師 萌，王金全，黃克峰，嚴 鋆

(陸軍工程大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

0 引言

隨著電力電子變流技術的高速發(fā)展與廣泛應用，以相控陣雷達為代表的新型裝備不斷涌現。該類裝備的負載平均功率低而峰值高[1]、周期短、沖擊強，呈現強烈脈沖特性，是典型的脈沖負載?，F階段，工程或裝備的自備電源多以柴油發(fā)電機組為主，系統容量小、慣性弱，脈沖負載導致其傳輸功率大幅振蕩，甚至引起系統跳閘保護而中斷工作。由此可見，脈沖負載給小容量獨立微電網系統的穩(wěn)定性帶來巨大挑戰(zhàn)。為保持獨立微電網系統的可靠性、穩(wěn)定性和經濟性，采用配置儲能系統進行功率平抑成為有效手段之一。

目前，儲能設備可分為能量型和功率型兩類[2-3]，以蓄電池為代表的能量型儲能設備能量密度大、存儲能量多，以超級電容為代表的功率型儲能設備功率密度高、響應速度快[4]。為使儲能系統兼?zhèn)淠芰亢凸β孰p重優(yōu)勢，以降低脈沖負載對微電網母線電壓的大幅波動，本文使用混合儲能系統。

在對混合儲能系統的研究中，不同儲能介質間的功率分配問題是近年研究熱點之一。文獻[5]采用低通濾波的方法補償風電功率中的特定頻段分量，但未考慮儲能設備SOC，易造成設備過沖過放。文獻[6]采用經驗模態(tài)分解的方法，根據儲能設備SOC實時調整EMD的濾波階數以維持荷電狀態(tài)的穩(wěn)定，但計算過程復雜繁瑣，而且忽略了儲能系統整體的性能優(yōu)化。文獻[7]采用時間常數隨儲能系統荷電狀態(tài)變化的方法，但無法依據理論公式求解最佳時間常數，憑經驗獲取耗時很長。文獻[8]研究混合儲能系統的功率分配策略，為減少電池的充放電次數而過度使用超級電容，影響了整體使用的穩(wěn)定性和耐用度。

為解決混合儲能存在的問題，本文對蓄電池和超級電容組成的混合儲能系統進行“雙優(yōu)化”控制。首先，根據測量得到的柴油發(fā)電機組整流輸出直流功率、脈沖負載等效功率和混合儲能電池SOCH，利用模糊邏輯算法優(yōu)化混合儲能系統的充放電功率；然后，以超級電容SOC作為蓄電池功率分配基礎，建立超級電容與蓄電池之間功率分配算法，優(yōu)化蓄電池儲能；最后，通過MATLAB/Simulink仿真驗證了本文所提方法的正確性和有效性。

1 脈沖負載混合儲能系統結構

本文針對由蓄電池和超級電容組成的獨立微電網混合儲能系統進行控制優(yōu)化，系統結構如圖1所示。

圖1 含脈沖負載的柴油發(fā)電機組混合儲能系統結構框圖

圖1中柴油發(fā)電機組通過可控整流再經C濾波后給脈沖負載供電，輸出電壓為ud0，負載電流為idc，直流開關S為脈沖開關，與電阻負載共同組成脈沖負載。采用超級電容和磷酸鐵鋰電池組成混合儲能補償系統，分別通過雙向DC/DC連接到直流母線上，平抑脈沖負載運行過程中引起的母線電壓波動，減小整流器前交流電流和電壓的波形畸變，改善交流供電質量和柴油發(fā)電機工作條件。

依據系統運行特性可將整個系統劃分為3個功率模塊：混合儲能充放電功率PH(t)、柴油發(fā)電機組供電直流功率Pdc(t)、脈沖負載等效功率Pload，其中，混合儲能充放電功率包括超級電容充放電功率PS(t)和蓄電池充放電功率PB(t)。

忽略系統運行中線路及設備的能量損耗，由能量守恒定律可知，各部分功率滿足如下關系式：

(1)

2 混合儲能系統的優(yōu)化控制

2.1 混合儲能系統充放電功率的修正

2.1.1參考值SOCH的獲取

綜合蓄電池與超級電容的荷電狀態(tài)，可由式(2)計算混合儲能系統的荷電狀態(tài)SOCH：

(2)

其中：SOCB(t)、CB分別為混合儲能系統中蓄電池的荷電量和額定值；SOCS(t)、CS分別為混合儲能系統中超級電容的荷電量和額定值。

混合儲能系統在獨立微電網中的關鍵作用在于其通過不斷地充放電補充或吸收系統能量，保證系統在整體上處于功率平衡狀態(tài)。因此，混合儲能系統的荷電量越接近飽和容量的一半，其性能越優(yōu)；反之，荷電量越接近空電或飽和，其性能越差。本文將混合儲能系統由空電到飽和劃分為7個荷電狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 混合儲能系統的荷電狀態(tài)

當SOCH為0.4～0.7時，混合儲能系統既可及時補充柴油發(fā)電機組母線電壓跌落，亦可及時吸收母線多余能量，此時混合儲能系統處于最佳工作狀態(tài)。當SOCH為0.3～0.4、負載功率達到峰值時，其強行向母線補充電量以平抑功率波動，很容易造成電池與超級電容的過放，縮短使用壽命。當SOCH為0.7～0.8時，易造成混合儲能系統的過充。當SOCH分別為0.2～0.3和0.8～0.9的臨界狀態(tài)時，系統只能充電和放電。其他SOCH值表示混合儲能系統已處于非正常態(tài)。

2.1.2采用模糊控制方法的功率修正

若不考慮混合儲能系統的荷電狀態(tài)，直接依據整流輸出的直流功率Pdc(t)與負載等效功率Pload來計算功率波動量PH(t)，強行使混合儲能系統釋放或吸收能量，極易造成混合儲能系統過充或過放。對此，本文利用基于模糊控制的方法，對混合儲能系統充放電功率進行修正。

如圖3所示，將混合儲能系統的荷電狀態(tài)SOCH與充放電參考功率PH同時作為模糊控制方法的輸入量，經過模糊控制后得到ΔPH再與參考值PH相加以修正，得到混合儲能系統的充放電功率Pe。

圖3 混合儲能系統充放電功率的修正控制圖

如圖4所示，本文采用2輸入(SOCH、PH)-1輸出(ΔPH)的模糊控制方法。SOCH的取值范圍為[0,1]；兩個輸入變量的隸屬度函數分別包含7個模糊子集：負值最大(NB)、負值中度(NM)、負值最小(NS)、零、正值最小(PS)、正值中度(PM)及正值最大(PB)。

圖4 2輸入-1輸出的模糊控制方法結構

確定規(guī)則的依據如下：若功率波動量PH(t)為正值，則獨立微電網要求混合儲能系統向母線放電以補充負載功率需求，而補充值要參考混合儲能系統自身的荷電量，避免過放，即SOCH值大時多放電，中等時少放電，小時不放電。參考兩個輸入量各自的7個狀態(tài)，得到模糊控制方法邏輯表如表1所示。

表1 模糊控制方法邏輯表

2.2 混合儲能系統充放電功率的分配

由2.1節(jié)確定了獨立微電網中混合儲能系統所需充放電的功率Pe，而Pe分配于超級電容和蓄電池時，必須考慮兩種儲能介質自身的工作特性將功率變化緩慢、迅速的分量分別分配給蓄電池，和超級電容。傳統分配方法原理簡單，但其最佳濾波時間常數會隨微電網系統各個模塊參數的變化而變化，難以找出計算規(guī)律，且濾波效果不理想。對比此傳統濾波方法，提出了基于超級電容SOC的功率優(yōu)化控制方法。系統運行時，超級電容的荷電狀態(tài)SOCS僅與電容電壓有關，計算方便且不會跳變，所以將其作為功率分配函數的自變量。為簡化計算，令蓄電池分配功率PBe與超級電容實時荷電狀態(tài)SOCS之間的相關系數為-1。即當SOCS接近最大值SOCSmax時，PBe接近負的最大值PBemax，同時蓄電池的充電功率增大，此時強制超級電容放電；當SOCS接近最小值時，PBe接近正的最大值PBemin，同時蓄電池的放電電功率增大，迫使超級電容充電，其線性功率分配方式函數如圖5所示。

圖5 混合儲能系統功率分配函數

可得圖5函數表達式為：

(3)

則分配給超級電容的功率PSe為：

PSe=Pe-PBe

(4)

為比較傳統濾波方法與本文提出的基于電容SOC的功率分配法，對峰值功率為20 W、脈沖周期為1 s、占空比為50%的方波信號進行充放電功率分配仿真計算。傳統濾波法采用時間常數為1 s的一階低通濾波器，超級電容工作極限荷電狀態(tài)最大值SOCSmax與最小值SOCSmin分別為0.9和0.2進行穩(wěn)態(tài)仿真，由圖6仿真結果所示，采用傳統濾波方法進行功率分配時，超級電容和蓄電池的充放電功率都分別達到了極值10、50和-20、20；而基于超級電容SOC的功率分配方法二者都小于極值。因此，相較于傳統LC濾波方法，基于超級電容SOC的分配方法使超級電容和蓄電池充放電功率更平緩，對混合儲能系統沖擊性更小。

圖6 混合儲能功率分配方法仿真對比

由式(4)得到超級電容分配功率PSe，令其與前端電壓us相比得超級電容的電流參考信號iSe，并與反饋實時電流測量值is作差，再通過PI調節(jié)器產生超級電容實際投入工作模式的PWM信號，其控制框圖如圖7所示。

圖7 超級電容PWM信號產生原理圖

參考超級電容PWM信號產生原理可得蓄電池PWM信號的控制方法，但值得注意的是，蓄電池還需要考慮SOP指標，為避免蓄電池的過放，一般要加入SOP限值進行處理。

本節(jié)基于混合儲能系統功率優(yōu)化分配方法以及2.1 節(jié)模糊控制方法對電功率的修正，可得脈沖負載下獨立微電網混合儲能系統的優(yōu)化控制原理如圖8所示。

圖8 脈沖負載下獨立微電網混合儲能系統的優(yōu)化控制原理圖

3 仿真分析

為驗證混合儲能系統“雙優(yōu)化”控制策略的正確性與可行性，本文利用 MATLAB/Simulink軟件進行了仿真研究。仿真系統由柴油發(fā)電機組、磷酸鐵鋰電池-超級電容組成的混合儲能系統以及脈沖負載組成。

主要參數設置如下：柴油發(fā)電機組功率為30 kW，脈沖負載峰值功率為30 kW、周期為56 ms、占空比為50%，并由文獻[9]可得脈沖負載等效功率為32.19 kW。脈沖負載的等效功率大于柴油發(fā)電機組，必須由儲能系統進行功率補償?；旌蟽δ芟到y參數設置為：直流母線電壓500 V，磷酸鐵鋰電池7.26 kW/10.13 kWh，超級電容5.06 kW/2.17 kWh。

3.1 仿真系統

“雙優(yōu)化”控制策略分為兩步：一是將基于實時計算的混合儲能系統的荷電狀態(tài)SOCH與補償功率參考值PH(t)作為2輸入，由模糊邏輯控制算法得到修正的充放電功率；二是以電容SOC為變量的線性計算方法進行混合儲能系統功率分配，分別得到磷酸鐵鋰電池與超級電容的分配功率。

蓄電池的控制方式如圖9所示，選用電流跟蹤的控制方式進行恒壓限流控制。其中iLref為電感電流參考值；Gm(s)為PWM的傳遞函數；Gboid(s)為電感電流信號控制信號的傳遞函數；H(s)為電感電流的采樣環(huán)節(jié)；Gboid1(s)、Gboid2(s)分別為放電和充電狀態(tài)時電流環(huán)的校正函數，提高了系統穩(wěn)定性。

圖9 蓄電池充放電控制策略

超級電容在混合儲能系統中平抑了高頻功率波動部分，本設計在充電過程中選擇電流控制，放電過程中為避免時間滯后和采樣失真等情況，采用雙環(huán)控制策略，其控制原理圖如圖10所示。

圖10 超級電容充放電控制策略

3.2 仿真結果與分析

依據3.1節(jié)所搭建的仿真系統進行仿真。

直流母線電壓仿真波形如圖11所示。分析可得：混合儲能系統投入運行前，直流母線電壓存在較大幅度的波動，電壓最大值可達600 V，最小值約為380 V，幅值差高達220 V；2 s時，混合儲能系統投入運行，電壓的幅值振蕩大幅減小，在530 V～450 V區(qū)間波動，幅值差縮小為80 V?；旌蟽δ芟到y主要起到削峰填谷作用，脈沖負載峰值功率突變時由柴油發(fā)電機組和混合儲能系統共同為負載供電，脈沖結束后，由柴油發(fā)電機組為混合儲能系統充電，優(yōu)化了系統的輸出特性。

混合儲能系統總充放電功率及超級電容、蓄電池各自充放電功率如圖12所示。對比傳統濾波算法下得到的充放電功率參考值1，模糊控制器相應減弱了它的充放電功率，起到保護儲能系統的作用。

混合儲能系統補償前后系統諧波含量的對比如圖13所示，由圖13(a)可得混合儲能補償系統加入前，系統的諧波畸變率(THD)高達37.6%，由圖13(b)可得儲能補償加入之后畸變率降至28.16%，且6k±1次諧波在一定程度上均有所抑制?；诜抡娼Y果，通過計算可以得到混合儲能系統加入前后直流電壓波動率δu和交流頻率波動率δf，對比結果如表2所示?；诒疚奶岢龅男滦涂刂撇呗钥梢允沟秒妷翰▌勇省⒔涣黝l率波動率、諧波畸變率均大幅減小，系統性能得到改善，達到優(yōu)化目的。

圖11 儲能補償柴油發(fā)電機組帶脈沖負載仿真波形

圖12 混合儲能系統充放電功率仿真波形

指標δf/%δu/%THD/%補償前6.5626.0837.60補償后3.4114.4628.16

圖13 儲能系統補償前后總諧波含量

4 結論

本文以蓄電池和超級電容組成獨立微電網中的混合儲能系統，在此基礎上對其脈沖負載運行特性進行“雙優(yōu)化”控制。首先由整流直流功率和脈沖負載等效功率計算得到波動功率，與混合儲能系統SOC構成2輸入，利用模糊邏輯算法，修正混合儲能系統的充放電功率；其次以超級電容SOCH作為蓄電池功率分配基礎，推導出蓄電池功率分配算式，優(yōu)化混合儲能系統充放電功率的分配方法。通過MATLAB/Simulink進行仿真，結果表明，本文提出的功率優(yōu)化控制策略可以有效降低柴油發(fā)電機組帶脈沖負載運行產生的功率波動，改善系統電能質量，降低蓄電池和超級電容的充放電功率峰值，提高儲能設備壽命，實現了脈沖負載下獨立微電網混合儲能系統的優(yōu)化控制。

本文提出的混合儲能系統供電功率利用了基于超級電容SOC的線性分配控制策略，下一步工作是深入研究儲能設備的充放電機理及其功率分配方法，進一步提高混合儲能系統的功率補償效果，并延長其壽命，降低成本。

[1] 胡娟,楊水麗,侯朝勇,等.規(guī)?；瘍δ芗夹g典型示范應用的現狀分析與啟示[J].電網技術,2015,39(4):879-885.

[2] 鄒見效,戴碧蓉,彭超,等.基于荷電狀態(tài)分級優(yōu)化的混合儲能風電功率平抑方法[J].電力系統自動化,2013,37(24):1-6.

[3] Li Wei，JOOS G.A power electronic interface for a battery super capacitor hybrid energy storage system for wind applications [C].Proceedings of IEEE Annual Power Electrics Specialists Conference.Rhodes，Greece，2008：1762-1768.

[4] 蔣瑋,周贛,王曉東,等.一種適用于微電網混合儲能系統的功率分配策略[J].電力自動化設備, 2015,35(4):38-43，52.

[5] 鄧匯娟,張鐵山,周小光,等.超導儲能蓄電池混合儲能在風力發(fā)電中的應用[J].電源學報,2013(1):25-29.

[6] 張晴,李欣然,楊明,等.凈效益最大的平抑風電功率波動的混合儲能容量配置方法[J].電工技術學報,2016,31(14):40-48.

[7] 謝俊文,陸繼明,毛承雄,等.基于變平滑時間常數的電池儲能系統優(yōu)化控制方法[J].電力系統自動化,2013,37(1):96-102.

[8] 丁明,林根德,陳自年,等.一種適用于混合儲能系統的控制策略[J].中國電機工程學報, 2012,32(7):1-6，184.

[9] 亢夢婕,徐曄,王金全,等.非線性負載條件下衡量功率畸變率的方法研究[J].微型機與應用,2017,36(22):103-105，108.