基于功率预测的混合储能系统控制策略研究

曹冰玉，蔡新红，周 鹏

（ 石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子832000）

1 蓄电池和超级电容混合储能系统拓扑结构

1.1 混合储能系统工作原理

混合储能系统的工作原理如图1，蓄电池和超级电容分别先于全桥DC-DC 变压器和控制器连接后再与直流母线相连。 其中Uba为蓄电池输出电压；Usc为超级电容输出电压；Pbap为蓄电池传输功率预测值；Pscp为超级电容传输功率预测值；控制器1 与控制器2 都采用模型预测直接功率控制算法[1]。

1.2 DC-DC 变换器拓扑结构

DC-DC 变换器拓扑结构如图2。 该变换器的IGBT 开关管应力电流较小，占空比可达到1，且工作周期内拥有双向励磁特性，不需要励磁复位电路，因此该变换器的利用率较高，在中高压、中大功率电路应用较为广泛[2]。

2 混合储能系统控制策略

2.1 双向全桥DC/DC 变换器单相移控制策略

单相移控制策略是通过DC/DC 变换器的工作波形，来控制H11与H12开关管的驱动脉冲，使得隔离级原副边产生的方波信号具有相移的特性，再通过调节方波间的相移角来调节传输功率的大小与流向[3]。单相移全桥控制工作波形如图3 所示。

通过基尔霍夫定律可得：

通过图3 可看出，在一个开关周期内，电感电流的前半周波形与后半周波形对称，也就是说t0～t2时间段传输功率与t2～t4时间段传输功率相同，其表达式为：

联立式（1）式（2）可得基于全桥DC/DC 变换器的单相移控制策略的传输功率为[5]：

2.2 混合储能系统功率分配原则

蓄电池的输出功率为Pba，超级电容输出功率为Psc，通过混合储能控制原理，再结合式（3）可得到：

由式（4）可知Pba与d1呈上抛物线关系，当传输功率达到最大值时，d1=0.5。 由此可知，当d1>0.5 时，传输功率Pba随着相移控制量d1增大而减小，反之，则随着相移控制量增大而增大。为保证功率与控制量呈现正相关性，所以控制在0

单相移控制策略是通过改变驱动脉冲的相移角，来改变输出功率的大小和方向，采用这种控制策略时，如式（4）所示，功率和相移控制量之间为非线性关系。当控制量出现偏差时，双向全桥DC-DC 变换器也会存在电压电流偏差，降低功率分配精度，当混合储能系统采用单相移控制策略时，会导致混合储能系统的瞬态响应变慢，降低系统电能质量。

在混合储能系统中，要求储能单元能够时刻根据当前负载的需求，输出相应功率。 因此，在混合储能系统中采用了图2 的拓扑结构，将混合储能拆分为多个控制系统，并研究了双向全桥DC/DC1 变换器与DC/DC2变换器的模型预测算法， 并将模型预测算法引用到直接功率控制策略中，使蓄电池和超级电容器的吸收或释放功率得到了合理化分配， 可满足负载的功率需求，能够在负载功率发生突变时，迅速响应，填补负载侧功率缺口，实现了混合储能系统的快速瞬态响应[4]。

2.3 混合储能系统模型预测直接功率控制策略

混合储能系统的模型预测直接功率控制策略其原理是根据双向全桥DC/DC 变换器的瞬时功率进行瞬态分析，得到瞬态变量，并通过瞬态变量对下一周期的瞬时功率进行预测到的预测值，在下一周期到来时，控制变换器的实时传输功率接近预测值，减小功率误差，使负载在发生变化时，储能系统能够迅速响应，为负载提供电能[5]。

根据蓄电池和超级电容的特点，可采用高通滤波器来为蓄电池和超级电容进行功率分配， 因此可设τ1为蓄电池供能比列系数，τ2为超级电容器比列系数。设Pscref为负载发生突变时超级电容分到的高频功率分量，则可建立一阶高通滤波器通用表达式为：

式中s—积分算子；Tf—一阶高通滤波器时间常数。

当负载功率突然增加的时候，高通滤波器可给超级电容器给定负值功率，此时，超级电容器为吸收功率状态。反正，当负载功率突降时，超级电容器释放功率，其负载功率与给定功率之间的比值为：

因此，在系统出现功率波动产生暂态功率时，超级电容瞬态响应为系统提供动态能量。

基于模型预测控制思想，当系统引入功率误差函数时，可对控制器1 与控制器2 进行协调优化控制，为了实现蓄电池预测功率Pbap与超级电容预测功率Pscp能够随着参考功率Pref实时变化，则建立功率误差函数表达式为：

因此，当蓄电池和超级电容混合储能系统将功率误差函数引用到预测模型中，可以得到最优相移控制量，当DC-DC 变换器采用最优相移控制量时，混合系统各储能单元能够更好的实现功率合理化分配。提高了微电网电能质量[6]。

3 混合储能系统仿真分析

为验证DC/DC 变换器采用单相移控制策略与模型预测直接功率控制策略时，蓄电池—超级电容混合储能系统的功率分配和瞬态性能。本次仿真通过改变负载功率需求，来进行仿真测试，如图4 所示将功率负载从1 440 W 突增到1 880 W 时的波形。

其中图（a）为单相移侧控制策略，通过仿真结果可知：当负载功率增大时，蓄电池和超级电容同时承担负载的功率缺额。图（b）为模型预测直接功率控制策略，通过仿真可知：超级电容能够为负载瞬时突变造成的功率瞬时波动进行填补，而蓄电池则为提供持续性的电能。通过对比可知，模型预测直接功率控制策略可有效增加蓄电池寿命且能够在负载发生突变时迅速响应，该策略能量分配较为合理。

图5 为负载突增时两种控制策略的系统电压电流瞬态响应波形图，图5（a）为单相移侧控制策略，通过仿真结果可知：系统电压电流超调量为0.7 V，瞬态响应时间为0.2 s。 图5（b）为模型预测直接功率控制策略，通过仿真可知：系统电压电流超调量为0.5V，瞬态响应时间为0.0047 s，通过对比分析可知，模型预测直接功率控制策略超调量低，瞬态响应速度较快。

4 试验验证

通过以上的研究，搭建出一个实验平台，其硬件系统结构框图如图6，实验样机如图7。

当实验系统输入电压调制到50 V 时，其输出电压为40 V，当负载增大时，两种控制策略实验波形如图8所示。其中8（a）为单相移控制策略，从实验波形可知：系统瞬态响应时间为224 ms。图8（b）为模型预测直接功率控制策略，从实验波形可知：系统瞬态响应时间为24 ms。实验结果表明，基于模型预测直接功率控制策略响应速度更快。 其结果与软件仿真结果一致。 负载突增试验见图8。

5 结论

通过对混合储能系统功率分配以及两种不同控制策略的理论研究及实验研究， 验证了本文提出的基于模型预测直接功率控制策略比单移相控制策略响应速度更快， 并通过实验验证了其可行性。 但本文只针对了负载突增进行了实验， 后续应当加入负载突降的实验分析， 且应当考虑到变换器并联的情况，后续应当进行MMC 模块化多电平的研究。