混合储能超级电容与蓄电池能量分配策略研究

曹华锋，白 迪，赵志刚

（沈阳工程学院电力学院，辽宁 沈阳 110136）

混合储能超级电容与蓄电池能量分配策略研究

曹华锋，白 迪，赵志刚

（沈阳工程学院电力学院，辽宁 沈阳 110136）

针对超级电容与蓄电池的混合储能，提出了一种电池端DC－DC变换器动态控制策略。该策略可以防止电池出现深度放电，降低蓄电池的充放电频率，延长电池使用寿命，并通过仿真验证了其有效性。

动态滤波；DC－DC变换器；混合储能；滑动平均法

当前，新能源引起了全球的广泛关注，微电网的异军突起带来了能源的新形势［1］。但微电网各分布式电源发电功率的不确定性使微电网的推广受到很大局限。采用储能系统解决这个问题成为主流。单一的储能方式无法满足微网对功率与能量性能的需求，超级电容与蓄电池复合的混合储能方式结合了2种电池的优势，很好地解决了微电网电压与频率波动的问题。针对超级电容与蓄电池的混合储能，考虑到2种电池的电荷状态（SOC）、微电网功率波动等因素设计了一套自适应滤波系统，通过控制系统输出对应的信号控制DC－DC变换器的工作状态，从而达到协调2种电池平抑功率的目的。

1 混合储能工作原理

传统的超级电容与蓄电池的混合储能系统工作原理如图1所示［2］。超级电容响应速度快，但能量密度低，蓄电池响应速度慢，能量密度高。因此，对于蓄电池的控制，首先对并网逆变器与交流侧交换的有功部分进行低通滤波，得到功率平滑的部分由蓄电池平抑，高频部分由超级电容平抑。超级电容采用双闭环控制，外环采用电压控制，内环采用电流控制，用来稳定直流母线的电压。

图1 混合储能原理

蓄电池系统的工作过程［3］：交流侧电压的电流采样电路经过A／D转换把数字信号传递给单片机控制器，经过运算得到有功功率，再经滤波得到蓄电池所需平抑功率的参考值Ppbref。由Ppbref与电压采样电路反馈回的电池端电压upb的比值得到电流环的电流参考值与电流采样电路得到的蓄电池两侧的电流值ipb的差值，经过PI控制系统后再经脉冲宽度调制得到PWM信号，通过驱动电路D／A转换，控制DC－DC变换器IGBT的开关状态。

超级电容工作过程：直流母线的电压Udc经过采样得到的数字信号传递给单片机，Udc与直流母线额定电压的差值经过PI控制得到电流环控制的参考电流值，电流采样电路得到的超级电容两端电流isc与的差值，经过PI控制系统再经脉冲宽度调制得到PWM信号，通过驱动电路控制超级电容侧DC－DC变换器的IGBT开关。超级电容控制具有一定的自适应性，自动承担了功率的高频部分。

2 储能电池的数学模型

2.1 蓄电池模型

蓄电池等效电路模型如图2所示。

图2 蓄电池等效电路模型

忽略蓄电池极化电阻和相间微分电容有：

式中：E为蓄电池空载电压；SOCpb0为蓄电池初始电荷状态；Qpb为蓄电池容量。

2.2 超级电容模型

超级电容等效电路模型如图3所示。

图3 超级电容等效电路模型

式中：Umax、Umin分别为超级电容工作的最高电压与最低电压；Uoc为当前电容的端电压。

3 改进的能量分配策略及实现方法

3.1 能量分配策略

在超级电容与蓄电池的混合储能系统下，为了协调好2种储能装置的功率分配，减少电荷状态过高或者过低的情况。同时，尽可能提高超级电容的利用率，减少蓄电池的充放电次数，延长蓄电池的使用寿命，建立了混储能量分配策略，其流程如图4所示。

超级电容与蓄电池状态分3种：当电荷状态低于电池额定容量的20%时为低状态区，此时电池不再放电，优先充电；当电荷状态高于电池额定容量的80%时，电池不再充电，优先放电；当电荷状态在电池容量的20%～80%时，为正常工作区。

由图4可知，p为混合储能系统要平抑的功率波动，经过自适应率系统得到的蓄电池要平抑的功率参考值为，此时对蓄电池与超级电容的电荷状态进行判断，若2种电池均在正常工作区，则通过判断｜p∗bref｜与Δp的大小来确定超级电容与蓄电池平抑的功率大小。若2种电池存在1组处于非正常工作区的状态，则通过判断p的正负与电池电荷状态来确定电池平抑功率的大小。

功率参考值Δp为

3.2 滑动平均滤波算法

滑动平均滤波算法的本质就是一种低通滤波算法［4］，在一个固定长度为T的滑动窗口沿着离散时间序列滑动，每滑动1个采样间隔，窗口前面进入1个新数据，同时窗口后面去掉1个旧数据，在这个窗口式中就会有T／t个最新数据，每滑动1次后，对这些数据进行算数平均得到对应值。

图4 电容与电池的功率分配流程

式中：T为滑动窗口的时间宽度。在实际电路中为

由并网逆变器交流侧的采样电路得到的负荷电流与电压经过park变换后，对应d轴q轴乘积得到的有功功率，在时间T内积分求和能得到的数值除以T，便可以得到平缓的功率Ppbref，这部分功率可由蓄电池进行平抑。根据T的不同，滤波效果也会随之改变。

滑动平均滤波器可以等效成二阶低通滤波器，工程中一般要求增益衰减在3～40 dB。在混合储能的动态计算公式为

3.3 控制策略的实现

在图4基础上建立了蓄电池端DC－DC变换器的控制策略，如图5所示。

图5 蓄电池端DC－DC变换器的控制策略

蓄电池采用外环功率内环电流控制，相对于传统的蓄电池端控制方法［5］，低通滤波部分采用了自适应滤波器，增加了蓄电池功率平抑参考值的判断环节，若平抑的功率为小功率，则由超级电容平抑，由此减少蓄电池的使用率。由式（11）计算得到滤波常数T的值，通过改变滤波频率，动态调节蓄电池平抑功率波动的大小。

如图6所示，建立了超级电容端DC－DC变换器的控制策略。

图6 超级电容端DC－DC变换器的控制策略

超级电容用双闭环控制，稳定直流母线的电压以提高电能质量。控制器根据超级电容的电荷状态与反馈过来P值的正负，确定超级电容的电荷充放电状态，防止电容因过充或过放造成损伤。

4 仿真与验证

在Matlab／Simulink仿真平台中搭建了超级电容与蓄电池的混合储能系统模型。储能系统仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

由于仿真条件下很难截取数十min以上数据，出现所提策略的所有情况更加困难，因此，对混合储能的一般工作状态下进行仿真分析。

设定超级电容端电压180 V，此时超级电容的SOC为71%，2种电池状态都在正常工作区，对混储系统仿真运行的0.2～1.3 s内进行分析。由图7、图8对比每个图的上方为蓄电池平抑的功率，改进策略下出现了超级电容平抑功率为零的时刻，说明此时蓄电池并没有进行充放电，对比图8，蓄电池进行小功率充放电，而由超级电容在2种策略下的功率平抑对比，改进策略下的超级电容具有自适应性，自动平抑了蓄电池未平抑的功率ΔP。

图7 改进策略下蓄电池与超级电容平抑的功率

为了既能提高超级电容的利用率，又不增加其负担，改进策略下的ΔP能够动态调节，根据超级电容的SOC与当前平抑功率的正负大小来确定其值的大小，如图9所示。

图8 未改进策略下蓄电池超级电容平抑的功率

图9 改进策略下的ΔP值

5 结束语

微电网混合储能利用了超级电容与电池各自的优势，满足微电网对电能质量的要求。本文针对2种储能方式的控制，建立一种自适应的动态交互系统，协调2种储能方式的功率分配，充分利用2种储能的优势，减少因为储能种类增加导致的系统不稳定。通过仿真可以看到，本文针对2种储能情况的处理策略，保证了储能系统的安全性，提高了电池的使用寿命，促进了微电网的经济运行。

［1］程 成.用于可再生能源发电并网技术的混合储能控制策略研究［D］.北京：华北电力大学，2014：25－27.

［2］周 林，黄 勇，郭 珂，等.微电网储能技术研究综述［J］.电力系统保护与控制，2011，39（7）：147－152.

［3］张华健，黄 伟.微电网运行控制与保护技术［M］.北京：中国电力出版社，2009：75－76.

［4］郭 捷，胡文平，刘 曼.适用于直流配电网的分布式光伏发电防孤岛方法［J］.东北电力技术，2015，36（12）：23－27.

［5］王秀霞.固定型阀控式铅酸电池组充放电实验与运行分析［J］.东北电力技术，2009，30（1）：30－35.

Energy Allocation Strategy of Super Capacitor and Storage Battery Based on Hybrid Energy Storage

CAO Hua⁃feng，BAI Di，ZHAO Zhi⁃gang
（School of Electrical Engineering，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China）

According to the hybrid energy storage capacity of micro grid，a dynamic control strategy for the DC⁃DC converter is pro⁃posed.This strategy can prevent the battery from the depth of discharge，reduce the battery charge and discharge frequency，extend the battery life.The effectiveness of the proposed strategy is verified by simulation.

Dynamic filter；DC⁃DC converter；Hybrid energy storage；Moving average method

TM912；TM53

A

1004－7913（2016）06－0011－04

曹华锋（1990—），男，硕士，主要研究方向为微电网运行控制策略及控制方法。

2016－02－28）