基于混合储能系统DC-DC变换器控制策略的研究

白迪，曹华锋，申爱兵（沈阳工程学院电力学院，辽宁 沈阳 110136）



基于混合储能系统DC-DC变换器控制策略的研究

白迪，曹华锋，申爱兵
（沈阳工程学院电力学院，辽宁 沈阳 110136）

摘要：本文针对混合储能蓄电池充放电频率问题，提出了蓄电池单电流环与自适应电流滞环控制相结合的控制策略。该策略利用自适应电流滞环控制，避免蓄电池小功率充放电，降低了蓄电池的充放电频率，同时能够防止超级电容负荷超载。针对直流母线电压稳定的控制，超级电容采用带有功率前馈的双环控制，内环采用电流控制，外环采用电压控制，用以平抑功率的高频波动，能够更好地维持直流母线电压的稳定。仿真结果表明该控制策略可行有效。

关键词：微电网；混合储能；蓄电池；超级电容；DC-DC变换器；滞环控制；功率前馈；双环控制

0 引言

当前，随着全球资源紧缺，微电网逐渐成为热门，储能部分作为微电网稳定运行的关键，国内外针对储能容量的设计、储能方式以及储能充放电的控制策略进行了不同程度的研究。文献 [1] 采用了蓄电池作为微电网的储能设备，设计了蓄电池外环电压控制，内环电流控制的双环控制策略，由此可以稳定微电网直流母线的电压，但是单一的储能无法满足微电网对于稳定性的要求。文献 [2] 建立了蓄电池与超级电容的混合储能，提出了混合储能的控制策略，显示了混合储能的优势，但是没有考虑到电池状态，会对电池寿命造成一定的影响。文献[3] 利用双层控制增加了对电池电荷状态的判断，并且计算了电池等效寿命，从而防止了电池因过度充放电造成的损坏。本文为进一步提高微电网直流母线电压稳定性，提出了带功率前馈的控制策略，在此基础上考虑到蓄电池充放电次数与寿命有着极大的关系，而超级电容有着无限大充放次数的理论，从而设计了控制策略进一步减少蓄电池的充放电次数，以延长蓄电池的使用寿命。

1 混合储能结构

由蓄电池跟超级电容组成的混合储能系统结构的前级分为三类[4]：直接并联结构、单 DC/DC 并联结构以及双 DC/DC 并联结构。在本文中，采用双DC/DC 并联结构中，蓄电池和超级电容分别经过功率控制器与直流母线并联，它们的充放电功率分别由两个控制器独立控制，因此可以精确控制混合储能系统的充放电来响应外部系统的需求。后级由双向 DC/AC 换流器来连接储能系统与微电网交流母线，其具体结构如图 1 所示。

图 1　混合储能结构

2 DC/DC 变换器数学模型

直流侧的控制基于双向 DC/DC 电路的电流环控制[5]，作为充放电控制器，起到传递能量的作用。首先，我们对双向半桥变换器数学模型进行分析。图 2 所示为双向半桥变换器电路结构。根据双向半桥变换器两个工作模式下所得公式，经过状态平均法，可以得到大信号平均方程：

式中，α 为占空比。由于混合储能中设计由超级电容补偿有功功率的高频分量，因此超级电容含有两倍频交流分量，当系统输出存在两倍频功波动时，令，可得到：

把式（3）和（4）代入式（1）、（2）并线性化后，忽略母线交流分量的影响就可以得到：

图 2　DC/DC 变换器结构

3 直流侧控制策略

3.1 混合储能中的蓄电池控制策略[6]

由于直流母线的电压控制速度比电流控制速度慢很多，因此可以忽略直流母线电压的动态扰动，直接利用式（5）可以设计出电池电流环控制。如图 3 所示，策略为：蓄电池用来平抑 DC/AC 换流器与直流母线交换的瞬时有功功率的低频部分，因此采用低通滤波器进行滤波得到平滑部分，蓄电池电流真实值与计算所得的参考值经 PI 转换再经PWM 得到信号后控制 DC/DC 变换器的工作状态；另一侧经测得的当前超级电容的状态量及蓄电池端电压通过计算得到比较器的参考电流值，与电流环的电流参考值进入滞环控制器，判断是否满足蓄电池的充放电条件，得到相应信号后经过驱动直接控制蓄电池的充放电状态。

图 3 中： P 为 DC/AC 换流器与直流母线交换的瞬时有功功率；1/(1+sTf) 为低通滤波；Tf为时间滤波，用来平滑瞬时功率由蓄电池进行平衡；Gb,id(s) 为蓄电池电感电流对占空比的小信号传递函数；PWM 的等效增益取值。电流环递函数表达式为：

把滞环比较器参考值 i*设为 0，自适应滞环计算器的计算表达式为：

式中， SOCsc为超级电容的当前状态，L 与Δi 根据储能实际容量所定，滞环比较器带宽为2Δib,ref。由该策略可以做到，系统需要蓄电池放电时, 则为正值，若 SOCsc-0.5 的值为正说明超级电容处于充能较高状态，可以放宽比较器的宽度，让超级电容平抑更多功率，蓄电池处于停止工作时间则越长，反之亦然。该策略可有效保证蓄电池的使用寿命。

图 3　蓄电池的控制

3.2 混合储能中的超级电容控制策略[10-11]

超级电容具有充放电速度快，循环充放电次数多的特点，在系统中起着快速调节的作用。控制策略中，超级电容器负责分担后级变流器输出功率 P中的高频波动分量，因为其电流环路控制为毫秒级的控制，采用的是间接控制的方法，整个系统的前后侧功率的不平衡将会导致直流母线电压的波动，所以只要控制稳压电容两端电压的稳定性，前后级功率自然能够保持平衡。蓄电池通过功率的 PI 双闭环控制，能够很好地实现对系统低频趋势性功率的跟踪，所以只要控制直流母线电压稳定，超级电容就能分担其中的高频分量。

微电网直流母线电压的稳定是微网正常运行的关键，因此加快系统响应速度，减少电压稳态误差，是控制的核心。本文引入功率前馈控制，其中功率前馈电流幅值指令为：

图 4 中：鉴于半导体元件的消耗，增加 Ksc,v为功率前馈比例值，根据系统的实际消耗给出。为功率前馈量，Δi*为填补蓄电池部分功率的扰动量，当时，反之Δi*=0。DC/DC 变换器输出电流为系统的前馈量，并不影响系统稳定，因此不必考虑，只需分析双闭环系统的稳定性即可。超级电容内环控制部分与蓄电池部分相似，不加以重复。为电压外环控制传递函数，对于超级电容的电压外环控制，首先对直流母线的电压建立数学模型[7-9]。对于系统稳态时的功率平衡有：

图 4　带有功率前馈的超级电容双环控制

考虑电感电容上的瞬时功率则有：

令 DC/AC 换流器与直流母线交换的瞬时功率、直流母线电压的平方，直流母线电流分别为：

把式（13）代入式（12），忽略超级电容电压扰动，线性化可以得到：

由式（15）可以设计超级电容电压外环控制策略，如图 5 所示。图 5 中各项传递函数可由式（14)、(15）求得：

图 5　超级电容电压外环控制

4 仿真与实验结果

为了验证上述控制策略的正确性，搭建MATLAB/SIMLINK 的微电网仿真模型。在储能系统中，直流母线侧额定电压为 500 V，交流侧额定线电压为 380 V，超级电容额定电压为 180 V，蓄电池额定电压为 250 V。截取储能系统运行的 1 s时间段内分析，结果见图 6。

图 6　滞环比较器的输出信号以及自适应比较器的带宽值

在 1～1.05 s 时间内设置储能系统进行脱网运行，1.05 s 之后恢复并网。由图 7 两种策略的对比可以看出：在 0.3～0.7 s 时间段内，采用滞环控制的蓄电池出现了充放电功率为 0 的情况；而未采用滞环控制策略的蓄电池依旧做着小功率充放电。由此可知，此策略对减少蓄电池的充放电频率有很大作用。由图 8 对应时间段内的超级电容平抑的功率可知，采用滞环控制后，蓄电池未平抑的功率部分全部由超级电容弥补。由图 6 中的带宽可见，在该段时间内带宽是变化的；但是由于在滞环控制前加入了自适应滞环宽带计算器，可以根据超级电容当前状态随时做出调整，避免了超级电容出现超负荷运转，对于延长超级电容寿命也有重要作用。

图 7　未采用（上）和采用（下）滞环控制的蓄电池平抑功率波形

图 8　未采用（上）和采用（下）滞环控制的超级电容功率波形

由图 9 可见，微电网在 1～1.05 s 时间段内出现脱网故障，回复并网时由于冲击电流的影响直流母线电压出现剧烈震荡。当未采用功率前馈时，由于控制环节反馈时间延迟以及误差等原因，直流母线的电压波动最高可达到 1000 V 左右，波动时间0.7 s。而采用功率前馈的电压波动明显得到改善，最高电压不到 800 V，波动时间 0.25 s。由此可得出，在超级电容端 DC-DC 变换器采用功率前馈，不仅可以减小直流母线电压的震荡幅度，而且可以减少震荡时间，缩短恢复稳定运行的时间，对于微电网并离网平滑切换有着重要作用。

图 9　未采用（左）和采用（右）功率前馈的直流母线电压波形

如图 10 所示，由超级电容端 DC-DC 变换器S1、S2 两个输入端接收的信号，可以看出超级电容频繁充放电切换，对于稳定直流母线电压有着重要作用。

图 10　DC-DC 变换器接收的信号

5 结论

要保证微电网稳定可靠运行，储能是关键，因此在混合储能控制中，针对直流母线电压的稳定性，提出了带有功率前馈的双闭环控制，防止出现由于反馈不及时造成的功率平抑滞后从而引起母线电压波动的问题。在储能元件中，为了减少蓄电池一些不必要的电能充放，增加了带有自适应带宽计算的电流滞环比较器，不仅可以有效延长蓄电池使用寿命，而且防止了超级电容的超负荷运转。本文所提策略把混合储能的优势进一步发挥出来了。仿真结果也验证了其可行性。

参考文献：

[1] 邵泓钦. 基于储能装置不同接入方式的微电网控制策略与运行特性研究[D]. 成都：西南交通大学, 2013.

[2] 李朝东. 微电网混合储能系统控制策略[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2014.

[3] 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.

[4] 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.

[5] 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.

[6] 徐琳. 电网蓄电池储能系统控制技术研究[D]. 济南: 山东大学, 2012.

[7] 张冰. 微电网控制运行的研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2014.

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[11] 吕智林, 唐文强, 曾宪金. 基于功率前馈的孤立直流微网母线稳压控制[J]. 电力电子技术, 2015: 32-36.

Research on the control strategy of DC-DC converter based on hybrid energy storage system

BAI Di, CAO Huafeng, SHEN Aibing
(Institute of Electric Power, Shenyang Institute of Engineering, Shenyang Liaoning 110136, China)

Abstract:The control strategy of single current loop of battery combined with self-adaptive current hysteresis control is put forward in view of the problem that battery charges and discharges frequently in the hybrid energy storage system. By using the self-adaptive current hysteresis control, the strategy can stabilize the power in low frequency fl uctuations, avoid charging and discharging the battery in low-power, and prevent super capacitor overloading. In order to stabilize the DC bus voltage, the super capacitor adopts a power feed-forward double loop control mode which consists of inner current loop and outer voltage loop to stabilize the high frequency power fl uctuation and maintain the DC bus voltage stability. The simulation results show that the control strategy is feasible and effective.

Key words:micro-grid; hybrid energy storage; battery; super capacitor; DC-DC converter; hysteresis loop control; power feed-forward; double loop control

基金项目：沈阳市科技局集合项目（F14-231-1-21）

收稿日期：2015-12-07

中图分类号：TM 912.9

文献标识码：A

文章编号：1006-0847(2016)02-64-05