混合储能在风光互补发电系统中的能量管理与控制策略

孙运全，张蕴昕，李亚杰

(江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013)



混合储能在风光互补发电系统中的能量管理与控制策略

孙运全*，张蕴昕，李亚杰

(江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013)

摘要:储能技术在风光互补发电技术中的应用使得风光互补发电技术得到了进一步完善，各个部分的控制更加合理、有效，系统更加稳定、安全，并且使用效率及寿命得到了提高。通过仿真验证了一种蓄电池与超级电容混合储能结构，在这种结构中通过控制DC/DC变换器将蓄电池的高能量密度及超级电容的高功率密度的特点相结合，并且运用滑动滤波器进行二者的能量分配，同时通过DC/DC变换器达到对各储能部分实时控制的目的，从而提高了混合储能系统的灵活性与实用性。

关键词:风光互补;混合储能;双向DC/DC变换器;滤波技术;控制技术

为了减轻风能与太阳能的随机性与间歇性带来的影响，储能系统成为系统功率调控、能量平衡的有效技术手段。蓄电池能量密度大，功率密度小是典型的能量型储能介质;超级电容器具有功率密度大、循环寿命长、能量密度小、响应速度快等特点，是典型的功率型储能介质。文献［6］根据两种储能介质特性上的互补性，提出了混合储能技术，并且在理论上对这种互补性进行了验证，证明了这种方式能够使蓄电池寿命得以延长、系统功率输出得以提高等观点。文献［8］对混合储能于独立光伏发电系统的应用进行研究，得出混合储能系统可以优化充放电过程、减少充放电小循环次数、延长蓄电池寿命等结论。

在构建混合储能系统，加强对储能系统的控制，提高储能系统的整体性能等方面，相关研究已经取得了一定成果。文献［9］中提出了蓄电池组通过双向DC/DC变换器与直流母线相连;超级电容器直接与直流母线相连的混合储能结构，通过与微网之间的功率交换实现系统的功率平衡及稳定控制。文献［10］中，为了得到稳定的直流母线电压，通过功率变换器将超级电容器与直流母线相连，并且在蓄电池与直流母线之间添加双向DC/DC变换器，以提高蓄电池管理的灵活性。

基于相关研究，本文提出了适用于风光互补发电系统的超级电容器蓄电池混合储能结构，并就能量分配及控制技术问题进行了研究，以此提高系统的稳定性及灵活性。在满足风光互补发电的需求基础上，延长了蓄电池的使用寿命，提高了系统的经济性。最后，通过仿真验证了此混合储能结构及控制策略的有效性。

1　基本结构

风光互补发电系统主要可以分为发电环节、控制环节和能量消耗及存储环节。本文中混合储能系统参与的风光互补发电基本系统结构如图1(a)所示。风力发电机产生的风能首先要经过不可控整流装置进行整流，再由滤波装置进行滤波处理，经由DC/DC变换器控制，最终流向能量消耗及存储环节。为了防止产生电流倒灌损害光伏发电系统，其产生的电能需要通过防反二极管，再由DC/DC变换器控制，流向能量消耗及存储环节。

根据图1(b)所示混合储能单元拓扑所示，蓄电池及超级电容器分别通过半桥型非隔离双向DC/ DC变换器与直流母线相连。半桥型非隔离双向DC/DC变换器的所用器件较少，成本较低，构造比较简单，且较稳定、易于控制。图中Ub与Rb为蓄电池组等压源及其等效内阻; L1、L2为半桥型非隔离双向DC/DC变换器电感; UC为直流母线电压; USC与RSC为超级电容器等压源及其等效内阻。

图1　基本结构图

2　风光互补发电系统的能量协调控制

图2所示风光互补发电系统的能量协调分配的决策过程。当风光互补发电系统提供的能量PW超出负载所需能量PL时，超级电容器蓄电池混合储能系统要及时吸收多余的电能(PW－PL)，并根据下一节提出的能量管理策略在超级电容器与蓄电池之间进行合理分配。如果多余的电能超出了混合储能系统的最大容量(PW－PL－Pb－Psc＞0)，卸荷负载发挥作用，开始承担多出能量。然而，如果能量超出了卸荷负载的最大容量(Pd)max时，此时考虑对发电系统的发电功率做出调整。同理，在发电系统提供的能量不足以支持负载(PW－PL＜0)时，混合储能系统开始放电以弥补负载所需电能的亏空。为了实现上述能量协调控制的概念，在第4节中提出了本系统各个部件的合理控制策略。

3a1H NMR(CDCl3) δ:8.30-8.27(m,2H),7.82-7.78(m,1 H),7.62-7.36(m,4H),7.38-7.25(m,2H).

图2　风光互补系统能量协调控制流程图

3　混合储能系统的能量管理策略

为了实现超级电容器与蓄电池之间能量的合理分配，需要对混合储能系统所需吞吐的总功率Pwhole进行控制。考虑到超级电容器的功率密度大、响应速度快等特性，为充分发挥超级电容器的优势，且回避其储能容量不足的劣势，控制超级电容器承担Pwhole中波动频繁的部分。另一方面，由蓄电池承担Pwhole中较为平滑的部分，这个决策可以降低频繁充放电造成的小循环充放电现象，改善蓄电池的充放电过程，从而达到延长蓄电池使用寿命，减少系统的运行成本等目的。

采用基于滑动平均的低通滤波器进行滤波，对滑动时窗T进行调节，可以灵活地区分Pwhole中波动频繁部分与平滑部分，从而可以对超级电容器与蓄电池进行合理的能量分配。此时设蓄电池上下限门坎端电压为Ub up与Ub low，存储能量设为Eb t，由于蓄电池存储能量与端电压的平方成正比，所以蓄电池电容器的存储能量对应上下限电压为Eb1与Eb0。如图3，利用滑动平均滤波器对高低频电压进行分离，设混合储能系统吞吐的总功率为Pwhole，在滤波后提供给蓄电池的功率给定值为Pb ref，而超级电容器的给定功率为Psc ref=Pwhole－Pb ref。

图3　滑动平均滤波器

通过MATLAB模拟混合储能系统系统吞吐的总功率Pwhole，如图4(a)。

根据滑动滤波器的工作原理，滑动时窗T的大小影响滑动滤波的通带宽窄，通过调节T的大小可以控制滑动滤波器的滤波效果。

T越小，滑动滤波器的通带越窄，则Pwhole经过滑动滤波器后的所得到的Pb ref越小，蓄电池所分配的能量越少，超级电容器所分配的能量越多。T越大，滑动滤波器的通带越宽，则Pwhole经过滑动滤波器后的所得到的Pb ref越大，蓄电池所分配的能量越多，超级电容器所分配的能量越少。

T=1.0时，蓄电池及超级电容所分配的功率如图4(b)与图4(c)所示。将T增加到2.0时，蓄电池及超级电容器所分配的功率如图4(d)与图4(e)所示。

根据上述特性，混合储能系统中的功率配置流程如下:

(a)当蓄电池处于放电状态时

Ub＞Ub up，即Eb t＞Eb1，表示蓄电池存储能量过多，此时，增大T，增大蓄电池释放功率，减小超级电容器释放功率，以达到减少蓄电池存储能量的目的;

Ub low＜Ub＜Ub up，即Eb0＜Eb t＜Eb1，表示此时超级电容器与蓄电池之间能量存储较为合理，不需要调整功率大小，即保持T不变;

Ub＜Ub low，即Eb t＜Eb0时，表示蓄电池存储量过小，需要减小蓄电池释放功率，故减小T，减小蓄电池的释放功率，使超级电容器来分担负荷压力。

图4　滑动平均滤波仿真波形

(b)当蓄电池处于充电状态时

Ub＞Ub up，即Eb t＞Eb1，表示蓄电池存储能量过多，此时，减小T，减小蓄电池的充电功率，同时增大超级电容器充电功率，以达到减少蓄电池存储能量的目的;

Ub low＜Ub＜Ub up，即Eb0＜Eb t＜Eb1，表示此时超级电容器与蓄电池之间能量存储较为合理，不需要调整功率大小，即保持T不变;

Ub＜Ub low，即Eb t＜Eb0，表示蓄电池存储量过小，需要增大蓄电池充电功率，故增大T，增大蓄电池的充电功率，减少超级电容器可以分配到的电能。

4　各部分控制策略

4.1蓄电池储能单元

如上节所述，蓄电池用于满足发电系统与负载不匹配能量的低频分量，从而避免高深度发电给蓄电池带来的损伤，延长蓄电池的寿命。如图1(b)所示，蓄电池通过半桥型非隔离双向DC/DC变换器与直流母线相连。文献［4］根据DC/DC变换器工作原理推导出以电感电流为变量的一种易于实现的控制策略，具有算法实现简单，响应速度快等的优点。基于此，本文提出以电感电流为控制变量的变换器控制策略，如图5(a)所示。

其中，参考功率Pb ref与实际测量电压Ub所得的计算电流，即电感电流参考值Ib ref，通过滑模变结构控制器对开关量进行控制。滑模变结构控制器本身也是一种开关型控制方法，对于控制变换器来说是一种较为理想的控制方法。在蓄电池储能单元控制中，选取实际电感电流Ib为被控量，建立如下切换函数: S=Ib－Ib ref(Ib ref为电感电流参考值)，取u= sign(S)为约束条件。实际电感电流与电感电流参考值的差值经由sign函数判断得到控制量u，并由u获得PWM的驱动信号，从而控制变换器开关管的通断。

图5　储能单元控制策略

4.2超级电容器储能单元

超级电容器根据自身特性承担发电量与负载用电量之间差值中的高频分量，从而弥补单一蓄电池储能的不足，延长蓄电池寿命，提高系统的稳定性。由图1(b)可知超级电容器同样通过双向DC/DC变换器与直流母线相连，其变换器控制策略如图5(b)所示。

通过参考功率Psc ref与实际电压Usc得到计算电流，即电流参考值Isc ref，其与实际电流Isc的差值经PID控制器后，与特定值的重复序列进行比较运算，从而得到开关量，对PWM进行驱动，达到控制变换器通断的目的。

图6　simulink仿真波形

5　仿真与分析

通过Simulink模拟了随机设定时刻为某天04: 00—24: 00内(实际模拟时间为第0～10 s)风光互补发电系统的功率输出特性，如图6(a)所示。

同时设定04: 00—08: 00左右的负载消耗为1.8 kW，08:00到14:00左右的负载消耗为2.8 kW，14: 00 到24:00的负载消耗为2.3 kW，如图6(b)所示。

混合储能系统的吞吐功率波形如图6(c)所示，与理论上混合储能系统所吞吐的总功率Pwhole为风光互补发电系统输出功率与负载消耗功率的差值相符合，表明这种混合储能结构可以合理地吸收补偿这种差值，降低了风光互补系统中供电与耗电部分时间上的差异性，在节约了电能的同时，提高了系统的稳定性。

在混合储能系统单元中，蓄电池及超级电容器吞吐功率的情况分别如图6(d)与图6(e)所示。

超级电容器能够快速对输入功率的较大波动进行反应，同时蓄电池波动较小，不难看出，超级电容器的高功率密度的特性使其承担了波动时的大部分功率，使得蓄电池得以休息，有效减少了蓄电池的充放电次数，延长了蓄电池的使用寿命。

6　结论

通过对蓄电池及超级电容器两种储能技术的优缺点的分析，将二者协调配合的混合储能单元应用于风光互补发电系统中，通过MATLAB软件仿真并验证了这种混合储能结构。在这一结构中运用了一种基于滑动平均滤波器的能量管理策略来对二者间的能量进行合理分配，通过双向DC/DC变换器进行能量传输，并对混合储能单元的结构及各部分的协调控制进行探讨。最终，经过研究与仿真证明，由蓄电池及超级电容器组成的混合储能系统在风光互补发电系统中很好地承担了发电量与消耗量之间差值的吸收与补偿，改善了整个系统的稳定性，提高了系统的用电效率，并且超级电容器的加入分担了波动频繁部分的电量，减少了蓄电池充放电循环次数，延长了蓄电池的寿命，从而系统的经济性得以提高。

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孙运全(1967－)，男，汉族，江苏镇江人，工作单位为江苏大学电气信息工程学院，主要从事电力电子及电力系统方面的研究，sunyunquan99@ 126.com。

An ASIFT-Based Location and Recognition Method for Road Traffic Signs*

JIAO Zaiqiang1，LÜYuxiang1，MA Weiqing2，ZHAO Xiaolong2，LI Mengchun1*
(1.College of Physics and Optoelectronics，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China; 2.Yangquan Power Supply Company，Yangquan Shanxi 045000，China)

Abstract:Aiming at traffic sign recognition in ITS(Intelligent Transport System)，an ASIFT-based(Affine-Scale-Invariant Feature Transform) location and recognition method is proposed.Firstly，road traffic signs are classified and templates are extracted; secondly，the template and traffic signs set，matched with target image，are selected based on ASIFT; then，according to geometric distribution of ASIFT feature points in the matching template，target area is located on the target image; finally，Euclidean distance of feature vector is calculated between target area and one of images in traffic signs set.Based on ASIFT algorithm，accurate location and recognition effect come true.The feasibility of the method is verified by experiments.

Key words:ASIFT(Affine-Scale-Invariant Feature Transform) ; traffic sign; location; recognition

中图分类号:TM614; TM615; TM53; TM911

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015) 03－0688－05

收稿日期:2014－05－30修改日期: 2014－08－27

doi:EEACC: 621010.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.044