胡治國，張磊沖，司少康，張磊磊，黃文帥

（1.河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南焦作 454003；2.內蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院，內蒙古呼和浩特 010051；3.三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌 443002）

0 引言

近年來，隨著光伏等可再生能源在電力行業(yè)的大規(guī)模應用，光伏單元輸出功率的間歇性和波動性也成為影響電力系統(tǒng)運行中電能質量穩(wěn)定的重要因素[1-4]。通常在光伏發(fā)電系統(tǒng)中配置一定容量的混合儲能單元，提高系統(tǒng)供電可靠性[5-7]。

荷電狀態(tài)是影響混合儲能單元使用壽命的重要因素。由于光伏單元輸出功率具有波動性，容易造成儲能單元在工作過程中出現(xiàn)過充或過放以及過熱等問題，縮短儲能單元的使用壽命[8-9]。因此，需要采取一些保護措施使儲能單元在工作過程中荷電狀態(tài)始終處于合理工作區(qū)間。

合理的儲能單元功率分配策略不僅能夠延長儲能單元循環(huán)使用壽命，而且能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。文獻[10]提出采用小波包分解完成并網功率和混合儲能單元需求功率的分配，并采取保護措施避免儲能單元出現(xiàn)過充或過放情況。文獻[11-14]根據(jù)儲能單元荷電狀態(tài)將儲能單元劃分為多種工作模式，避免儲能單元出現(xiàn)過充和過放情況，但系統(tǒng)控制過程需要考慮儲能單元配合時可能出現(xiàn)的各種工作狀態(tài)。文獻[15-17]采用變分模態(tài)分解獲得混合儲能單元初級分配功率，并采用模糊控制對儲能單元參考功率進行二次修正，達到平抑風光發(fā)電功率波動以及延長儲能單元使用壽命的目的。但變分模態(tài)分解存在邊界效應，對突發(fā)的信號處理能力較差，并且切換應用對象時需要對模糊規(guī)則進行調整。文獻[18-20]提出基于考慮超級電容荷電狀態(tài)的可變?yōu)V波時間常數(shù)儲能單元功率分配策略，雖然避免了超級電容出現(xiàn)過充或過放情況，但沒有對電池采取保護措施。文獻[21]采用基于自定義電壓變化率動態(tài)改變下垂系數(shù)的方法，使儲能單元需要補償?shù)墓β实玫胶侠矸峙?，但并未考慮混合儲能單元可能出現(xiàn)過充或過放情況，影響儲能單元的使用壽命。

綜上所述，本文提出一種基于電壓下垂控制的混合儲能系統(tǒng)改進控制策略，通過采用超級電容穩(wěn)態(tài)功率修正策略以及基于混合儲能單元荷電狀態(tài)的能量管理策略，提高儲能單元使用壽命。

1 直流微網系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)框架

直流微網系統(tǒng)基本框架如圖1 所示，由分布式電源（光伏單元）、混合儲能單元（電池和超級電容）、直流負載及功率變換器等幾部分構成。其中Ppv，Pb，Psc，Pload分別為光伏單元輸出功率、電池補償功率、超級電容補償功率、負載消耗功率。

圖1 直流微網系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure diagram of DC microgrid system

1.2 儲能單元傳統(tǒng)控制策略

在孤島狀態(tài)下，直流微網系統(tǒng)功率平衡為：

直流母線電壓與負載和光伏單元輸出功率差額之間存在以下關系：

由式（1）與式（2）可得：

式中：β為功率下垂系數(shù)；Udc為母線電壓測量值；Udcref為直流母線參考電壓；K為電壓下垂系數(shù)；Ihref為混合儲能單元參考電流。

基于電壓下垂控制的混合儲能單元控制策略如圖2 所示，其中Ibatref為電池參考電流，Iscref為超級電容參考電流，Ibat為電池端電流；Isc為超級電容端電流，Ubat為電池端電壓，LPF 為低通濾波器，PWM 為脈寬調制器。

圖2 混合儲能控制策略Fig.2 Hybrid energy storage control strategy

電池未補償?shù)墓β视沙夒娙莩袚藭r超級電容參考電流為：

式中：fLPF為低通濾波函數(shù)；Usc為超級電容端電壓。

本文所采用的傳統(tǒng)功率分配策略中超級電容發(fā)揮著主導作用，不僅需要快速響應系統(tǒng)波動功率中的高頻分量，同時還補償由于電池反應速度較慢而未能及時補償?shù)牡皖l分量[22-23]，從而提高儲能單元的控制策略的精準度。

2 儲能單元改進控制策略

儲能單元改進控制策略如圖3 所示。其中Ssc為超級電容荷電狀態(tài)，Sscref為超級電容額定荷電狀態(tài)，Sb為電池荷電狀態(tài)，A為大于0 的修正系數(shù)。

圖3 儲能單元改進控制策略Fig.3 Improved control strategy for energy storage unit

2.1 穩(wěn)態(tài)功率修正策略

基于超級電容荷電狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)功率修正策略通過檢測母線電壓變化率以及超級電容實時荷電狀態(tài)，在電池電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)中引入與超級電容荷電狀態(tài)有關的虛擬沖擊電流擾動，使其作用于電池電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)，對超級電容輸出功率進行實時修正，使超級電容荷電狀態(tài)在經過一段時間工作之后仍能恢復至額定值左右。虛擬沖擊電流IV數(shù)學表達式為：

式中：Ibatmax為電池最大工作電流；Iscmax為超級電容最大工作電流；C為母線電壓變化率閾值。

此時電池與超級電容參考電流變化為：

將式（8）代入式（5）可得：

由式（8）、式（9）可知，儲能單元放電時，若超級電容荷電狀態(tài)Ssc＞=Sscref，，則虛擬沖擊電流IV＜0，電池放電電流逐漸減小，超級電容放電電流逐漸增大，超級電容放電速度加快，此時超級電容荷電狀態(tài)逐漸向額定值恢復。儲能單元充電時，若超級電容荷電狀態(tài)Ssc＜Sref，，則虛擬沖擊電流IV＞0，電池充電電流逐漸減小，超級電容充電電流逐漸增大，超級電容充電速度加快，此時超級電容荷電狀態(tài)逐漸向額定值恢復。

2.2 能量管理策略

為避免電池出現(xiàn)過充或過放情況，本文提出一種基于混合儲能單元荷電狀態(tài)的能量管理策略，參考文獻[24-26]所提出的基于電池荷電狀態(tài)的功率分配策略中對電池荷電狀態(tài)工作區(qū)間的劃分方法，將電池荷電狀態(tài)劃分為5 個區(qū)域，分別為過度充電區(qū)（80%～100%）、限制充電區(qū)（70%～80%）、正常工作區(qū)（30%～70%）、限制放電區(qū)（20%～30%）、過度放電區(qū)（0～20%）。然后根據(jù)電池荷電狀態(tài)所處區(qū)域及充放電狀態(tài)，實時修正電池參考電流，達到延長電池使用壽命的目的。

在超級電容荷電狀態(tài)處于正常工作區(qū)間的前提條件下，將超級電容和電池工作狀態(tài)分為以下幾種情況：

1）電池荷電狀態(tài)為Sb＜20%，則禁止電池放電，只允許其充電。

2）電池荷電狀態(tài)為20%＜=Sb＜30%，遵循“快充慢放”原則，超級電容穩(wěn)態(tài)功率修正策略處于待機狀態(tài)。

式中：m為大于0 的修正系數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)儲能單元容量的大小、功率波動情況兩者綜合評定選?。籌bref為能量管理策略修正后電池參考電流。

3）若此時電池荷電狀態(tài)為30%＜=Sb＜70%，混合儲能單元正常工作，基于混合儲能單元荷電狀態(tài)的能量管理策略切換為待機狀態(tài)。

4）電池荷電狀態(tài)為70%＜=Sb＜80%，遵循“慢充快放”原則，超級電容穩(wěn)態(tài)功率修正策略處于待機狀態(tài)。

5）若電池荷電狀態(tài)為Sb＞=80%，則禁止電池充電，只允許其放電。

6）若超級電容荷電狀態(tài)不在正常工作區(qū)間，則基于混合儲能單元荷電狀態(tài)的能量管理策略切換為待機狀態(tài)。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink 中搭建獨立直流微網系統(tǒng)模型，對系統(tǒng)母線電壓、儲能單元荷電狀態(tài)及輸出功率的變化情況進行仿真分析。模型主要參數(shù)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 Main system parameters

3.1 穩(wěn)態(tài)功率修正策略

在獨立直流微網仿真模型中，通過改變光伏單元輸出功率，使混合儲能單元工作在充電或者放電狀態(tài)，驗證基于超級電容荷電狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)功率修正策略的有效性。

光伏單元輸出功率變化情況如圖4 所示。電池和超級電容初始荷電狀態(tài)均在正常工作區(qū)間，觀察超級電容工作在充電和放電狀態(tài)時優(yōu)化前后超級電容荷電狀態(tài)變化情況以及混合儲能單元輸出功率情況，驗證超級電容穩(wěn)態(tài)功率修正策略的有效性。系統(tǒng)仿真結果如圖5 所示。

圖4 光伏輸出功率Fig.4 Photovoltaic output power

圖5 穩(wěn)態(tài)功率修正策略仿真結果Fig.5 Simulation results of steady-state power correction strategy

圖5（b）中Vdc與Vdcref分別為母線電壓實測值與額定值。由圖5（d）可知，0.5 s 時超級電容快速補償系統(tǒng)差額功率，荷電狀態(tài)出現(xiàn)短暫下降。0.5 s 后在光伏輸出功率達到穩(wěn)定狀態(tài)時，優(yōu)化前超級電容承擔的高頻功率分量中充電功率大于放電功率，超級電容在快速補償波動功率后，荷電狀態(tài)整體呈現(xiàn)上升趨勢。

由圖5（a）可知，優(yōu)化后在超級電容穩(wěn)態(tài)功率修正策略的作用下，超級電容在工作過程中荷電狀態(tài)始終穩(wěn)定在額定值左右。

3.2 能量管理策略仿真分析

3.2.1 電池荷電狀態(tài)位于限制放電區(qū)

當電池初始荷電狀態(tài)位于限制放電工作區(qū)間，超級電容初始荷電狀態(tài)位于正常工作區(qū)時，觀察優(yōu)化前后電池工作在充電和放電狀態(tài)時荷電狀態(tài)與母線電壓變化情況，仿真結果如圖6 所示。

圖6 電池限制放電區(qū)仿真結果Fig.6 Simulation results of battery limit discharge zone

由圖6（a）可知，電池荷電狀態(tài)在放電限制區(qū)時，在能量管理策略的作用下，遵循“快充慢放”的工作原則，減緩了電池荷電狀態(tài)到達過度放電臨界值的時間，延長了電池使用壽命。

3.2.2 電池荷電狀態(tài)位于限制充電區(qū)

當電池初始荷電狀態(tài)在限制充電工作區(qū)間，超級電容初始荷電狀態(tài)在正常工作區(qū)，觀察優(yōu)化前后電池工作在充電和放電狀態(tài)時荷電狀態(tài)與母線電壓變化情況，仿真結果圖7 所示。

圖7 電池限制充電區(qū)仿真結果Fig.7 Simulation results of dattery limit charging zone

由圖7（a）可知，電池荷電狀態(tài)在充電限制區(qū)時，在能量管理策略的作用下，遵循“慢充快放”的工作原則，減緩了電池荷電狀態(tài)到達過度充電臨界值的時間，延長了電池使用壽命。

4 結語

獨立直流微網系統(tǒng)中混合儲能單元的使用壽命是影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要因素之一。本文以延長混合儲能單元使用壽命為目標，提出基于超級電容荷電狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)功率修正策略及基于混合儲能單元荷電狀態(tài)的能量管理策略。與傳統(tǒng)混合儲能單元控制策略相比，本文根據(jù)儲能單元工作特性所提的改進措施能夠有效延長儲能單元使用壽命，對于采用混合儲能技術平抑獨立直流微網系統(tǒng)功率波動具有一定的參考價值。