張芳，張紅娟，高妍，楊磊，靳寶全

（1.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，山西太原 030024；2.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030024）

由于資源匱乏和環(huán)境污染等問題，近年來儲能技術(shù)受到越來越多的關(guān)注[1]。蓄電池能夠存儲低頻信號的能量，但仍有一些弱點(diǎn)，如低溫下工作能力弱、循環(huán)壽命短、功率密度低[2]。超級電容器具有功率響應(yīng)快、功率密度高和循環(huán)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用在大功率場合[3-4]。但是要想實(shí)現(xiàn)超級電容器的突破性發(fā)展還需進(jìn)一步解決能量密度低的問題。而混合儲能系統(tǒng)把兩個(gè)互補(bǔ)的儲能元器件相結(jié)合，能夠在提高儲能能力的同時(shí)，提高功率密度[5]。此外，還可以保護(hù)蓄電池免受峰值功率和負(fù)載波動的影響，延長其使用壽命，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的存儲效率[6-7]。

考慮到儲能器件功率和容量有限，必須通過控制器對其進(jìn)行調(diào)控[8]。通過在儲能系統(tǒng)中的每個(gè)儲能器件和直流母線之間放置雙向DC/DC 變換器，能量可以被雙向調(diào)控。儲能系統(tǒng)存儲能量時(shí)不僅可以回收直流母線多余能量，而且可以減小和緩沖直流母線能量聚集造成的波動。釋放能量時(shí)，可以在給負(fù)載補(bǔ)充能量的同時(shí)，彌補(bǔ)直流母線電壓過低造成的電機(jī)故障停機(jī)現(xiàn)象。但是這增加了系統(tǒng)架構(gòu)的復(fù)雜性，需要一種可靠的功率管理控制策略進(jìn)行協(xié)調(diào)或優(yōu)化管理來達(dá)到最優(yōu)的充放電效率[9]?；驹硎歉鶕?jù)超級電容器或蓄電池電流、電壓以及荷電狀態(tài)，按照負(fù)載變化的需求對系統(tǒng)中所有儲能裝置進(jìn)行功率分配，使系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行[10]。因此，本文設(shè)計(jì)了基于交錯(cuò)并聯(lián)式雙向DC/DC 控制器的混合儲能系統(tǒng)功率管理控制策略，通過動態(tài)方法調(diào)節(jié)蓄電池和超級電容器之間的功率分配比，并根據(jù)負(fù)載能量估計(jì)超級電容器和蓄電池的電流參考值。最后通過對階躍負(fù)載的不同運(yùn)行工況進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了控制策略的有效性和穩(wěn)定性。

1 混合儲能系統(tǒng)模型

圖1為混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of hybrid energy storage system

該系統(tǒng)主要由蓄電池、超級電容器、雙向DC/DC 變換器、變頻器和異步電機(jī)組成。電機(jī)負(fù)載通過逆變器連接到直流母線。蓄電池和超級電容器，分別通過雙向DC/DC 變換器并接到直流母線上，使得功率可以雙向流過儲能元件。雙向DC/DC 變換器采用兩相交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，即開關(guān)管Q1，Q3，Q5，Q7與Q2，Q4，Q6，Q8的導(dǎo)通角分別相差180°，以減小電流紋波。兩上管導(dǎo)通和兩下管導(dǎo)通分別對應(yīng)于變換器的Buck模式和Boost模式。

2 功率管理控制方案

為了提高功率管理控制的性能，提出了以下三個(gè)目標(biāo)：1）混合儲能系統(tǒng)應(yīng)保持內(nèi)部的功率平衡；2）混合儲能系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的能源共享；3）混合儲能系統(tǒng)應(yīng)能夠跟蹤負(fù)載能量要求，減輕負(fù)載的功率輸出和波動。

2.1 功率管理控制策略

根據(jù)以上目標(biāo)建立了混合儲能系統(tǒng)的功率管理控制策略的基本結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2 混合儲能系統(tǒng)的功率管理控制策略Fig.2 Power management control strategy for hybrid energy storage system

圖2 中，開關(guān)小于0 代表降壓模式，開關(guān)大于0 代表升壓模式。該控制系統(tǒng)由一個(gè)外層功率控制回路和一個(gè)內(nèi)層電流控制回路（蓄電池和超級電容器各1 個(gè)）組成。其中外層功率控制回路負(fù)責(zé)控制超級電容器和蓄電池之間的功率流，通過保護(hù)模塊和外部功率分配模塊調(diào)節(jié)蓄電池和超級電容器之間的功率分配比來滿足負(fù)載多變性和沖擊性的要求，減小直流母線電壓波動對系統(tǒng)性能的影響。內(nèi)層電流控制回路中，超級電容器和蓄電池的輸出電流均取決于負(fù)載功率，使得超級電容器的充放電電流是由蓄電池的充放電電流動態(tài)決定的。蓄電池的電流回路采用恒流控制模式；而超級電容器的電流回路以功率跟蹤模式將充放電電流控制在動態(tài)調(diào)整的參考值上，該值取決于超級電容器電壓、蓄電池電流與負(fù)載功率。因此，負(fù)載能量由蓄電池和超級電容器按照一定的模式共享。交錯(cuò)模式下，PWM調(diào)制模塊在高頻開關(guān)頻率下相移180°，以便在兩個(gè)分支之間平均分配功率流。

蓄電池和超級電容器的功率表達(dá)式分別為

式中：Pbatt，Ebatt，ibatt，Rbatt，uo，ubatt分別為蓄電池的功率、平衡電勢、電流、等效內(nèi)部電阻、等效電容電壓和端電壓；Psc，Rsc，isc，uc，usc分別為超級電容的功率、等效內(nèi)部電阻、電流、等效電容電壓和端電壓。

超級電容器和蓄電池功率分配的表達(dá)式分別為

式中：PHESS為混合儲能系統(tǒng)的總功率；λ為功率分配比系數(shù)，0≤λ≤1。

混合儲能系統(tǒng)的效率表達(dá)式為

為了允許應(yīng)用更小、更經(jīng)濟(jì)的雙向DC/DC 變換器，并避免超級電容電流過高而導(dǎo)致傳導(dǎo)損耗增加的問題，其荷電狀態(tài)的最佳工作區(qū)間設(shè)置在0.5～1，如下式：

為了避免蓄電池過度充電，其荷電狀態(tài)的最佳工作區(qū)間設(shè)置在0.2～0.9，如下式：

式中：Usc，max，Ubatt，max分別為超級電容器和蓄電池的最大電壓值；ηsc，c，ηsc，d分別為超級電容器充、放電效率值；ηbatt，c，ηbatt，d分別為蓄電池的充、放電效率值；Cbatt，Csc分別為蓄電池和超級電容的等效電容；SOCsc，SOCbatt分別為蓄電池和超級電容的荷電狀態(tài)。

2.2 動態(tài)比例功率分配控制策略

通過結(jié)合負(fù)載功率，超級電容器和蓄電池的荷電狀態(tài)得到混合儲能系統(tǒng)的功率管理控制框圖，如圖3所示。圖3中，PL為負(fù)載功率。

圖3 混合儲能系統(tǒng)在Buck模式下的功率管理控制框圖Fig.3 Block diagram of power management control for hybridenergy storage system in the Buck mode

在不同的負(fù)載功率需求下，可以動態(tài)選擇不同的功率分配比。本文以Buck模式為例。

狀態(tài)A：當(dāng)超級電容器的端電壓Usc

狀態(tài)B：當(dāng)負(fù)載變化（增大）時(shí)，通過動態(tài)改變功率分配比使得高再生制動能量被有效地饋送到超級電容器。當(dāng)超級電容器的端電壓Usc＜Usc，max，蓄電池的荷電狀態(tài)SOCbatt＜SOCbatt，up時(shí)，減小蓄電池分配的功率，即減小功率分配比λ，蓄電池仍以不變的動力按照恒流充電模式進(jìn)行充電。將狀態(tài)A 中isc控制模式下的電流參考值與直流母線側(cè)額外的再生能量所需電流值之和設(shè)置為超級電容器的電流參考值isc，ref。當(dāng)超級電容 器 的 端 電 壓Usc＜Usc，max、蓄 電 池 的 荷 電 狀 態(tài)SOCbatt=SOCbatt，up時(shí)，超級電容器采用功率跟蹤控制模式充電直到Usc=Usc，max，儲能裝置退出運(yùn)行，此時(shí)，Psc=0。

由于負(fù)載突變前后蓄電池功率保持不變，得到功率分配比關(guān)系為

式中：λ1，λ2分別為負(fù)載突變前、后的功率分配比，PHESS1，PHESS2分別為負(fù)載突變前、后混合儲能系統(tǒng)的總能量。

系統(tǒng)損失的總能量為

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證動態(tài)比例功率分配控制策略的性能，在混合電源環(huán)境下進(jìn)行Matlab 建模仿真。交流異步電機(jī)通過逆變器連接到直流母線上，蓄電池和超級電容器作為能量緩沖器，存儲瞬態(tài)能量和峰值功率，這兩個(gè)儲能裝置通過兩個(gè)相應(yīng)的雙向DC/DC變換器連接到直流母線上?；旌蟽δ芟到y(tǒng)的模型參數(shù)如下：超級電容器的額定電壓為220 V，最大充放電電流為30 A，額定電容為1.6 F；蓄電池的額定電壓為220 V，最大輸出電流為20 A，額定容量為24 A·h。

通過仿真對三相異步電機(jī)的制動（或電動）狀態(tài)進(jìn)行模擬，電機(jī)運(yùn)行工況為：0～7 s 電機(jī)處于制動（或電動）狀態(tài)，在3 s 時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL發(fā)生突變?？紤]到在實(shí)際應(yīng)用中，蓄電池的電流值應(yīng)小于10%的容量，其電流參考值設(shè)定在0～2.4 A?？紤]到超級電容器的能量轉(zhuǎn)換效率和額定電壓，其電壓的范圍應(yīng)在100～220 V。因此，在仿真過程中，超級電容器的充電（放電）電壓初始值預(yù)先設(shè)定為100 V（200 V）。此時(shí)超級電容器的端電壓0.5Usc，max≤Usc

混合儲能系統(tǒng)加入動態(tài)比例功率分配控制時(shí)，根據(jù)式（3）計(jì)算得出負(fù)載突變前功率分配比的取值范圍：0≤λ1≤0.63。由于蓄電池的充電效率與功率成正比[11]，超級電容器的充電電流與效率成反比，所以λ1=0.63時(shí)充電效率較高。

圖4為動態(tài)比例功率分配控制策略和傳統(tǒng)的控制策略的充電仿真對比波形圖，傳統(tǒng)的控制策略即混合儲能系統(tǒng)在充電過程中未加入動態(tài)比例功率分配控制。由圖4 可知，采用本文的控制策略，蓄電池的充電電流始終保持在2.4 A；而采用傳統(tǒng)的控制策略，負(fù)載增加后，蓄電池的充電電流從1.2 A 增加到2.4 A，如圖4a 所示。超級電容器以功率跟蹤方式進(jìn)行充電，如圖4b所示。采用傳統(tǒng)的控制策略，蓄電池的峰值電流始終處于合理的控制范圍內(nèi)，但蓄電池沒有達(dá)到其最佳電力工作狀態(tài)。而且由于整個(gè)充電過程中功率分配比無法動態(tài)改變，負(fù)載突增的情況下，超級電容器不能存儲全部的再生制動能量，將導(dǎo)致蓄電池的電流突然加大，最終影響其使用壽命?；旌蟽δ芟到y(tǒng)各部分功率如圖4c所示，在1～3 s期間，混合儲能系統(tǒng)總功率為665 W，3 s 后負(fù)載增加時(shí)，混合儲能系統(tǒng)的總功率增加到1 275 W。在傳統(tǒng)的控制中負(fù)載突變時(shí)，蓄電池必須迅速承擔(dān)部分功率波動帶來的瞬時(shí)應(yīng)力，超級電容器也沒有充分發(fā)揮其作用。采用本文的控制，負(fù)載突變后功率分配比由0.63 動態(tài)調(diào)節(jié)為0.33，超級電容器承擔(dān)了負(fù)載全部的功率波動。較傳統(tǒng)的控制策略，混合儲能系統(tǒng)的充電效率提高了0.8%。圖4d 為動態(tài)比例功率分配控制中系統(tǒng)能量損失和功率分配比的關(guān)系圖，Wloss，min為傳統(tǒng)的控制策略下最小的能量損失，當(dāng)0.51≤λ1≤0.63 時(shí)采用本文控制策略的系統(tǒng)能量損失均小于傳統(tǒng)的控制策略。

圖4 動態(tài)比例功率分配控制和傳統(tǒng)控制的充電仿真對比波形圖Fig.4 Comparison of charging simulation waveforms of dynamic proportional power distribution control and traditional control

圖5為動態(tài)比例功率分配控制和傳統(tǒng)的控制的放電仿真對比波形圖。

圖5 動態(tài)比例功率分配控制和傳統(tǒng)的控制的放電仿真對比波形圖Fig.5 Comparison of discharging simulation waveforms of dynamic proportional power distribution control and traditional control

在動態(tài)比例功率分配控制中，應(yīng)當(dāng)提高超級電容器的放電功率，以便為下一次存儲負(fù)載的峰值功率做準(zhǔn)備，同時(shí)考慮系統(tǒng)的能量損失與功率分配比成反比，實(shí)驗(yàn)選取λ1為0.51，此時(shí)蓄電池的放電電流保持在1.9 A 附近。而采用傳統(tǒng)的控制策略時(shí)，負(fù)載增加，蓄電池的放電電流從1 A 突增到1.9 A，如圖5a 所示。超級電容器以功率跟蹤方式進(jìn)行充電，如圖5b所示?；旌蟽δ芟到y(tǒng)各部分功率如圖5c所示，混合儲能系統(tǒng)的總功率由665 W 增加到1 275 W。采用動態(tài)比例功率分配控制，負(fù)載突變后功率分配比由0.51 動態(tài)調(diào)節(jié)為0.26。較傳統(tǒng)的控制策略，混合儲能系統(tǒng)的放電效率提高了0.75%。

因此，在負(fù)載突變情況下采用動態(tài)比例功率分配控制時(shí)，超級電容器輸出功率響應(yīng)更快，混合儲能系統(tǒng)能量損失更少，充放電效率更高。而且蓄電池能夠保持在給定條件下工作，超級電容器在負(fù)載出現(xiàn)峰值功率時(shí)可以快速調(diào)整工作狀態(tài)，及時(shí)存儲剩余電力，從而提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文針對電機(jī)負(fù)載突變工況下系統(tǒng)性能下降的問題，提出了一種動態(tài)比例功率分配控制策略?；诨旌蟽δ芟到y(tǒng)中儲能元件運(yùn)行狀態(tài)，推導(dǎo)出了負(fù)載能量利用關(guān)系式，設(shè)計(jì)了動態(tài)調(diào)節(jié)蓄電池和超級電容器功率分配比的方案。在Matlab環(huán)境下通過階躍負(fù)載驗(yàn)證了該策略的有效性。仿真結(jié)果表明，超級電容器能夠承擔(dān)負(fù)載快速波動的峰值功率，從而減少了蓄電池電流的波動，有效延長其使用壽命。因此在大功率場合，采用混合儲能技術(shù)并動態(tài)調(diào)控功率分配比能夠在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)提高充放電效率。