種含超級電容和蓄電池的混合儲能系統(tǒng)充放電控制策略。該控制策略將儲能系統(tǒng)分為5種工作模式，控制系統(tǒng)根據(jù)直流母線電壓值選擇混合儲能系統(tǒng)的工作模式，實現(xiàn)蓄電池與超級電容在充電、放電及空閑模式間自由切換，從而維持直流母線電壓穩(wěn)定。通過Matlab/Simulink軟件搭建系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果表明，采用該控制策略可使直流母線電壓保持在電壓偏移允許范圍內(nèi)。

直流微電網(wǎng)；MPPT；超級電容；混合儲能系統(tǒng)；母線電壓

0 引 言

直流微電網(wǎng)的運行與光伏等新能源發(fā)電、儲能系統(tǒng)等環(huán)節(jié)的控制密切相關(guān)[1-3]。但光伏發(fā)電受環(huán)境影響較大，溫度和光照強(qiáng)度的變化都會使光伏發(fā)電單元的輸出特性有所不同[4-5]。因光伏出力的隨機(jī)性和負(fù)荷變化的波動性，由光伏發(fā)電作為分布式電源的直流微電網(wǎng)需要配置一定容量的儲能設(shè)備來調(diào)整系統(tǒng)的功率分配及確保直流母線電壓的穩(wěn)定，從而提高系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性[6-7]。含超級電容的儲能系統(tǒng)循環(huán)壽命長、儲能效率高、充放電速度快，與光伏發(fā)電單元配合可調(diào)節(jié)直流微電網(wǎng)的功率和母線電壓的波動[8-10]。

文獻(xiàn)[11]提出了一種基于多模塊多電平(MMC)雙向DC-DC變換器的超級電容儲能系統(tǒng)，對超級電容組的均壓控制和儲能系統(tǒng)能量管理策略進(jìn)行分析和設(shè)計。文獻(xiàn)[12]提出了含蓄電池的自動充放電控制策略，儲能系統(tǒng)組成過于單一。文獻(xiàn)[13]研究了含超級電容和不包含超級電容的直流微電網(wǎng)，通過改變負(fù)載，比較兩種情況下直流母線電壓的變化，但沒有對超級電容和蓄電池的充放電電壓做規(guī)定。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，提出一種含超級電容儲能系統(tǒng)功率分配策略。該策略對混合儲能系統(tǒng)進(jìn)行控制，在負(fù)荷發(fā)生變化導(dǎo)致直流母線電壓偏離允許值時，通過蓄電池與超級電容自動切換充放電工作狀態(tài)，從而保證直流母線電壓穩(wěn)定。最后，通過在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型來驗證提出的控制策略。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

直流微電網(wǎng)主要由微電源、變流器、直流配電網(wǎng)、儲能裝置和交直流負(fù)荷組成。圖1為本文研究的含超級電容的直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

光伏陣列作為系統(tǒng)的微電源，發(fā)電功率隨環(huán)境變化幅度較大，因此微電網(wǎng)需配備儲能系統(tǒng)以維持系統(tǒng)功率平衡。由于蓄電池的使用壽命有限，故該儲能系統(tǒng)包含超級電容與蓄電池。超級電容充放電速度快，與蓄電池配合使用時，可減少蓄電池的充放電次數(shù)，從而延長蓄電池的使用壽命。

2 變換器控制策略

2.1 光伏模塊變換器

光伏模塊變換器有三種工作模式，即MPPT模式、恒壓模式及空閑模式。當(dāng)光照強(qiáng)時，變換器處于MPPT模式或恒壓模式，當(dāng)光照弱或處于夜間、陰天時，其工作在空閑模式。光伏模塊工作模式選擇及控制方法如圖2所示。圖2中UPV、IPV分別為光伏電池輸出電壓、電流；Udc-ref、Udc分別為直流母線額定電壓和直流母線實際電壓；IL1、Iref分別為電感L1電流和電壓外環(huán)得出的內(nèi)環(huán)電流參考值。

圖2 光伏模塊工作模式控制策略

在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能電池是最基本的環(huán)節(jié)，若要提高整個系統(tǒng)的效率必須要提高太陽能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，使其輸出功率為最大功率。因此，最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)的研究是至關(guān)重要的。常用MPPT方法有多種，這里采用的是擾動觀察法。

2.2 混和儲能系統(tǒng)變換器控制策略

2.2.1蓄電池單元雙向DC-DC變換器控制策略

蓄電池單元雙向DC-DC變換器采用的是下垂控制[14]。電池充放電過程中，電池荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)不斷增加或減小，電池的充放電電流應(yīng)該自動調(diào)整大小，其具體關(guān)系如式1，2所示。

(1)

(2)

其中m為自適應(yīng)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)，mb為下垂系數(shù)初始系數(shù)，Ib為蓄電池充放電電流，UH2為電池充電電壓臨界值，UL2為電池放電電壓臨界值。當(dāng)電池放電時，SOC逐漸減小，m增大，放電電流減小；當(dāng)電池充電時，SOC逐漸增大，m隨之增大，充電電流減小。

2.2.2超級電容DC-DC變換器控制策略

超級電容充放電電壓臨界值設(shè)置為UH1和UL1，雙向DC-DC變換器的放電工作方式控制框圖如圖3所示，直流母線實際電壓Udc與母線參考電壓Udc-ref比較后經(jīng)PI控制器調(diào)制產(chǎn)生參考電流，參考電流與超級電容側(cè)電流IL3比較后經(jīng)PI控制器調(diào)制產(chǎn)生IGBT3的PWM控制信號。

圖3 超級電容DC-DC變換器放電控制框圖

3 混合儲能系統(tǒng)自動充放電控制系統(tǒng)設(shè)計

混合儲能系統(tǒng)兩個儲能單元與直流母線間均由一個雙向DC/DC換流器連接。雙向DC/DC換流器實際是一個Buck/Boost變換器。當(dāng)蓄電池(超級電容)放電時，Buck/Boost變換器工作于Boost模式，向直流母線供能；當(dāng)蓄電池(超級電容)充電時，Buck/Boost變換器工作于Buck模式，并儲存直流母線側(cè)電能。

在實際系統(tǒng)中，即使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，直流母線電壓仍會波動，不會嚴(yán)格穩(wěn)定于額定值。對于只含蓄電池的儲能單元，如果直流母線電壓在允許電壓臨界點變化，蓄電池雙向DC-DC換流器會在Buck與Boost模式間來回切換，這樣會增加蓄電池充放電次數(shù)，減少其使用壽命。為減少蓄電池充放電次數(shù)，同時考慮混合儲能單元飽和與電量不足的情況，將直流母線電壓用6個電壓臨界值分成7部分，如圖4所示。

圖4 混合儲能系統(tǒng)工作模式

圖4中：UH3和UL3為直流母線電壓最大允許波動邊界值；UH2和UL2為蓄電池充電與放電電壓臨界值；UH1和UL1為超級電容放電與充電電壓臨界值。選取的6個臨界值與直流母線電壓額定值Udc-ref間的關(guān)系如下：UL3=90%Udc-ref，UL2=93%Udc-ref，UL1=95%Udc-ref，UH1=105%Udc-ref，UH2=107%Udc-ref，UH3=110%Udc-ref。改進(jìn)后的控制策略使得混合儲能系統(tǒng)可工作于5個工作模式：

(1)工作模式1：蓄電池充電，超級電容空閑。當(dāng)直流母線電壓Udc>UH2時，IGBT2導(dǎo)通，IGBT1、IGBT3、IGBT4截止，蓄電池側(cè)Buck/Boost變換器工作于Buck模式，蓄電池充電。

(2)工作模式2：蓄電池空閑，超級電容充電。當(dāng)直流母線電壓UH1

(3)工作模式3：蓄電池、超級電容均空閑。當(dāng)直流母線電壓UL1

(4)工作模式4：蓄電池空閑，超級電容放電。當(dāng)直流母線電壓UL2

(5)工作模式5：蓄電池放電，超級電容空閑。當(dāng)直流母線電壓UL3

當(dāng)系統(tǒng)直流母線電壓出現(xiàn)Udc>UH3時，則光伏陣列將由MPPT模式轉(zhuǎn)化為恒壓模式運行；當(dāng)Udc

4 系統(tǒng)仿真

4.1 系統(tǒng)仿真設(shè)計

根據(jù)圖1所示結(jié)構(gòu)在MATLAB/Simulink下進(jìn)行仿真，系統(tǒng)參數(shù)如下：光伏陣列Boost變換器，C11=1 μF，C12=1 mF，L1=1 μH，在標(biāo)準(zhǔn)條件下(溫度T=25 ℃，光照強(qiáng)度為1 000 W/m2)最大發(fā)電功率為2 800 W；蓄電池雙向DC-DC變換器，L2=100 μH，C2=1.5 mF；超級電容雙向DC-DC變換器，L3=1 mH，C3=1 mF，蓄電池、超級電容的初始SOC均設(shè)為50%，直流負(fù)載用RL表示。蓄電池額定電壓200 V，標(biāo)稱容量60 A·h，超級電容器端電壓為60 V，電容值為20 F。系統(tǒng)仿真時間為4 s，仿真步長為10 μs，開關(guān)頻率為20 kHz，直流母線額定電壓為380 V，電壓允許的波動范圍為380(1±5%)V。

4.2 仿真分析

(1)工作模式1：t=2 s時，負(fù)載RL由52 Ω突變?yōu)?96 Ω時，Udc=408 V，Udc>1.07Udc-ref，蓄電池充電，超級電容處于空閑模式。圖5為工作模式1下的運行情況。

圖5 工作模式1仿真波形

(2)工作模式2：t=2 s時，負(fù)載RL由52 Ω突變?yōu)?17 Ω時，Udc=400 V，Udc>1.05 Udc-ref，超級電容充電，蓄電池處于空閑模式。圖6為工作模式2下的運行情況。

圖6 工作模式2仿真波形

(3)工作模式4：t=2 s時，負(fù)載RL由52 Ω突變?yōu)?6 Ω時，Udc=358 V，Udc<0.95Udc-ref，超級電容迅速放電，蓄電池處于空閑模式。圖7為工模式4下的運行情況。

(4)工作模式5：t=2 s時，負(fù)載RL由52 Ω突變?yōu)?2 Ω時，Udc=350.5 V，Udc<0.93Udc-ref，蓄電池迅速放電，超級電容處于空閑模式。圖8為工作模式5下的運行情況。

仿真結(jié)果顯示當(dāng)直流負(fù)載變化導(dǎo)致直流母線偏移電壓允許值時，混合儲能系統(tǒng)可根據(jù)直流母線電壓的實際值切換工作模式，使蓄電池和超級電容工作自動充放電。

圖7 工作模式4仿真波形

圖8 工作模式5仿真波形

5 結(jié)束語

針對直流微電網(wǎng)中微電源輸出不穩(wěn)定及負(fù)荷波動導(dǎo)致直流母線電壓偏移問題，提出了一種含超級電容的混合儲能系統(tǒng)自動充放電控制策略。仿真實驗表明：

(1)混合儲能系統(tǒng)在各工作模式下，均可以有效地維持直流母線電壓穩(wěn)定，保證直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠運行；

(2)實現(xiàn)蓄電池、超級電容在充電、放電及空閑模式間自由切換，臨界電壓的選取可減少蓄電池充放電次數(shù)。

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A DC Micro-grid Power Allocation Strategy for the Hybrid Energy Storage System Containing Super Capacitors

Zhang Mingguang， Gao Qingqing

(College of Electrical and Information Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou Gansu 730050, China)

In order to solve the problems of unstable micro-source power output and DC bus voltage deviation caused by load fluctuation in the DC micro-grid, this paper presents a charge and discharge control strategy for the hybrid energy storage system containing super capacitors and batteries, which classifies the energy storage system into five working modes. Based on the DC bus voltage value, the control system chooses the working mode of the hybrid energy storage system to realize free switchover between the charge, discharge and the idle modes of the batteries and the super capacitors, thus maintaining stable DC bus voltage. A system model is established through Matlab / Simulink software and the simulation results show that the DC bus voltage can be maintained in the range of permissible deviation if such control strategy is adopted.

DC micro-grid；MPPT；super capacitor；hybrid energy storage system；bus voltage

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.018

TM721

A

1000-3886(2017)04-0063-03

定稿日期: 2017-03-22

國家自然科學(xué)基金(51567016)

張明光(1971-)，通訊作者，男，甘肅武威人，碩士，教授，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動化、變電站綜合自動化。 郜晴晴(1989-)女，安徽淮北人，碩士生，研究方向為直流微電網(wǎng)運行控制策略。