含混合储能系统的独立直流微网协调控制策略

刘道兵，李留根，李世春，刘国霄，代 祥

（1.三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002； 2.梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室（三峡大学），湖北 宜昌 443002； 3.国网湖北省电力有限公司 应城供电公司，湖北 应城 432400）

0 引言

近年来，直流微网凭借其控制方法简单，不存在交流微网中的无功功率流动、频率控制以及功角稳定性等问题，得到了国内外专家的广泛关注[1]，[2]。由于可再生能源发电的间断性及负荷波动的不可预测性，需要将储能装置整合到直流微网中，以维持正常电压水平下的功率平衡[3]，[4]。

多储能直流微网系统的设计与控制是近年来的研究热点，针对储能系统的协调控制及负荷功率合理分配问题，以及在源荷功率差较小时蓄电池频繁充放电切换问题，国内外相关学者进行了研究。 文献[5]，[6]以独立运行的光-储直流微网作为研究对象，由多个蓄电池构成储能系统，有效解决了单个蓄电池充放电电流过大的问题，提升了储能系统的安全性和可靠性。 文献[7]，[8]为了解决蓄电池荷电状态（State of Charge，SOC）均衡问题，提出了基于SOC 幂指数的改进下垂控制，实现了各蓄电池之间SOC 均衡及负荷电流动态分配，但仍存在均衡后期均衡速度和精度不高的问题。 文献[9]采用修正参考电压的下垂控制策略，通过在修正量中引入加速因子来提升储能之间SOC 的均衡速率和精度，该策略可以减小模式之间切换时带来的母线电压冲击，但是引入储能单元的输出功率作为加速因子额外增加了通信量。文献[10]～[12]均是利用混合储能系统（Hybrid Energy Storage Systems，HESS）中超级电容和蓄电池分别来平抑系统缺额功率高频波动和补偿低频波动，能够满足系统电能质量要求和负荷功率需求，但需要额外增加滤波器装置，而且不能有效减少蓄电池的充放电次数。 文献[13]根据直流母线电压信息，提出电压分层控制策略，利用电压分段控制超级电容和蓄电池出力，能够延长蓄电池的使用寿命，但是设置储能系统工作的电压阈值会导致母线电压偏移额定值较多。

本文结合超级电容和蓄电池二者优势，引入源荷功率差信息，利用超级电容可频繁充放电的特点，将其用作平抑光伏等可再生能源较小的功率缺额。蓄电池则作为长期储能设备，承担较大的功率缺额，以减少蓄电池的充放电次数，并消除母线电压的偏移量。此外，为进一步提高多个蓄电池同时运行时SOC 和负荷功率的均衡速度和精度，对下垂系数进行在线优化，通过引入SOC 信息作为加速因子来动态地增大均衡后期蓄电池间下垂系数差别。 最后，通过MATLAB/Simulink 搭建混合多储能直流微网模型，对本文所提的协调控制策略进行仿真验证。

1 直流微网结构及运行模式

1.1 直流微网结构

本文研究的独立运行的直流微网结构如图1所示，主要包括光伏单元、由超级电容及多个蓄电池构成的HESS 以及交直流负荷，各单元均通过相应的电力电子变换器分布式接入直流母线。 图中：PPV为光伏输出功率；Pacl，Pdcl分别为交、直流负载功率；Psc，Pbat_1，Pbat_2，Pbat_n分别为超级电容、1 号、2 号、n 号蓄电池输出功率，规定流入直流母线方向为正。

图1 多储能直流微网结构Fig.1 DC microgrid structure of multi-energy storage

1.2 直流微网运行模式划分

直流微网中，母线电压是反映微网系统内有功功率平衡的唯一指标[14]，其与光-储系统内各微源输出功率之间的关系为

式中：Vdc，Cdc分别为直流母线电压、等效电容；Pbat为蓄电池输出总功率；Pload为交直流负载总功率。

由式（1）可知，各微源的输出功率变化均会引起母线电压波动。 为了保证直流微网母线电压在各种运行条件下保持稳定，定义系统源荷功率差ΔP=PPV-Pload，根据 ΔP 对光伏单元及 HESS 进行协调控制。

蓄电池能量密度大，但功率密度较低，受其循环使用寿命限制，不适合频繁充放电来平衡系统功率。 超级电容虽受容量限制，但具有功率密度大、可循环使用次数多的优点。为了减少蓄电池充放电次数及降低母线电压偏差，本文设置基于源荷功率差信号的功率分层点ΔPlay作为蓄电池工作的触发值，ΔPlay的选取受限于超级电容的容量。 正常情况下，当|ΔP|≥ΔPlay时，启动蓄电池平衡系统功率；当|ΔP|＜ΔPlay时，则让超级电容投入运行，平衡系统功率。 在储能系统中，各储能单元一般按照其容量大小成比例分配负荷功率，ΔPlay可设定为

式中：γ 为超级电容动作区域占系统最大源荷功率差的比值；ΔPmax为系统中可能出现的最大源荷功率差；β 为系统中超级电容容量占整个储能系统容量的比值。

ΔPlay取值亦不能过小，否则不能有效减少蓄电池充放电切换次数，综上，γ 取（0.5～1）β 为宜。此外，为避免超级电容和蓄电池在功率分层点处频繁切换工作状态，需要在该处设置滞环控制。

在采集系统运行信息的基础上，本文所提控制策略依据ΔP 将直流微网运行状态分为7 种运行模式，为避免模式之间频繁切换，在不同模式切换点加入滞环控制。 为最大限度地利用可再生能源，各种运行模式下光伏发电单元优先运行在最大 功 率 跟 踪 （Maximum Power Point Tracking，MPPT） 状态，特殊情况下可降功率运行。 其中：PHESS=Psc+Pbat为HESS 输出总功率； 考虑超级电容容量一般较低，需要设置其端电压Vsc的正常工作上、下限 Vsc_max，Vsc_min；SOCmax，SOCmin分别为各蓄电池SOC 正常工作上、下限。 直流微网系统具体运行模式如下。

模式1：当ΔP＞0，且超级电容和蓄电池均越过正常工作上限时，为避免超级电容或者蓄电池过充，HESS 退出运行，此时光伏发电单元需降功率运行，由MPPT 控制切换到恒压控制。

模式 2： 当 ΔP≥ΔPlay时，源荷功率差较大，HESS 中超级电容待机，各蓄电池运行在电压下垂控制模式，持续稳定充电。 当各蓄电池SOC 越过正常工作上限时，切换到模式3，由超级电容维持系统功率平衡。

模式 3： 当 ΔP＜ΔPlay时，源荷功率差较小，HESS 中蓄电池待机，超级电容运行在电压下垂控制模式。 当 Vsc＞Vsc_max时，超级电容退出运行，切换到模式2，由蓄电池维持系统功率平衡。

模式4： 当ΔP 在平衡点附近发生微小波动时，为了避免超级电容在充电放电之间频繁动作，此时默认系统功率达到平衡状态，HESS 处于待机状态。

模式 5：当 ΔP＜0，且|ΔP|＜ΔPlay时，源荷功率差较小，HESS 中蓄电池待机，超级电容运行在电压下垂控制模式，持续稳定放电。 当 Vsc＜Vsc_min时，切换到模式6，由蓄电池维持系统功率平衡。

模式 6：当 ΔP＜0，|ΔP|≥ΔPlay时，源荷功率差较大，HESS 中超级电容待机，蓄电池运行在电压下垂控制模式。当各蓄电池SOC 均低于正常工作下限时，切换到模式5，由超级电容维持系统功率平衡。

模式7：当ΔP＜0，且超级电容和蓄电池均越过正常工作下限时，为避免超级电容或者蓄电池过放，HESS 需退出运行，此时应采用负载管理算法进行负荷减载[15]。

2 混合储能系统控制策略

2.1 超级电容控制策略

超级电容控制系统采用下垂控制，其功率-电压（P-V）下垂控制表达式为

式中：Vdc_ref为直流母线电压参考值；Rsc为超级电容器下垂系数。

超级电容控制系统结构如图2 所示，电感Lsc、 开关 S1，S2和母线电容 Cdc组成超级电容 DC/DC1 双向变换器。 超级电容充电时，DC/DC1 双向变换器工作于Buck 模式，此时S1处于闭锁状态，S2处于开关状态； 放电时，S1处于开关状态，S2处于闭锁状态；待机时，S1和S2均处于闭锁状态。

图2 超级电容控制系统结构Fig.2 System structure of super capacitor

由于超级电容端电压不可突变，可间接表征其能量存储状态。为避免超级电容过充过放，应限制其在允许的工作电压（Vsc_min～Vsc_max）内运行。 当检测到超级电容端电压Vsc超出正常工作范围时，令其退出运行，此时由蓄电池组来维持系统功率平衡。

2.2 蓄电池功率动态分配控制策略

蓄电池能量密度大，但长时间大功率充放电会对蓄电池造成不可逆的伤害，因此，可设置多个蓄电池来改善单个蓄电池变换器存在充放电电流过大的问题。 蓄电池的充放电控制原理同超级电容，在此不再赘述。为直观体现蓄电池输出功率与其下垂系数的关联特性，蓄电池控制系统亦采用P-V 下垂控制方法[16]。

式 中 ：Vdc_i，Rb_i，Pbat_i分 别 为 第 i 个 蓄 电 池 DC/DC变换器输出电压、下垂系数、输出功率。

对于独立的小型直流微网，并联在公共直流母线的各单元之间的线路阻抗可以忽略不计。 考虑到蓄电池均连接至公共直流母线，因此可以假设各蓄电池变换器输出电压Vdc_i相同。 由式（4）可得：

式（5）表明，蓄电池的输出功率与其下垂系数成反比，可通过改变下垂系数精确分配负荷功率。 可将蓄电池SOC 与下垂系数相关联，通过SOC 的改变来动态地调节下垂系数，达到负荷功率在各蓄电池间合理分配以及SOC 均衡的目的。

为了进一步提高蓄电池间SOC 和负荷功率均衡速度和均衡精度，本文对文献[8]中所采用的下垂系数进行改进。

式中：KN为均衡因子；SOCi为第i 个蓄电池荷电状态当前值；β 为加速因子，β≤1；p，Ks，K 均为常数，其中，K 的数量级越小，均衡精度越高，在精度要求范围内选取即可，为保证较高的均衡速度和精度，Ks至少要比 K 大一个数量级；SOCave为 n 个蓄电池SOC 的平均值。

令 ΔSOC=SOCi-SOCave，放电时 Ks和 K 取值不同时的下垂系数Rb曲线如图3 所示。 由图可知： 在均衡初期蓄电池间SOC 差别较大时，K 固定，Ks越小时下垂系数差别越大； 随着均衡的进行，ΔSOC 趋近于 0，Ks固定，K 越小时下垂系数差异越明显，SOC 的均衡速度越大。 显然，Ks值对均衡初期的均衡速度影响较大，K 值对均衡末期的均衡精度影响较大。 因此，可以通过选取合适的Ks，K 值，获得较好的SOC 均衡速度和均衡精度。

图3 Ks 和K 取值不同的下垂系数曲线Fig.3 Droop coefficient curves with different values of Ks and K

由上述分析过程可知：充电时，蓄电池SOC越低分配的功率越多，避免SOC 较大的蓄电池因SOC 高于运行上界而退出运行；放电时，蓄电池SOC 越高分配的功率越多，避免SOC 较小的蓄电池因SOC 低于运行下界而退出运行，最终使得各蓄电池SOC 达到均衡状态。

超级电容及蓄电池控制系统均采用P-V 下垂控制，由于下垂控制会导致直流母线电压跌落，因此，应在母线电压正常跌落范围内选取下垂系数，下垂系数取值范围可参考文献[17]。

2.3 含混合储能直流微网控制系统

综合上述控制策略，含混合储能直流微网控制系统如图4 所示。图中：VPV，IPV分别为光伏发电单元实际电压、 电流；IPV_ref，Isc_ref，Ibat_ref分别为光伏发电单元、超级电容、蓄电池输出电流参考值，由直流母线实际电压与直流母线额定电压相减后经PI 控制器得到。 为消除由于下垂控制导致的母线电压偏移问题，各储能单元下垂控制中引入了用于动态提升母线电压的二次控制环节[18]。

图4 含混合储能直流微网控制系统Fig.4 Control system of DC microgrid with HESS

3 仿真分析

为验证本文所提协调控制策略的有效性，利用MATLAB/Simulink 仿真软件依据图4 搭建多储能独立直流微网模型进行仿真研究。 所研究的直流微网系统母线电压额定值设为400 V； 光伏发电系统最大输出功率为10 kW； 负载功率为5 kW。 为了加快超级电容端电压以及蓄电池SOC变化速度，进行如下设置：超级电容电压运行上、下限分别为 170 V，130 V，额定容量为 10 F；3 个蓄电池容量均为 1.5 A·h，端电压为 150 V，SOC正常工作在 20%～90%；ΔPlay=1.5 kW。

3.1 不同模式下HESS运行工况

超级电容的初始端电压设置为160 V；1 号、2号和3 号蓄电池的初始SOC 分别设为80%，70%和60%，并依据下垂系数的取值范围，设定下垂系数的各个参数为 KN=8.75×10-3，p=3.5，Ks=2，K=0.01。 超级电容和蓄电池均未超出正常工作范围时，系统各微源运行工况仿真结果如图5 所示。

图5 超级电容及蓄电池未越限时各微源运行工况Fig.5 Micro-sources operating conditions when super capacitor and batteries have not exceeded the limit

由图5 可知：0～1 s 内，光伏输出功率等于负荷功率，此时HESS 处于待机工作状态，直流母线电压稳定在额定值400 V；1 s 时，光伏出力升至5.8 kW，此时 ΔP=0.8 kW＜ΔPlay，超级电容首先接入系统进行充电，蓄电池不工作，使系统功率达到平衡；2 s 时，光伏出力升至7 kW，此时ΔP=2 kW＞ΔPlay，由蓄电池平衡系统功率；3 s 时，光伏出力降至 4.2 kW，此时 ΔP=-0.8 kW，由超级电容通过放电弥补功率缺额；4 s 时，光伏出力降至2.8 kW，|ΔP|＞ΔPlay，由蓄电池通过放电维持系统功率平衡。

由图5（c）可知，在混合储能控制系统充放电过程中，2 s 时引入二次控制环节后，可消除由超级电容和蓄电池控制系统下垂控制引起的直流母线电压偏差，将母线电压稳定在额定值，并且在控制策略切换时，由于超级电容的快速响应，母线电压平稳过渡。

设置超级电容初始电压为 168.5 V，1 号、2 号和 3 号蓄电池初始 SOC 分别设置为 89.9%，89.7%和 89.8%，其他参数不变。以 ΔP＞0，即 HESS充电过程为例，验证超级电容和蓄电池超出正常工作范围时的模式切换过程，仿真结果如图6 所示。

图6 超级电容及蓄电池越限时各微源运行工况Fig.6 Micro-sources operating conditions when super capacitor and batteries exceed the limit

由图6 可知：0～1.5 s 时，光伏输出功率等于负荷消耗功率，HESS 输出功率为 0；1.5 s 时，光伏出力升至6.3 kW，仅超级电容工作，其端电压Vsc逐渐升高，约 3.5 s 时达到上限值 170 V，超级电容退出运行。 此时系统由工作模式3 切换到模式2，各蓄电池组吸收光伏输出的多余功率并逐渐增加至稳态，SOC 逐渐上升，1 号、3 号和 2 号蓄电池分别在约 6.2 s，7.4 s 和 7.9 s 时，因其 SOC 超出上限值而退出运行，此时HESS 输出功率为0；7.9 s 时，由于HESS 已达饱和状态，无法吸收系统多余功率，光伏单元由MPPT 控制模式切换为模式1 恒压控制，运行在降功率状态，输出功率降至5 kW，将直流母线电压维持在额定值。

3.2 光伏出力随机波动

考虑光伏输出功率随机波动的情况，验证所提控制策略下超级电容和蓄电池的功率响应特性。1 号、2 号和 3 号蓄电池初始 SOC 分别设置为80%，79%和78%，其他参数不变，仿真结果如图7所示。

图7 光伏随机波动各微源功率响应Fig.7 Micro-sources power response of PV random fluctuation

由图7 可知，在光伏出力随机波动的情况下，超级电容和蓄电池的功率分配效果较好，即超级电容能够稳定工作在源荷功率差较小的情况下，蓄电池则稳定工作在源荷功率差较大的情况下，HESS 仍可以快速响应以补偿系统源荷功率差。由此可见，采用本文控制策略可以明显减少蓄电池的充放电时间及充放电切换次数，进而延长其使用寿命。 仿真结果验证了本文所提控制策略的有效性，且在考虑光伏功率随机波动情况下依然有较好的稳定性。

3.3 蓄电池稳定充放电

当蓄电池处于稳定充放电状态时，为分析说明采用本文所提改进下垂控制策略下的负荷功率及 SOC 均衡效果，设置 1 号、2 号和 3 号蓄电池初始SOC 分别为80%，79%和78%，下垂系数参数设为 KN=8.75×10-3，p=3.5，Ks=2，K=0.005。 稳定充电时，光伏发电单元输出功率为8 kW；稳定放电时，光伏发电单元输出功率为2 kW。充、放电仿真结果分别如图8、图9 所示。

图8 蓄电池储能系统稳定充电Fig.8 Stable charging of battery energy storage system

图9 蓄电池储能系统稳定放电Fig.9 Stable discharging of battery energy storage system

由图8（a）和图9（a）可知，t=15 s 时，基本达到负荷功率平衡状态，每个蓄电池输出功率约为1 kW。 由图8（b）和图9（b）可知，t=15 s 时，各蓄电池之间SOC 差别很小，充电时1 号和2 号蓄电池SOC 之差只有 0.063%，放电时两者之差只有0.012%，具有较高的均衡精度。 采用文献[8]中的方法进行充/放电时，SOC 仿真结果如图8（c）和图9（c）所示。 由图可知，同一时刻，充电时 1 号和 2号蓄电池SOC 之差为0.99%，放电时两者之差为0.871%，SOC 均衡速度较缓慢。 通过纵向对比可知，在蓄电池间SOC 差别较小情况下，采用本文所提改进下垂控制策略时，仍能获得较高的负荷功率及SOC 均衡速度和均衡精度。

4 结论

本文综合超级电容及蓄电池各自优势，设计了一种基于功率分层的光储直流微网系统，并提出了相应的协调控制策略。 在系统源荷功率差较小时，由超级电容平衡系统功率，源荷功率差较大时，则由蓄电池维持系统功率平衡，充分发挥超级电容可频繁充放电及蓄电池可提供长时间大功率充放电的优势，既减少了蓄电池充放电次数，又改善了现有控制策略中超级电容容量易达限值的问题。同时提出改进下垂控制策略，通过在下垂系数中引入基于SOC 信息的加速因子来动态地增大均衡后期蓄电池间下垂系数差别，解决均衡后期蓄电池负荷功率及SOC 均衡效果不佳的问题。