郁家麟 ，肖龍海 ，胡 舟 ，趙玉勇 ，謝曄源 ，段 軍

（1.國網(wǎng)浙江海寧市供電有限公司，海寧 314400；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

隨著人們對環(huán)境和能源的日益關(guān)注，更多可再生能源，如光伏、風力和微型燃氣輪機，以分布式發(fā)電DG（distributed generation）的形式接入電網(wǎng)，并以電力電子變流器作為并網(wǎng)接口。為了有效管理多種不同類型的DG單元，微電網(wǎng)成為一種有效途徑[1-2]。微電網(wǎng)協(xié)調(diào)內(nèi)部DG機組，并將其整合為1個可控單元，通過公共耦合點PCC（point of common coupling）與電網(wǎng)相連。微電網(wǎng)可以工作在并網(wǎng)模式或孤島模式，從而提高用戶的供電可靠性。但是，隨著DG滲透率的增加，由于新能源功率的波動性和隨機性，會影響電網(wǎng)穩(wěn)定和電能質(zhì)量[3]。

通常，引入儲能系統(tǒng)來抵償新能源的功率波動，可以保障配電網(wǎng)穩(wěn)定[4]。使用儲能系統(tǒng)需要考慮諸如容許帶寬、最大功率、最大梯度以及循環(huán)次數(shù)等約束條件，如不遵守，可能導(dǎo)致儲能元器件壽命的急劇縮短，在某些情況下，甚至造成損壞[5-6]。將不同類型的儲能單元相結(jié)合，構(gòu)成混合儲能系統(tǒng)HESS（hybrid energy storage system）可有效提高儲能壽命，同時提高整個系統(tǒng)的比能和功率。典型的案例如鋰電池/超電容器HESS，它利用了電池的高能量密度和超電容器的高功率密度[7]，其中，電池單元用于提供HESS所需輸出功率的低頻分量，而超級電容用于提供高頻分量。

目前，HESS的研究主要集中在能量管理、容量配置和功率分配等方面。其中，能量管理的主要工作是根據(jù)新能源和負荷預(yù)測來合理安排HESS的充、放電時間和功率，以平滑新能源的功率波動，增加儲能的壽命，實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度[8-10]。能量管理不涉及HESS在微觀時間尺度上的具體運行，因此，諸如超級電容或其它能量密度較小的HESS研究更多關(guān)注實時功率的分配。無論是在交流微網(wǎng)還是直流微網(wǎng)，功率分配目標都一致，即通過動態(tài)分解HESS功率需求，協(xié)調(diào)電池與超電容器的功率輸出，實現(xiàn)對電池的保護[11]。

電池與超級電容器之間的功率分配是HESS研究的關(guān)鍵問題。在文獻[12-14]中，HESS的功率通過低通濾波器LPF（low pass filter）分解為高頻分量和低頻分量，然而，LPF中的相位滯后會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；文獻[15-16]引入滑動平均濾波器來分離HESS的平均功率和波動功率；文獻[17]提出了一種基于能量管理策略的自適應(yīng)模糊邏輯功率分配方法；文獻[18-19]將滑?？刂萍夹g(shù)引入到HESS控制之中，但該控制算法設(shè)計復(fù)雜；文獻[20]采用一種分布式頻率協(xié)調(diào)的虛擬阻抗技術(shù)來解決功率的動態(tài)分配問題，但是比例控制器與HPF相結(jié)合用于超級電容控制，會導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)泄漏電流失控；文獻[21]基于虛擬電阻和虛擬電容控制器，提出了一種擴展下垂控制方法，實現(xiàn)了電池和超級電容動態(tài)功率分配；類似的技術(shù)也在文獻[22-23]中出現(xiàn)，但該技術(shù)僅適用于直流微電網(wǎng)；在前者基礎(chǔ)上，文獻[24]提出了一種基于逆變器的虛擬阻抗法，實現(xiàn)了交流微電網(wǎng)中電池與超級電容的動態(tài)功率分配。

基于上述研究可以發(fā)現(xiàn)，對于HESS的功率分配問題，大多數(shù)研究都將功率分解為高、低頻分量。這對直流微電網(wǎng)是可行的，但對交流微電網(wǎng)，其功率構(gòu)成更為復(fù)雜。例如，基波功率可分為有功功率和無功功率；當微電網(wǎng)含不平衡和非線性負載時，還會出現(xiàn)負序功率和諧波功率。然而，上述功率分配研究只考慮了基波有功功率的高、低頻分解。針對該問題，本文提出了一種在不平衡和非線性負載環(huán)境中適用的HESS功率分配策略。該策略以雙功率變換器PCS（power conversion system）結(jié)構(gòu)的HESS為應(yīng)用對象，包括電池功率變換器BAT-PCS和超電容器功率變換器UC-PCS。BAT-PCS作為主能量單元，采用下垂模式工作，保證HESS根據(jù)上層指令輸出給定有功功率；UC-PCS作為輔助單元，以補償模式工作，輸出無功、負序和諧波功率。在負載或新能源發(fā)電功率變化過程中，UC-PCS將額外提供高頻有功功率，以彌補BAT-PCS的功率密度不足的缺陷。相比傳統(tǒng)HESS功率分配策略，本策略對不平衡和非線性負載等因素加以考慮，仿真和實驗證明，在諧波環(huán)境中，該策略能更有效地保護電池，延長HESS的壽命。

1 微電網(wǎng)中的HESS應(yīng)用

1.1 微電網(wǎng)概述

圖1展示了由新能源和儲能DG單元構(gòu)成的交流微電網(wǎng)。這些DG單元可以連接到網(wǎng)絡(luò)的任何節(jié)點。通過控制PCC上的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，微電網(wǎng)可以運行在并網(wǎng)模式或孤島模式。

在并網(wǎng)模式中，微電網(wǎng)的電壓由主網(wǎng)支撐，凈功率由主網(wǎng)負責平衡；而在孤島模式中，電壓支撐和功率平衡等問題均需由儲能系統(tǒng)解決。本文重點討論孤島情況下，HESS的功率分配問題。當微電網(wǎng)中僅包含三相平衡負載，根據(jù)新能源和負荷的凈功率可以決定BAT-PCS的有功功率輸出，當凈功率變化時，UC-PCS提供突變功率的高頻分量，使得BAT-PCS緩慢調(diào)整自身的輸出功率，保障電池不工作在大電流充、放電狀態(tài)；然而，當存在不平衡或非線性負載時，BAT-PCS將輸出負序和諧波功率，影響PCS直流側(cè)電壓平穩(wěn)與交流側(cè)輸出電壓質(zhì)量，進一步影響網(wǎng)內(nèi)負載正常運行。因此，有必要考慮微網(wǎng)含不平衡及非線性負載的情況。

1.2 混合儲能在微網(wǎng)中的常見結(jié)構(gòu)

圖2為微電網(wǎng)中常見的HESS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中前3種在直流側(cè)整合儲能單元，注重在直流母線上進行功率分配?？紤]后續(xù)對交流側(cè)功率均分和電能質(zhì)量問題的研究，本文以圖2（d）所示的雙逆變器結(jié)構(gòu)為研究對象。

圖1給出了本文所研究HESS的簡化結(jié)構(gòu)，可以看作是1個由BAT-PCS和UC-PCS組成的并聯(lián)系統(tǒng)。將BAT-PCS作為傳統(tǒng)的DG單元，利用UCPCS為BAT-PCS提供暫態(tài)的高頻有功功率；同時提供暫穩(wěn)態(tài)時的無功、負序和諧波功率，以提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量。HESS的主電路如圖3所示，BATPCS和UC-PCS有各自獨立的控制芯片?？刂七^程中，BAT-PCS的頻率信息通過本地通信共享給UCPCS，以便實現(xiàn)快速跟蹤。2個PCS具有相似的結(jié)構(gòu)：前級均為雙向Buck-Boost變換器，后級均為三相半橋逆變器。在放電狀態(tài)下，能量從前級流向后級，雙向Buck-Boost變換器以升壓方式工作；在充電狀態(tài)下，能量從后級流向前級，雙向Buck-Boost變換器以降壓方式工作。

1.3 混合儲能功率分配策略設(shè)計

本文所提HESS功率分配策略中，BAT-PCS將承擔基波有功功率，UC-PCS則承擔基波無功、負序以及諧波功率等，設(shè)計理由如下。

（1）兩者的職能差異：BAT-PCS是微電網(wǎng)主單元，提供能量支撐，應(yīng)保持其工況穩(wěn)定，若輸出功率包含負序或諧波分量，會影響PCS電壓質(zhì)量，進而影響整個微電網(wǎng)的工作；而UC-PCS是輔助單元，傳統(tǒng)策略中，承擔HESS功率中的高頻分量，在本策略中，額外承擔了同為輔助單元的有源電力濾波器的職能。

（2）BAT-PCS 的容量：BAT-PCS 是微電網(wǎng)能量支撐的主要單元，PCS的容量單位為kVA，由有功功率和無功功率構(gòu)成，工作時，應(yīng)盡可能提高PCS有功容量的利用率，降低成本。若BAT-PCS輸出包含負序或諧波功率，則其有功功率輸出能力會下降。

（3）多臺 HESS并聯(lián)運行：在 HESS中，BAT-PCS處于下垂控制模式，多臺HESS能夠并聯(lián)組網(wǎng)運行。傳統(tǒng)下垂控制雖然可以實現(xiàn)有功功率均分，但無法實現(xiàn)無功、負序以及諧波功率的準確均分，且?guī)Р黄胶饣蚍蔷€性負載組網(wǎng)時工況惡劣。當BATPCS只輸出有功功率時，將方便多臺HESS組網(wǎng)。

2 所提HESS控制協(xié)調(diào)策略

2.1 BAT-PCS控制策略

將下垂控制方法應(yīng)用于BAT-PCS，可實現(xiàn)并、離網(wǎng)模式的無縫切換，如圖4所示，BAT-PCS只使用了傳統(tǒng)的下垂控制方法。當有功、無功下垂系數(shù)Dp和Dq為0時，BAT-PCS將進入VF模式，輸出電壓幅值頻率恒定；在Dp和Dq中加入積分控制器后，BAT-PCS將進入PQ模式，輸出指定的有功功率和無功功率。不考慮UC-PCS，微電網(wǎng)中的凈功率將由BAT-PCS平衡。當系統(tǒng)包含不平衡和非線性負載時，凈功率中會含有負序和諧波成分，影響B(tài)AT-PCS工作，為了保障微電網(wǎng)穩(wěn)定運行，UC-PCS將負責補償負序及諧波功率?？梢钥闯?，HESS總電流ihess實際上是引入UC-PCS之前BAT-PCS的電流io_bat，而現(xiàn)在由io_bat和io_uc兩者組成。 根據(jù)電池和超級電容各自的特點，2臺PCS分別負責輸出不同的功率。

假設(shè)HESS的電壓和電流表達式分別為

當n=6k-1時，諧波電流僅含負序分量，即

當n=6k+1時，諧波電流僅含正序分量，即

式中：Uhess為HESS系統(tǒng)的輸出電壓幅值；與分別為基波電流的正、負分量幅值；與分別為第n次諧波電流的正、負分量幅值。典型次諧波包括5、7、11和13次諧波，BAT-PCS與 UC-PCS各自需要承擔的電流分量如表1所示。

表1 BAT-PCS與UC-PCS電流分量Tab.1 Current components of BAT-PCS and UC-PCS

下面就UC-PCS的電流檢測及諧波電流跟蹤展開討論。

2.2 UC-PCS控制策略

根據(jù)負載的類型，HESS輸出電流可能包含基波正、負序分量和諧波分量，而由于UC-PCS的補償作用，BAT-PCS只輸出基波有功電流。UC-PCS檢測HESS的輸出電流，并提取所需補償?shù)碾娏鞣至縼順?gòu)成其參考，功能類似于有源電力濾波器，但可以在HESS功率陡變時提供高頻有功功率。

本文利用文獻[25]所提的二階廣義積分器SOGI（second-order generalized integrator），實現(xiàn)基波電流與諧波電流的分離，如圖5所示。首先，3相電流變換到αβ兩相坐標系；然后，通過SOGI模塊的濾波功能提取特定次諧波電流；最后，將所得各次電流送入正、負序計算PNSC（positive-negative sequence calculation）模塊，進一步分離正、負序分量。

其中，PNSC的計算方法為

式中，q=e-j（π/2）為 1 個滯后 90°的移相運算，以獲得1個輸入波形的積分值。在被檢測到的電流中，除了基波有功電流外，其他電流分量將相加合成為UC-PCS的電流參考。對于典型的三相不控整流橋負載，5次諧波正序和7次諧波負序分量為0。

完整的UC-PCS控制策略如圖6所示。如前文所述，UC-PCS的旋轉(zhuǎn)坐標系與BAT-PCS保持同步，共享頻率信息。與普通的有源電力濾波器相比，UC-PCS不經(jīng)軟鎖相環(huán)，可以實現(xiàn)更實時、更準確地諧波檢測。

放電模式下，UC-PCS直流側(cè)電壓Udc_uc由雙向Buck-Boost變換器支撐；充電模式下，為保持Udc_uc恒定，采用直流側(cè)電壓外環(huán)控制，為電流內(nèi)環(huán)生成有功電流參考 ip（abc）。 為更好地跟蹤補償電流參考 ic（abc），電流內(nèi)環(huán)采用比例諧振PR（proportional-resonant）控制器，其控制表達式為

式中：kih為電流環(huán)內(nèi)部諧振控制器的增益；ωb為諧振控制器帶寬；KP為比例增益；ω*為角頻率，由BAT-PCS提供。

采用本文所提電流補償方法，UC-PCS可輸出HESS外部電網(wǎng)需要的基波正序無功電流、基波負序電流以及各次諧波電流。而BAT-PCS只需輸出基波正序有功電流。由于BAT-PCS電流中不存在負序分量和諧波分量，故可輸出理想對稱的正弦電壓。簡而言之，在UC-PCS的輔助作用下，BATPCS得以工況良好、運行穩(wěn)定，進而提高微電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。

3 PR控制器設(shè)計

根據(jù)圖6所示的控制策略，圖7給出了采用電流補償控制方法的UC-PCS在靜止坐標系下的s域模型。圖中，Lf、Cf分別為LC濾波器的電感和電容；Lo為變流器輸出側(cè)并網(wǎng)電感；GH（s）為諧波檢測塊傳遞函數(shù)；Gi（s）為電流 PR 控制器傳遞函數(shù)；KPWM=0.5 Udc_uc為逆變器PWM的增益；Gd（s）為1個采樣周期的計算延遲，可以表示為

式中，Td為電流采樣周期。

電流控制器的設(shè)計基于動態(tài)運行需求，在穩(wěn)定的前提下，應(yīng)盡可能快地實現(xiàn)電流跟蹤。由圖7可知，電流控制回路的傳遞函數(shù)為

式中：Gio（s）為補償電流參考 ic（s）向 UC-PCS 輸出電流 io_uc（s）的傳遞函數(shù)；Guo（s）為外部電壓 uhess（s）到輸出電流的傳遞函數(shù)。通過觀察不同參數(shù)下的波德圖變化，設(shè)計PR控制器。

式中，RL和RC分別為LC濾波器電感和電容的阻尼電阻。

由此，可以推導(dǎo)從 ic（s）到 io_uc（s）的開環(huán)傳遞函數(shù) Gio_open（s）為

3.1 比例增益設(shè)計

圖8為KP取不同值時的電流內(nèi)環(huán)開環(huán)波德圖，其他相關(guān)控制及電路參數(shù)見表2。由于采用了PR控制器，系統(tǒng)在選定的諧波頻率上具有很高的增益，提高了電流跟蹤的精度。比例增益KP的設(shè)計方法與比例控制器相同，它決定系統(tǒng)的穿越頻率。隨著KP的減小，穿越頻率降低，抗高頻干擾能力增強。通常，穿越頻率設(shè)計在開關(guān)頻率的1/6到1/4之間。

當KP=0.1時，穿越頻率約為2 kHz，但從系統(tǒng)的相頻特性可以看出，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。KP的選擇需在抗高頻干擾和穩(wěn)定性之間進行權(quán)衡，最后，在仿真系統(tǒng)中設(shè)定KP=0.3。

3.2 諧振帶寬設(shè)計

圖9展示了ωb取不同值時的電流內(nèi)環(huán)開環(huán)波德圖。諧振控制器帶寬ωb決定了諧振峰的寬度，設(shè)計時可根據(jù)微電網(wǎng)的頻率變化范圍進行選擇。太窄的ωb可能導(dǎo)致電網(wǎng)頻率變化時，諧振峰漂移，電流跟蹤效果減弱。仿真中，設(shè)置ωb=8。

表2 HESS仿真系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Simulation parameters of HESS

3.3 諧振增益設(shè)計

圖10展示了kih取不同值時的電流開環(huán)伯德圖。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，高頻段的kih值不應(yīng)該太大，以防相位裕度的減小。最后，將各處諧振增益設(shè)置：k1h=20，k5h=16，k7h=16，第 11 及 13 次諧波處的諧振增益可以用類似的方法設(shè)計。

4 仿真結(jié)果

在Matlab/Simulink中建立HESS模型，對所提功率分配策略進行了驗證。如圖11所示，仿真系統(tǒng)由1臺BAT-PCS、1臺UC-PCS以及若干負載組成。其中，BAT-PCS和UC-PCS的容量均為50 kVA，電池容量50 kW×1 h，超級電容容量50 kW×20 s，網(wǎng)內(nèi)最大負荷50 kVA。仿真中，HESS工作于孤島模式，可維持網(wǎng)內(nèi)最大負荷持續(xù)運行1 h。由于仿真主要觀察HESS的工作情況，故光伏、風力等微網(wǎng)常見DG單元未加入本仿真。HESS和負載的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

4.1 仿真案例1：三相平衡負載

仿真中，HESS帶負載1工作，即三相平衡的PQ負荷。圖12為UC-PCS投入前后，HESS相應(yīng)的工作波形。

起始時刻，HESS采用傳統(tǒng)控制策略，由于穩(wěn)態(tài)時UC-PCS待機，只有較少無功電流流過LC濾波器，此時BAT-PCS輸出電流中既有有功分量，也有無功分量；在0.5 s時刻，所提HESS功率分配策略啟動，UC-PCS開始輸出無功電流，同時BAT-PCS中的無功電流向UC-PCS轉(zhuǎn)移，使BAT-PCS最終只輸出有功電流，有效減少其直流側(cè)的電壓脈動。

4.2 仿真案例2：不平衡負載

將案例1中負載的C相移除，得到不平衡負載，圖13為不平衡負載條件下HESS的測試波形。

起始時刻，HESS采用傳統(tǒng)功率分配策略，由于不涉及負序功率分配，顯著的HESS負序分量由BAT-PCS承擔，而UC-PCS仍處于待機狀態(tài)，BATPCS輸出電流中包含基波正序、負序分量，此時受負序電流影響，BAT-PCS的電壓也存在負序分量，影響微網(wǎng)電壓質(zhì)量；在0.5 s時刻，所提HESS功率分配策略啟動，UC-PCS開始輸出基波無功電流與負序電流，此時BAT-PCS僅輸出基波正序有功電流，工作狀況良好。

4.3 仿真案例3：非線性負載

將案例1中的負載換成三相不控整流橋式電路作為非線性負載，圖14為不平衡負載條件下HESS的測試波形。與案例2類似，起初，HESS采用傳統(tǒng)控制策略，BAT-PCS輸出基波電流與諧波電流，而UC-PCS待機，此時微網(wǎng)電壓質(zhì)量較差；隨后，所提控制策略啟動，UC-PCS開始補償無功與諧波電流。

由仿真結(jié)果可見，UC-PCS可有效補償HESS中的無功、負序以及諧波功率，使BAT-PCS僅輸出基波有功功率，保障其良好的工作狀態(tài)，同時，微電網(wǎng)的電壓質(zhì)量也得到了提高。

5 實驗結(jié)果

為進行實驗驗證，搭建了由2臺逆變器構(gòu)成的測試系統(tǒng)，用逆變器1和2分別模擬BAT-PCS和UC-PCS的運行。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也如圖11所示，相應(yīng)的逆變器參數(shù)見表3。

5.1 實驗案例1：三相平衡負載

實驗開始時，HESS采用傳統(tǒng)控制策略，此時代表BAT-PCS的逆變器1輸出電流中含有較多無功電流分量，如圖 15（a）所示；此后，UC-PCS 啟動無功功率補償，由圖15（b）中電壓與電流相位可知，此時BAT-PCS電流中只包含有功分量。

5.2 實驗案例2：不平衡負載

模擬HESS系統(tǒng)帶不平衡負載運行結(jié)果如圖16所示。其中，圖16（a）為傳統(tǒng)功率分配策略下逆變器1的電壓與電流波形；圖16（b）為采用所提策略后的工作波形。由實驗結(jié)果可知，通過UC-PCS的補償作用，BAT-PCS僅輸出基波正序有功電流，已無無負序電流分量。

表3 HESS實驗系統(tǒng)參數(shù)Tab.3 Experimental parameters of HESS

5.3 實驗案例3：非線性負載

模擬HESS系統(tǒng)帶非線性負載運行結(jié)果如圖17所示。其中，圖17（a）為采用傳統(tǒng)策略后，逆變器1的工作波形；圖17（b）為HESS采用所提功率分配策略后逆變器1的工作波形。由實驗結(jié)果可知，通過UC-PCS的補償作用，BAT-PCS中的諧波電流已被有效補償。

從以上實驗結(jié)果可以看出，所提無功、負序及諧波功率分配策略可很好地保持BAT-PCS始終只輸出基波正序有功電流，有效保障電池的良好工況。

6 結(jié)語

本文基于BAT-PCS和UC-PCS構(gòu)成的HESS，提出了一種協(xié)調(diào)控制策略。與傳統(tǒng)策略相比，該策略進一步研究了不平衡和非線性負載條件下的功率分配問題，其優(yōu)點主要有：首先，由于UC-PCS的無功、負序和諧波功率補償作用，HESS的靜態(tài)和動態(tài)性能得到了提高；其次，HESS內(nèi)部BAT-PCS采用下垂控制，多臺HESS可實現(xiàn)并聯(lián)組網(wǎng)運行；同時，HESS的雙逆變結(jié)構(gòu)有利于現(xiàn)有設(shè)備的升級改造。最終，仿真和實驗結(jié)果驗證了所提協(xié)調(diào)策略的有效性。