蓄电池-超级电容混合储能系统控制方法研究

苏　适，李　萍，严玉廷，杨　洋，张文斌

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明650063；2.昆明理工大学，云南昆明650000)

蓄电池-超级电容混合储能系统控制方法研究

苏适1，李萍1，严玉廷1，杨洋1，张文斌2

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明650063；2.昆明理工大学，云南昆明650000)

电池-超级电容半主动混合储能系统广泛应用于短时大脉动功率的场合。通过对电力电子设备的控制，可以对瞬时功率进行合理地分配，最终达到延长电池和超级电容使用寿命及提高系统输出性能的目标。低通滤波和移动平均是两种重要的功率分配方法，而更适用于脉动负载的方法至今还没有文献给出。选用电池直接并联流母线，超级电容通过双向直流-直流变换器接直流母线的半主动混合储能系统，分析和建立了基于移动平均和低通滤波控制的两种SAHS模型。在脉动负载下，比较了低通滤波和移动平均这两种控制算法。此外，还设计了超级电容的过压和欠压保护控制。研究表明，两种控制方法在脉动负载下都能很好地减小电池的电流波动，但是移动平均控制下的电池电流更平滑。同时，超级电容的保护控制也保证超级电容工作在正常的电压范围内。

半主动混合储能；脉动负载；低通滤波；移动平均；超级电容保护

可再生能源促进了分布式发电、智能电网和混合动力汽车等的发展。由于可再生能源具有间歇性和不确定性，输出的功率具有波动性。混合电动汽车由于运行的环境不同，有时需要短时大功率输出,这些都可以等效为脉动恒流负载[1]。脉动负载的接入会影响系统的稳定性和可靠性。然而，储能系统不仅能迅速平衡系统瞬时功率，平滑负荷，还可以提高系统运行的稳定性，补偿负荷的波动[2-3]。因此，研究和开发高效、廉价的大规模储能技术，成为能源可持续发展的关键环节，也是国家未来能源战略的重要组成部分[4]。

蓄电池是发展时间最长、应用最广泛的储能技术之一。它的典型特点是能量密度高。当蓄电池为脉动负载供电时，它的寿命会大大缩短。与传统的蓄电池相比，超级电容(supercapacitor,SC)作为一种新型储能技术具有功率密度大、循环寿命长和充放电效率高等特点，它可以短时提供强大的脉动功率。将蓄电池和超级电容混合使用，构成蓄电池/超级电容混合储能系统，可提高储能单元的功率输出能力，延长放电时间和增加蓄电池的使用寿命[5]。再配以相应的能量管理方案和控制策略，可以实现系统稳定经济的运行[6]。

电池-超级电容HESS在电动汽车、地铁、充电站、UPS、便携式设备、微电网及军事相关领域有着广泛的应用。文献把超级电容应用到能量存储系统中，使电动汽车的总成本(安装+充电)降低了三分之一。众多科研小组验证了电池和超级电容混合到一个系统中可以充分发挥电池能量密度高和超级电容功率密度高的优势[7]。然而，HESS的协调控制和能量管理是目前应用中的热点问题[8]。文献[9]采用低通滤波算法有效地平抑可再生能源功率波动，达到延长蓄电池使用寿命的目的。文献[10]采用移动平均的控制算法，这种控制方法不仅提高了蓄电池和超级电容的利用率，还延长了蓄电池的使用寿命。移动平均和低通滤波常用于平滑脉动负载的功率，然而，两种控制算法的比较研究还比较少。因此，探究哪种控制方法更适合脉动负载具有重要的研究价值。

本文选用超级电容、蓄电池和BDC组成的半主动混合储能系统作为分析的模型，分别设计了基于低通滤波和移动平均算法的控制方案。通过建模仿真比较了两种控制算法。本文还设计了超级电容的过压和欠压保护控制，避免超级电容超过额定电压或者低于最低电压带来的损坏。

1　控制策略

半主动混合储能的拓扑结构有多种，本文选用电池直接并联在直流母线，SC通过一个BDC与母线连接的系统，系统结构如图1。这种结构不需要蓄电池额定电压与超级电容电压一致。同时BDC接在SC侧，还能最大限度地利用SC。

图1　半主动混合储能系统

1.1低通滤波

低通滤波能够有效平滑功率的波动。一个理想的低通滤波器可以用式(1)表示：

式中：ωc是截止频率；k为系数。

对式(1)进行拉普拉斯变换得：

式中：τ是时间常数。所以通过低通滤波器的功率为：

式中：Pload是负载的瞬时功率。

可以由式(4)得到超级电容的功率：

负载所需功率Pload，减去低通滤波器输出功率Plp，就是超级电容的参考功率Psc,ref。输入控制器的参考电流Iref就等于超级电容的参考功率Psc,ref除以超级电容的瞬时电压Vsc。

图2是低通滤波器的控制仿真图。

1.2移动平均

在这个控制算法中，移动平均输出的功率可以表示为：

图2　低通滤波控制仿真图

式中：Tma和Pload分别是移动时间窗口和负载的瞬时功率。另外，Tma与负载的频率有关。

同理可以得到移动平均算法下的参考电流，只需把前一节中的Plp用Pma代替,如式(7)和(8)。

1.3SAHES中超级电容的过/欠压保护

超级电容的荷电状态(state of charge,SoC)和电压在HESS中变化较大。如果不采取保护措施，超级电容的电压可能降低到零也可能超过安全电压，这就会损坏超级电容。因此，需要设计一个控制策略来保护超级电容。我们把SoCsc和Iload方向作为输入，得到一个无量纲的M作为输出，M的范围在0到1之间，这就根据超级电容和负载的实时情况，控制超级电容工作在不同模式下。控制规律如式(9)：

式中：k1，k2，c1和c2为常数。

当负载把能量回馈给系统时，若SC已经充满，SC则不再充电，M=0。若SC已经接近充满，SoC超过95%时，充电电流开始缓慢地减小，减小的速率为k1。在SC充满时，M减小到0，对SC停止充电。当SC工作在正常电压范围内，即SoC介于30%到95%之间时，SC的充放电电流根据负载情况变化。当SoC低于30%时，放电速度开始减小，减小的速率为k2。当SoC降低到25%时，SC停止放电，保护超级电容。

过/欠压保护控制的仿真图如图3所示。

2　仿真和结果分析

2.1仿真

本文使用MATLAB/Simulink(version R2013a)进行仿真分析。这里我们直接使用SimPower Systems中已经建立好的电池和超级电容的模型。由于铅酸电池是使用时间最长、技术最成熟的，是电力系统中主要使用的电池种类，所以仿真中我们选铅酸电池。DC/DC变换器的转化效率与电池和超级电容端电压有关。两者的电压越接近，DC/DC变换器效率越高。所以电池和超级电容的额定电压都为48 V。电池和超级电容的参数设置如表1。电池和超级电容都处于充满状态，也就是说电压都处在最大值处。

图3　超级电容过/欠压保护仿真图

表1　铅蓄电池和超级电容参数数

超级电容的过/欠压控制的常数分别取：k1=－20，k2=20，c1=20，c2=－5。

脉动负载电流由一个受控电流源和脉冲发生器产生。脉动发生器的周期为5 s，占空比为10%。仿真中使用一个双向BUCK/BOOST变换器。另外，PI控制器广泛应用于DC/DC变换器的控制当中，所以这个仿真模型中我们也使用PI控制器。整个仿真进行的总时长为30 s。

2.2仿真结果分析

时间常数的选择对两种控制都有很大的影响，因此选取合适的时间常数非常重要。图4显示时间常数Tlp分别取1、5、10、50和100 s时，电池电流的波形。我们可以看出当低通滤波的时间常数大于负载周期的两倍时，电池电流的波纹几乎减小到零。

图4　脉动负载周期和占空比分别为T=5 s，D=10%时，不同低通滤波时间常数Tlp为1、5、10、50、100 s下对应的电池电流波形

当移动平均的时间常数Tma分别取1、5、10 s时，电池的电流情况如图5。从图中可以看出移动平均的时间常数要大于等于脉动负载的周期。在本次仿真中，我们分别取低通滤波和移动平均的时间常数为Tlp=50 s和Tma=5 s。

图5　脉动负载周期和占空比分别为T=5 s，D=10%时，不同移动平均时间常数Tma为1、5、10 s对应的电池电流波形

仿真结果如图6和图7。从图中我们可以看出：(1)除了仿真开始的短暂时间，超级电容的电流Isc，都很好地跟踪了参考电流Iref。负载需要的电流由电池Ibatt和Icon一起提供；(2)超级电容提供了负载所需的90%的功率；(3)尽管两种控制方法的控制结果很相近，但是与低通滤波相比，移动平均控制下的电池电流波纹更平滑。

图6　脉动负载周期和占空比分别为T=5 s，D=10%时，采用低通滤波控制方法的SAHS的仿真结果

图7　脉动负载周期和占空比分别为T=5 s，D=10%时，采用移动平均控制方法的SAHS的仿真结果

为了进一步地比较两种控制策略下电池和超级电容的利用程度，这里给出了安时曲线。安时分别对电池电流Ibatt和超级电容电流的绝对值|Isc|进行时间积分，如图8。从结果可以看出：(1)移动平均控制下，超级电容和电池的利用率都提高了；(2)两种控制方法下的超级电容和电池曲线几乎平行。两条平行线之前的间隙是由时间常数引起的。

图8　低通滤波和移动平均控制下的安时曲线

从图6和图7中可以看出，负载电流施加和结束的短暂时间内，电流有个瞬间脉动。产生这种情况的原因主要有两个：(1)当负载施加和结束的时候有个近似的阶跃变化；(2)控制器具有延时。

过压保护如图9。由图中可以看出，当SoCsc=100%且Iload＜0时，M=0。参考电流为零，避免超级电容过压。当超级电容的SoCsc从 100%减小到95%，M 的斜率为－20。当SoCsc＜25%且Iload＞0时，M=0，如图10，有一个较低的过渡区域保护超级电容低于最小电压。当电池给超级电容充电使SoC从20%升高到30%时，M变化的斜率为20。

图9　当SoCsc=100%且Iload＜0时，过压保护启动M=0

图10　当SoCsc＜25%且Iload＞0时，欠压保护启动M=0

本文建立了SAHES模型，其中超级电容通过BDC与直流母线相连，电池直接连接直流母线。

本文重点比较了低通滤波和移动平均两种不同的控制方法，也讨论了时间常数对电池电流的影响，制定了选择时间常数的规律。低通滤波器时间常数应该大于等于脉动负载的周期的两倍。移动平均的时间函数应该大于等于脉动负载的周期。超级电容的过/欠压保护控制，根据实时的工况调整超级电容的充放电速率，避免过充和过放对超级电容带来的损伤，延长超级电容的使用寿命。

仿真结果显示，移动平均控制下电池的波纹较小。同时两种控制方法的控制结果相似。此外，过/欠压保护控制算法成功避免超级电容发生过充或者过放的情况。

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Comparison of control strategies in a battery/supercapacitor hybrid energy storage system

SU Shi1,LI Ping1,YAN Yu-ting1,YANG Yang1,ZHANG Wen-bin2
(1.Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming Yunnan 650063,China；2.Kunming University of Science and Technology,Kunming Yunnan 650000,China)

A battery/supercapacitor hybrid energy storage system is widely used in many applications.The instantaneous power can be smoothed reasonably by the control of power electronic devices.So lives of batteries and supercapacitors can be extended and the output performance of system can be improved.Low pass filter and moving average both are very important power smoothing control methods,but the better one has not yet been given. Low pass filter and moving average control methods used in semi-active hybrid energy storage system were analyzed and modeled.The simulation results were compared in pulsed load power.Besides,the over and under protects of supercapacitor were presented in this paper.The results show that two control methods both decrease the current fluctuation,but the moving average control are better.At the same time,the protection control of supercapacitor ensured that the voltage was within the normal range.

semi-active hybrid energy storage；pulsed load；low pass；moving average；supercapacitor protection

TM 53

A

1002-087 X(2016)10-2030-03

2016-03-21

青年科学基金项目(21106060)；中国博士后科学基金资助项目(2012M511950)

苏适(1972—)，男，云南省人，高级工程师，主要研究方向为电厂自动化和新能源发电技术应用。