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(國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司， 濟(jì)南 250000)

直流微網(wǎng)中基于混合儲(chǔ)能的自適應(yīng)能量控制策略研究

田明杰,林冬晧,孫占功,朱國軍,王輝云,張磊

(國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司， 濟(jì)南 250000)

針對脈動(dòng)荷載波動(dòng)性大、易對儲(chǔ)能電池充放電造成沖擊等問題，研究一種由儲(chǔ)能電池及超級電容組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，建立一種自適應(yīng)能量控制策略并將其應(yīng)用于直流微網(wǎng)中。該控制策略采用移動(dòng)平均濾波算法，使儲(chǔ)能電池的充放電狀態(tài)得到優(yōu)化，增加了其充放電次數(shù)。對該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理做了介紹，對所提控制策略做了詳細(xì)研究，最后將該控制策略應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，證明了其有效性。

直流微網(wǎng)；儲(chǔ)能電池；超級電容器；混合儲(chǔ)能；脈動(dòng)荷載；自適應(yīng)控制

近年來，隨著越來越多直流形式的家用電器投入市場及分布式(Distributed Generation，DG)發(fā)電技術(shù)的興起[1]，直流微網(wǎng)由于結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)節(jié)控制，且無工頻穩(wěn)定性問題限制，逐漸成為研究熱點(diǎn)[2-4]。由于DG發(fā)電功率和荷載消耗功率都具有波動(dòng)性特點(diǎn)，直流微網(wǎng)在孤立運(yùn)行時(shí)極易失去穩(wěn)定[5]?；旌蟽?chǔ)能作為一種可控制電源應(yīng)用于直流微網(wǎng)，可將超級電容響應(yīng)速度快和儲(chǔ)能電池儲(chǔ)存能量大的特點(diǎn)相結(jié)合，同時(shí)配合設(shè)計(jì)相應(yīng)的能量調(diào)控策略，能夠大大延長系統(tǒng)的使用壽命，降低更換設(shè)備所帶來的成本消耗[6]。

目前，儲(chǔ)能電池及超級電容器主要通過如下三種方式并入直流微網(wǎng)[7]，見圖1。圖1(a)是將超級電容器組及儲(chǔ)能電池組分別經(jīng)一個(gè)DC/DC變流器調(diào)控后并入系統(tǒng)直流母線；圖1(b)是將超級電容器組經(jīng)一個(gè)DC/DC變流器調(diào)控后并入系統(tǒng)直流母線，而儲(chǔ)能電池組則是直接并入系統(tǒng)直流母線；圖1(c)是將超級電容器組直接并入系統(tǒng)直流母線，而儲(chǔ)能電池組則經(jīng)一個(gè)DC/DC變流器調(diào)控后并入系統(tǒng)直流母線。

由于儲(chǔ)能電池直接并入系統(tǒng)直流母線，缺少了DC/DC變流器對電池充電及放電過程的調(diào)控環(huán)節(jié)，極易造成過壓、過流等情況的發(fā)生，加之儲(chǔ)能電池對過壓、過流等異常情況非常敏感，很容易導(dǎo)致電池壽命的大幅縮短甚至損壞；而與儲(chǔ)能電池相比，超級電容器的電壓及電流可調(diào)冗余度大，一般不存在過壓、過流情況，將其直接并入系統(tǒng)直流母線，反而更能發(fā)揮其響應(yīng)速度快、功率密度高的特點(diǎn)，有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且減少了一個(gè)DC/DC變流器的能量損耗，系統(tǒng)能量傳遞效率也將得到提高。為此，本文采用圖1(c)所示的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。文中對該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理做了介紹，同時(shí)對設(shè)計(jì)的自適應(yīng)能量控制策略做了詳細(xì)研究，并開發(fā)了額定功率為4kW，50～80V/130V，接有1個(gè)儲(chǔ)能電池組及1個(gè)超級電容器組的物理樣機(jī)，將該控制策略應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，證明了其有效性。

圖1 儲(chǔ)能電池及超級電容并入直流母線方式Fig.1 Access to DC bus modeof battery and super capacitor

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 微網(wǎng)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

圖2為文中所研究的微網(wǎng)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)包含：儲(chǔ)能電池組、超級電容器組、DG、DC/DC和荷載等模塊。其中超級電容器組及固定(脈動(dòng))荷載直接并入系統(tǒng)直流母線，儲(chǔ)能電池組和DG則分別通過DC/DC變換器1、2并入系統(tǒng)直流母線。

變換器2工作于MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤)模式，可使DG以最大功率發(fā)出電能[7]；變換器1采用雙向Buck/Boost拓?fù)?，并采取電流閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了功率的雙向傳送及電壓等級、充放電流的靈活調(diào)節(jié)。

圖2中，PDG表示DG發(fā)出的功率，Pbat、Psc分別表示儲(chǔ)能電池和超級電容器的充放電功率，Pload1、Pload2表示固定(脈動(dòng))荷載所吸收的功率?？傻玫焦β蕜?dòng)態(tài)平衡方程為

Psc+Pbat=Pload-PDG

(1)

從式(1)可以看出,荷載(固定荷載、脈動(dòng)荷載之和)與DG的功率差額由超級電容器和儲(chǔ)能電池負(fù)責(zé)平衡。

圖2 微網(wǎng)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the microgrid system

1.2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

由于脈動(dòng)荷載與DG具有相似的功率波動(dòng)性，為分析簡便，文中采用等效方法，將DG與實(shí)際的脈動(dòng)荷載等效為Rload2，如圖3所示。其中：Sw(1)、Sw(2)是分合開關(guān)，控制超級電容及儲(chǔ)能電池端口的投切；K1、K2表示斷路器，正常工作狀態(tài)下保持閉合，當(dāng)發(fā)生過電壓、過電流現(xiàn)象時(shí)斷開；Rs是啟動(dòng)電阻，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)與K1相互配合，減小啟動(dòng)階段電流對系統(tǒng)的沖擊；Li(1)為儲(chǔ)能電感，Csc、Cbat為濾波電容，SR1、SR2為負(fù)荷開關(guān)，Rload1、Rload2分別表示固定和等效脈動(dòng)荷載；isc、ibat分別為超級電容及儲(chǔ)能電池電流;Udc為直流母線電壓;iload為荷載電流。整個(gè)裝置的控制系統(tǒng)由DSP與FPGA組成。數(shù)據(jù)的采樣以及濾波、保護(hù)等在FPGA中實(shí)現(xiàn)[8],而自適應(yīng)能量控制策略等上層算法在DSP中完成。

圖3 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)簡化后的結(jié)構(gòu)與工作原理圖Fig.3 Structure and working principle diagramof simplified hybrid energy storage system

2 系統(tǒng)控制策略

本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)能量控制框圖如圖4所示。其中，Pload1為固定荷載功率，Pfilter為脈動(dòng)荷載濾波后的功率，Pcom為通過變增益控制維持直流母線電壓穩(wěn)定的補(bǔ)償功率，Pbat表示經(jīng)該控制策略得到的儲(chǔ)能電池組應(yīng)傳送的功率。

該控制策略以優(yōu)化儲(chǔ)能電池的充放電為目標(biāo)，先經(jīng)移動(dòng)濾波器將脈動(dòng)荷載功率濾波，得到Pfilter；然后通過變增益控制得到補(bǔ)償功率Pcom；最后將Pfilter、Pload1及Pcom相加求和得到Pbat；而荷載實(shí)時(shí)吸收功率Pload和儲(chǔ)能電池實(shí)時(shí)傳輸功率Pbat_t的差額則經(jīng)超級電容實(shí)時(shí)快速補(bǔ)償。

圖4 系統(tǒng)自適應(yīng)能量控制框圖Fig.4 System adaptive energy control block diagram

2.1 DC/DC變換器1控制

系統(tǒng)中變換器1采用電流閉環(huán)控制，將濾波后計(jì)算出的功率指令Pbat給儲(chǔ)能電池組作電流閉環(huán)控制；超級電容器直接接在直流母線上，利用其功率密度大、充放電速率快的優(yōu)點(diǎn)，對濾波后脈動(dòng)荷載功率的缺額實(shí)時(shí)快速補(bǔ)償。圖5為DC/DC變換器1控制框圖。圖5中,Ibat_ref表示儲(chǔ)能電池傳輸電流參考值，Ibat表示濾波后的儲(chǔ)能電池電流值。經(jīng)電流閉環(huán)控制得占空比Dbat，再經(jīng)PWM調(diào)制后得到互補(bǔ)的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)[9]。

圖5 變換器1控制框圖Fig.5 Control block diagram of converter 1

2.2 移動(dòng)平均濾波算法及時(shí)間窗口T的選擇

移動(dòng)平均濾波算法旨在計(jì)算幾個(gè)序列數(shù)的移動(dòng)均值，并生成一個(gè)新的平均值序列[10]。它等同于一間隔為T的時(shí)間窗口，沿一組數(shù)值序列順序移動(dòng)。每經(jīng)過一取樣間距，窗口前會(huì)移入一新的數(shù)據(jù)，而窗口后則會(huì)剔除一舊數(shù)據(jù)，從而確保窗口中保持T/t(t表示取樣間距)個(gè)“新的數(shù)據(jù)”，然后再將更新后的T/t個(gè)數(shù)據(jù)算術(shù)求平均，便求得一組濾波后的新數(shù)據(jù)序列，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(2)

式中：T表示時(shí)間窗口大小。

如圖4所示，將iload2及Udc作乘積并在T內(nèi)積分求和取平均，這樣就得到濾波后的功率Pfilter。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)對儲(chǔ)能電池組充、放電過程的充分優(yōu)化，在確保系統(tǒng)安全工作的前提下，對移動(dòng)窗口T的大小需要合理選擇。

圖6所示為脈動(dòng)信號(hào)波形示意圖，對其做傅里葉分解，可得分解式如下：

(3)

圖6 脈動(dòng)信號(hào)波形示意圖Fig.6 Schematic diagram of pulsating signal waveform

可以發(fā)現(xiàn)式(3)中占比重最高的為1次諧波，為了分析簡便，現(xiàn)只對1次諧波的幅頻特性做重點(diǎn)分析。圖7所示為脈動(dòng)信號(hào)1次諧波濾波后的幅頻特性曲線，圖中T0為脈動(dòng)信號(hào)周期。

圖7 脈動(dòng)信號(hào)1次諧波濾波后的幅頻特性Fig.7 Amplitude frequency characteristic ofpulsating signal after first harmonic filtering

在工程應(yīng)用中，移動(dòng)平均濾波器的增益衰減通常為3～40dB。由圖7可知，在僅考慮1次諧波影響的狀況時(shí)，T可取范圍為0～T0，由于T取值愈大，對控制芯片性能要求愈高[11]，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性等因素，本文取值0.42T0

2.3 直流母線電壓變增益控制

由于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中存在功率損耗等，且采樣存在誤差，極易造成直流母線電壓偏離其額定值，因此有必要對直流母線電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。直流母線電壓控制采用增益可調(diào)的自適應(yīng)控制器，其根據(jù)Udc與參考值Udc_ref的差值實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)增益系數(shù)Kcom，從而調(diào)整補(bǔ)償功率Pcom，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)Pbat的目的。

圖8為直流母線電壓變增益調(diào)節(jié)示意圖。圖中，依據(jù)超級電容端電壓的大小將控制區(qū)劃分成3部分，I、III區(qū)表示快調(diào)區(qū)，分別以大小為mL、mH的增益對Pcom進(jìn)行快調(diào)；III區(qū)表示微調(diào)區(qū)，以大小為m0的增益對Pcom實(shí)施微調(diào)。其中，Udc_ref為直流母線電壓的參考值，Udc_L、Udc_H分別為I區(qū)與II區(qū)、II區(qū)與III區(qū)的閾值。根據(jù)圖8所示，可得Pcom的計(jì)算公式為

式中：Kcom_L、Kcom_0、Kcom_H分別是I、II、III區(qū)的增益；Pcom_L、Pcom_H表示增益補(bǔ)償值，用來保證Pcom在各調(diào)節(jié)區(qū)始終連續(xù)。依據(jù)超級電容器容量大小及系統(tǒng)運(yùn)行自損率，設(shè)定合適的Kcom_L、Kcom_0與Kcom_H，計(jì)算得Pcom，實(shí)現(xiàn)對Pbat實(shí)時(shí)調(diào)控。使儲(chǔ)能電池實(shí)時(shí)更新功率補(bǔ)償數(shù)值，便可使直流母線電壓穩(wěn)定在額定值附近。

圖8 直流母線電壓變增益調(diào)節(jié)示意圖Fig.8 Schematic diagram of variable gainregulation on DC bus voltage

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為驗(yàn)證本文所提出的自適應(yīng)能量控制策略的有效性，本文開發(fā)一臺(tái)物理實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，它由儲(chǔ)能電池組、超級電容器組、變換器、控制板、驅(qū)動(dòng)電路等組成。其中，電池采用鉛酸電池，由6個(gè)單體串聯(lián)成組，電壓60～75 V；超級電容采用模組形式，額定參數(shù)150 V/6.67 F，實(shí)驗(yàn)中設(shè)定工作電壓為130 V。

樣機(jī)硬件參數(shù)：Li(1)=1 200 μH；Rs=100 Ω；Csc=Cbat=4 500 μF；Rload1額定值為1.8 kW，Rload2調(diào)節(jié)范圍0～2 kW。控制參數(shù)：Udc_ref=130 V；開關(guān)頻率 20 kHz，采樣頻率40 kHz。

3.2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)自適應(yīng)能量控制策略實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證直流母線電壓變增益調(diào)節(jié)的有效性，進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。圖9為未采用直流母線電壓變增益調(diào)節(jié)情況下投入脈動(dòng)荷載的波形圖。圖9中，Pload是荷載吸收功率，由于系統(tǒng)中存在功率損耗，從而造成超級電容輸出功率大于吸收功率，即表現(xiàn)為Udc不斷下跌，這給系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成了威脅。圖10為采用直流母線電壓變增益調(diào)節(jié)情況下的實(shí)驗(yàn)圖。

圖9 未采用電壓變增益調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)波形圖Fig.9 Waveforms diagram without adoptingvoltage gain regulation experiment

結(jié)合前文分析可知，由于Pcom的作用，使得蓄電池組發(fā)出功率增多，從而補(bǔ)償了系統(tǒng)功率的損耗，使Udc穩(wěn)定在參考值附近。

圖10 采用電壓變增益調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)波形圖Fig.10 Waveforms diagram when adoptingvoltage gain regulation experiment

為驗(yàn)證所提自適應(yīng)能量控制策略的有效性，設(shè)置對比試驗(yàn)。圖11是未采用能量控制策略情況下投入脈動(dòng)荷載的實(shí)驗(yàn)波形圖，當(dāng)荷載功率由0.8 kW驟增至1.5 kW時(shí)，Udc下跌5 V左右，ibat由大約11 A陡升至20 A左右，isc只有6A左右充、放電電流；當(dāng)荷載功率由1.5 kW驟減至0.8 kW時(shí)，則情況相反。由圖11可知，超級電容器響應(yīng)程度有限，儲(chǔ)能電池充放電電流變化率極大，對其使用壽命有極大影響。圖12是采用能量控制策略情況下的對比實(shí)驗(yàn)圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)荷載功率變化時(shí)，超級電容器響應(yīng)程度大大增加，有大概30A左右的充、放電電流(響應(yīng)速率提高近5倍)，這將大大緩解儲(chǔ)能電池充、放電電流突變的不利狀況，延長其使用壽命。

圖11 未采用能量控制策略實(shí)驗(yàn)波形圖Fig.11 Theexperimental waveforms of energycontrol strategies are not used

圖12 采用能量控制策略實(shí)驗(yàn)波形圖Fig.12 Waveforms diagram whenenergy control strategies are adopted

4 結(jié) 語

研究一種應(yīng)用于直流微網(wǎng)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，并提出一種自適應(yīng)能量控制策略，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。該控制策略可使直流母線電壓穩(wěn)定在額定值(130V)附近(±5V)，并將超級電容的響應(yīng)速率提高近5倍，從而優(yōu)化了儲(chǔ)能電池的充、放電狀態(tài)，延長了其使用壽命，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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On the Adaptive energy control strategy based on hybrid energy storage in the DC microgrid

TIAN Mingjie，LIN Donghao，SUN Zhangong，ZHU Guojun，WANG Huiyun，ZHANG Lei

(Jinan Power Supply Company of state Grid Shandong Electric Power Co.,Ltd.，Jinan 250000，China)

In view of problems such as the high fluctuation and the impact on energy storage battery charging and discharging of fluctuating load, a hybrid energy storage system composed of energy storage battery and super capacitor is studied, and then an adaptive energy control strategy is proposed and applied to the DC microgrid. The strategy uses the moving average filter algorithm to optimize the charging and discharging state of the energy storage battery, which increases the charge and discharge time. The composition structure and working principle of the system are introduced in this paper, and then the proposed control strategy is studied in detail. At last, the control strategy is applied to an experimental prototype, which proves its effectiveness.

DC microgrid; energy storage battery; super capacitor; hybrid energy storage; fluctuating load; adaptive control

2017-07-17。

田明杰(1989—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)技術(shù)、大功率儲(chǔ)能技術(shù)。

TM711

A

2095-6843(2017)06-0492-05

(編輯侯世春)