蓄电池与超级电容混合储能系统的控制策略

张纯江 董 杰 刘 君 贲 冰

（燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室 秦皇岛 066004）

1 引言

可再生能源的大量利用不仅能缓解目前的能源危机，同时也能大大减少污染物的排放，能够取得比较好的节能减排效益[1]。可再生能源发电单元存在着发电量不稳等一些缺点，因此储能系统已经成了以太阳能、风能等为主要能量来源的分布式发电系统的重要环节，具有重要的研究意义[2,3]。

蓄电池在储能设备中得到广泛应用，其能量密度较大，符合分布式发电对能量密度的要求[4]。但是受电化学反应速率的限制，蓄电池地功率密度比较小，当负载功率突变时，不能快速的吸收或释放目标功率，较难满足系统的动态要求。超级电容充放电时内部发生的是物理变化，具有功率密度大的特点，可以在短时间内提供较大功率，为其他设备提供缓冲，但是能量密度比较低，因此超级电容与蓄电池在性能上有较强的互补性，常将这两种储能元件通过一定的方式连接构成混合储能系统[5-10]，充分发挥两者的优点使系统获得更好的性能，这也是本文的出发点。

2 储能系统结构与工作原理分析

将蓄电池和超级电容分别通过双向半桥接到直流母线上构成混合储能系统，此变换器是目前在光伏发电储能系统中应用最广泛的一种双向变换器。为了简化分析，假定分布式系统能量来源仅来自光伏电池，则系统的简化结构如图1 所示，直流母线可认为是光伏发电单元、负载、储能系统三者的公共接点，把分布式发电系统中的直流负载、独立运行逆变器、并网运行逆变器统称为直流母线的负载。

图1 简化的分布式发电系统结构Fig.1 simplified structure of distributed power generation system

设Pload、Pbat、Psc、Ppv分别为负载、蓄电池、超级电容以及光伏电池的功率，则有

蓄电池在系统中的作用通常是维持母线上能量的功率平衡，在负载功率突变的时刻，光伏电池的功率可认为不变的，这要求蓄电池迅速的改变其充放电功率以满足负载要求。但蓄电池功率密度小的特点决定了蓄电池难以满足要求。

此时如果超级电容来提供负载功率突变部分（即负载功率的高频分量），这样蓄电池就只需要提供负载功率变化的低频分量。这样可以极大地削减负载突变造成的对蓄电池的冲击，降低对蓄电池功率密度的要求，提高系统的动态响应。同时蓄电池可以更好地稳定直流母线电压，其充放电电流变化速率也得到了降低，蓄电池的工况有了很好地改善，这能减少蓄电池的损伤，延长蓄电池的使用寿命。

对于负载功率高频分量的检测，采用单极点高通滤波器即可以实现，且控制相对简单，数字化实现方便。设Pscref为负载突变时超级电容的高频功率给定量，则单极点高通滤波器的通用表达式为

设超级电容所连接的双向变换器效率为η，Vsc和Isc分别为超级电容端压和电流，对于超级电容本身的充放电功率Psc有

当负载突增时，经滤波得出的超级电容功率给定Pscref为正值，即此时超级电容应该释放功率

此时超级电容放电电流应该为

当负载突减时，经过滤波得出的Pscref为负值，即此时超级电容应该吸收功率

则此时超级电容的充电电流大小为

在负载突增或突减时，通过式（5）和式（7）计算结果来控制超级电容的充放电电流来实现其功率的控制。

在整个混合储能系统运行过程中，其控制原理图如图2 所示。蓄电池和超级电容分别通过一个双向变换器连接到直流母线上，为了实现系统功能，混合储能系统的控制中设计了四个控制器。

图2 混合储能系统控制原理图Fig.2 Control principle diagram of the HESS

控制器1 采集蓄电池充放电电流和直流母线电压，并根据给定的直流母线电压值控制双向变换器工作于单端稳压模式，稳定直流母线的电压。控制器2 采集超级电容端压和充放电电流，根据负载功率高频分量检测环节的高频功率信号，得出超级电容实时充放电电流值的大小，以实现超级电容充放电功率的控制，提供或吸收突变功率的高频部分，给蓄电池提供缓冲。控制器3 工作在负载功率波动值小于设定阈值时，采集超级电容电流和端压，根据设定的超级电容端压参考值 Vscref进行恒压限流充电，这能使超级电容的电压时刻维持在设定值，为下一次负载突变做准备。控制器4 运行在蓄电池过放时，蓄电池已经不能在维持母线电压稳定，应断开负载，对蓄电池进行充电，采集蓄电池电压和电流，进行恒压限流充电。

3 系统主电路与控制策略分析

3.1 双向半桥变换器两种模式下的数学模型

图3 双向半桥变换器电路结构图Fig.3 Diagram of the bidirectional half-bridge converter

将蓄电池和超级电容都等效为理想电容及一个等效串联内阻的简化模型，储能元件连接双向变换器的电路图如图3 所示，C 是储能元件等效电容，r 是其串联内阻，U2是储能元件的端压，也就是变换器低压端电压，电感L、开关管S1、S2以及输出侧滤波电容C1构成双向半桥变换器，RL为等效负载，U1为输出电压，实际中U1即是直流母线电压。

当变换器运行于Boost 单端稳压模式时，设d为S1的开关函数，可以得到其小信号模型为

当变换器运行于Buck 模式时，设d'为S2的开关函数，可以得到其小信号模型为

3.2 双向半桥变换器四种模式下的控制策略

在变换器处于Boost 单端稳压模式时，负载RL在数值上而言可正可负，即变换器正向工作时为正，反向时为负。双向变换器Boost 型单端稳压模式采用电压电流双闭环调节，单端稳压模式的控制框图如图4 所示。

图4 控制器1 的控制框图Fig.4 Block diagram of the controller 1

在超级电容正常工作时，超级电容提供负载高频功率，检测环节得到功率的高频部分，计算得出超级电容充放电电流的参考值，再通过控制超级电容充放电电流来实现。直接用比例积分控制器就可以使电感电流稳定，其控制框图如图5 所示。

图5 控制器2 的控制框图Fig.5 Block diagram of the controller 2

系统正常运行时，如果负载波动幅度小于设定的阈值，则需要对超级电容进行恒压限流充电，使得超级电容的端压回到给定值。另外，当蓄电池端电压过低时，为了避免蓄电池过放电，也需要对蓄电池进行充电，此时变换器的控制目标是低压端输出电压，采用电压外环电流双内环的双闭环的控制策略，控制框图如图6 所示。

图6 系统中控制器3、4 的控制框图Fig.6 Block diagram of the controller 3 and 4

变换器此模式工作时电压调节器输出的电流给定需加限幅环节，对蓄电池充电而言，这样做的目的是为了避免蓄电池端电压低时出现充电电流过大；对超级电容而言，是为了避免超级电容自充电时因为充电电流过大引起母线电压波动。

4 储能系统仿真分析

4.1 仿真条件

以230V 电压源和5Ω电阻串联作为简化光伏电池，系统负载为纯电阻性负载，设定直流母线电压为220V，蓄电池组额定电压为96V，容量为100A·h，超级电容组参数为3.3F，初始电压设为110V。系统轻载为100W，重载为2 000W。0.1s 时系统由轻载变为重载，0.3s 时系统由重载变为轻载。

4.2 蓄电池单独工作仿真

如果蓄电池单独工作，得到仿真波形如图7 所示。图中上部分曲线为直流母线电压波形，下部分曲线为蓄电池电流波形，从图中可以看出，在负载变化一段时间后，母线电压能够稳定在220V，说明蓄电池单端稳压模式能够起到维持母线功率平衡和母线电压稳定的作用。

在系统加载时，蓄电池电流值由负变正，补充母线上功率的不足。在此过程中母线电压跌落至198V，跌落幅度为22V。

图7 蓄电池单端稳压模式仿真波形Fig.7 Simulation graph when battery works alone

在系统减载时，蓄电池由释放功率变到吸收功率，电流由正变负，吸收母线上过多的功率。在此过程中母线电压升高至245V，幅度为25V。

4.3 混合储能系统仿真

加入超级电容构成混合储能系统后，超级电容按照高频滤波得到功率高频分量进行充放电，给蓄电池提供缓冲。加载和减载时的仿真波形分别如图8 和图9 所示。图中第一条曲线为直流母线电压波形，第二条曲线为蓄电池电流波形，第三条曲线为超级电容电流波形。

系统加载时，超级电容根据高频功率给定，输出电流由0 迅速增至20A，超级电容提供了负载突变功率，在超级电容作用下，蓄电池得到极大的缓冲，此时直流母线电压的跌落5V，小于只用蓄电池稳压的22V。0.15s 时由于负载功率高频分量已经接近于0，此时超级电容开始充电，补充工作时释放的能量，使自身电压回到给定值，切换过程中母线电压基本不受影响。

图8 混合储能系统负载突增时仿真波形Fig.8 Simulation of the HESS when load increase

图9 加入超级电容后负载突减时仿真波形Fig.9 Simulation of the HESS when load decrease

系统减载时，超级电容电流由0 迅速变为-15A，超级电容吸收由于负载突减形成的功率过剩，在此过程中直流母线电压上升6V，小于只用蓄电池单独工作的25V，说明加入超级电容的作用是明显的。0.35s 时超级电容切换为放电过程，释放工作时吸收的能量，使端压回到给定值。

5 系统实验设计与结果分析

5.1 系统的程序实现与实验条件

实验采用 DSP 实现对蓄电池和超级电容的工作控制，系统功能是在中断服务子程序里实现的，系统控制程序流程图如图10 所示。程序能实现如下几个功能：

（1）蓄电池运行于单端稳压模式维持直流母线电压。

（2）实时检测负载功率，提取功率突变的高频分量。

图10 混合储能系统控制程序流程图Fig.10 Flow chart of the system’s control program

（3）按照负载功率高频分量，决定超级电容运行在哪种模式。

（4）负载波动时运算得出超级电容的电流给定，使超级电容定功率充放电。

（5）负载无波动时超级电容自充电至给定电压。

为了简化实验，假定系统运行在夜间，即此时光伏电池无输出。超级电容组容值3.3F，充电参考电压设置为80V。7 节标称为12V/33A·h 的蓄电池串联成蓄电池组，直流母线电压设定为150V。轻载200W，重载600W。

5.2 系统实验结果分析

负载加载时，如果蓄电池单独工作，得到实验波形如图11 所示，曲线1 为直流母线电压波形，曲线2 为蓄电池电流波形。蓄电池输出电流由原来的2A 迅速的增大到7A，负载突增造成母线电压波动幅度为12V。

图11 蓄电池单独工作时负载突增实验波形Fig.11 voltage of dc bus and current of battery when battery operates alone

加入超级电容构成混合储能系统后，得到如图12 和图13 所示的实验波形，图12 为直流母线电压和超级电容电流波形，其中1 为直流母线电压，2为超级电容电流。图13 为直流母线电压和蓄电池电流波形，其中1 为直流母线电压，2 为蓄电池电流。加载时，超级电容的电流立即由0 变为5.2A，蓄电池输出电流由原来的2A 缓慢的增大到7A，过程持续约1s，蓄电池得到了极大的缓冲。母线电压基本无波动。

图12 加载时直流母线电压和超级电容电流波形Fig.12 voltage of DC bus and current of ultracapacitor in HESS when load increase

图13 加载时直流母线电压和蓄电池电流波形Fig.13 voltage of DC bus and current of battery in HESS when load increase

在加载后的a 点处，由于此时负载突变的高频分量已经接近为0，超级电容开始充电，补充本次负载突增过程中释放的电能，为下次负载突变做准备。负载减载时，如果蓄电池单独工作，得到如图14 所示的实验波形，曲线1 为直流母线电压波形，曲线2 为蓄电池电流波形,蓄电池输出电流由原来的7A 迅速的减小到2A，负载突减造成母线电压波动幅度为14V。

加入超级电容构成混合储能系统后，得到如图15 和图16 所示的实验波形，图15 为直流母线电压和超级电容电流波形，其中1 为直流母线电压，2为超级电容。图16 为直流母线电压和蓄电池电流波形，其中1 为直流母线电压，2 为蓄电池电流电流。减载时，超级电容的电流立即由0 变为-4.5A，蓄电池输出电流缓慢减小，蓄电池得到了极大的缓冲，母线电压基本无波动。

图14 蓄电池单独工作时负载突减实验波形Fig.14 voltage of DC bus and current of battery when battery operates alone

图15 减载时直流母线电压与超级电容电流波形Fig.15 voltage of DC bus and current of ultracapacitor in HESS when load decrease

图16 减载时直流母线电压与蓄电池电流波形Fig.16 voltage of DC bus and current of battery in HESS when load decrease

在减载后的b 点处，超级电容开始放电，释放这次减载过程中吸收的电能，为下次负载突变做准备。

6 结论

本文所建立的混合储能系统通过蓄电池稳定直流母线电压、超级电容提供负载突变功率高频分量的运行方式，能够充分利用两种储能元件的优点，使整个储能系统具有高能量密度和高功率密度的特点。另外恒压限流充电环节能在负载突变后对超级电容自动充放电，使其端压回到给定值，为下一次负载突变做准备，极大地提高了超级电容的利用率，减小了系统对超级电容的容量要求。

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