基于稳态功率修正的混合储能新型控制策略研究

赵永熹，刘 剑，周建萍，张纬舟

（上海电力大学 自动化工程学院，上海200090）

0 引言

光伏和风力发电的波动性会影响微网的稳定运行[1]～[4]，微网中通常须要配置储能系统平抑功率波动[5]。其中，由蓄电池和超级电容组成的混合储能逐渐成为研究热点[6]～[8]。

混合储能控制策略核心是使高能量密度的储能形式响应低频功率需求，而高功率密度的储能形式对高频功率波动进行补偿。现有混合储能控制策略大致分为基于滤波器控制和基于智能算法控制。滤波器控制是将目标功率通过低通滤波器，分别得到蓄电池和超级电容参考电流。文献[9]，[10]在低通滤波器后添加了速率限制器，降低了蓄电池的充、放电压力。文献[11]将滤波器引入下垂控制，降低了通信要求，但稳态时超级电容仍输出部分功率。文献[12]，[13]采用模糊控制对蓄电池和超级电容的输出功率进行修正，进而实现自适应控制。文献[14]，[15]引入模型预测控制，通过变流器预测调节，使混合储能系统为微网提供快速惯性支撑。采用智能算法对混合储能进行控制时，算法较为复杂，系统发生变化时须要重新进行计算。而现有低通滤波控制策略中，超级电容输出功率始终取决于蓄电池未补偿功率，存在超级电容荷电状态（State of Charge，SOC）可能发生不受控制地偏移的局限性，长期运行可能导致超级电容过充过放情况。这就须要在微网中增加超级电容的容量配置，用以应对该问题，往往还会影响其使用寿命，降低了微网的经济性和可靠度。

本文提出了基于稳态功率修正的混合储能控制策略。在系统非稳定状态下，蓄电池电流以一定速率变化，降低蓄电池充放电的压力；超级电容快速响应波动，荷电状态产生一定偏移。系统进入稳态后，根据超级电容荷电状态确定蓄电池电流环虚拟冲击电流扰动项的大小和方向，蓄电池对超级电容在非稳定状态下由于平抑波动产生的电能变化进行修正，使其荷电状态恢复至额定值。Matlab仿真结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。

1 直流微网结构及传统混合储能控制策略

图1为典型直流微网简化结构。

图1 直流微网结构Fig.1 Structure of DCmicro-grid

直流微网各分布式发电单元（Distributed Generations，DGs）采用并联方式接入公共直流母线，蓄电池 （Battery，Bat） 及超级电容（Superca-pacitor，SC） 构 成 混 合 储 能 系 统（Hybrid Energy Storage Sources，HESS），经双向变流器 （Bidirectional Direct Current Converter，Bi-DC）与微网直流母线连接以实现能量双向流动，负荷须要在各接口变换器之间合理分配。

图2为传统带有充放电速率限制的混合储能低通滤波控制策略[9]，[10]。

图2 传统混合储能控制策略Fig.2 Conventional control strategy of HESS

由图2可知，直流母线电压V0与母线参考电压Vref进行比较后，经由PI控制环得到混合储能总参考电流IT，经过低通滤波器fLPF及速率限制器得到蓄电池参考电流Ibat_ref，经电流环得到PWM脉冲信号控制蓄电池变流器。总参考电流IT与蓄电池实际电流Ibat作差后，得到蓄电池未补偿电流IC，进而得到蓄电池未补偿功率，最终确定超级电容参考电流Isc_ref，经电流环得到PWM脉冲信号控制超级电容变流器。

可见，传统混合储能控制策略虽然能够平抑分布式发电功率波动，但超级电容功率始终取决于蓄电池未补偿功率，长期运行时荷电状态发生偏移，不仅增加组网成本，同时也会降低微网可靠性。

2 基于稳态功率修正的混合储能控制策略

2.1 混合储能新型控制策略

新型控制策略通过检测母线电压变化率及超级电容和荷电状态，在判定系统进入稳态的前提下，在传统控制策略的低通滤波环后，引入与超级电容SOC偏移量有关的虚拟冲击电流（Virtual Impact Current，VIC）作为扰动项，在稳态情况下控制蓄电池对超级电容进行功率修正，使超级电容荷电状态基本稳定在额定值。

混合储能新型控制策略如图3所示。图中虚线框内为稳态功率修正环节。

图3 基于稳态功率修正的混合储能新型控制策略Fig.3 New control strategy of hess based on steady-state power correction

系统实时检测直流母线电压V0，确定母线电压变化率，同时系统获取超级电容实际荷电状态SOCSC，进而得到虚拟冲击电流IVIC为

式中：m为冲击调节因子，m＞0；SOCsc_nom为超级电容额定荷电状态；Cst为电压变化率设定阈值。

新型控制策略具体控制过程：直流母线电压V0与母线参考电压Vref进行比较，经由PI控制环得到混合储能总参考电流IT，经过低通滤波器得到波动低频分量ILFC：

式中：fLPF为低通滤波函数。

低频分量ILFC与虚拟冲击电流IVIC求和通过速率限制器对电流进行修正，减少蓄电池的充放电压力，得到蓄电池参考电流Ibat_ref为

式中：fRL为速率限制函数。

Ibat_ref与实际蓄电池电流Ibat比较后，得到蓄电池误差电流Ibat_err，Ibat_err通过PI控制环及PWM产生蓄电池变流器驱动信号。因此，蓄电池不仅平抑系统低频波动，同时在稳态情况下提供虚拟冲击电流。蓄电池动态响应比较慢，Ibat无法立即跟踪参考电流Ibat_ref，故蓄电池未补偿电流IC为

式中：Ibar为蓄电池实际电流。

超级电容电流参考值ISC_rel为

式中：IHFC为系统波动高频分量，IHFC=IT-ILFC；PVIC为虚拟冲击功率，PVIC=IVIC·Vbat。

因此，超级电容不仅平抑系统波动高频分量和蓄电池误差电流，同时对蓄电池虚拟冲击电流产生的虚拟冲击功率进行修正。

由以上分析可知，在控制过程中，虚拟冲击电流以扰动的形式作用于蓄电池电流环。当系统功率发生快速扰动时，母线电压变化速率大于设定阈值Cst，IVIC为0。此时超级电容按照传统控制策略快速响应，平抑蓄电池未补偿功率，SOCsc发生偏移。进入稳态时，母线电压变化率小于设定阈值Cst，此时虚拟冲击电流IVIC取决于超级电容荷电状态偏移量SOCsc_nom-SOCsc和冲击调节因子m。

当SOCsc≥SOCsc_nom时，IVIC＜0，蓄电池在系统功率稳定的基础上减少部分输出功率，由超级电容输出功率，SOCsc降低，逐渐向SOCsc_nom恢复。相反，当SOCsc＜SOCsc_nom时，IVIC＞0，蓄电池在系统功率稳定的基础上增加部分输出功率，由超级电容吸收功率，SOCsc增加，同样逐渐向SOCsc_nom恢复。超级电容荷电状态绝对偏移量SOCsc_nom-SOCsc越大，说明超级电容在荷源功率补偿阶段承担了更大的松弛作用，在系统进入储能功率交互阶段时，交互速率就越快，能够使超级电容荷电状态在短时间内迅速恢复至额定值附近。

虚拟冲击电流IVIC同样取决于冲击调节因子m。m越大，功率交互速度越快，但m最大值受限于蓄电池和超级电容的功率容量，即：

式中：Ibatmax，Iscmax分别为蓄电池和超级电容的最大工作电流。同时，m较小会导致虚拟冲击电流过小，延长交互时间。故选取合适的m至关重要。

2.2 功率冲击响应分析

本文中混合储能单元响应过程主要包括荷源功率补偿及储能功率修正两个部分。其中荷源功率补偿部分又分为瞬态补偿和无效交互两个阶段，储能功率交互部分又分为交互攀升和交互缓降两个阶段。控制过程系统功率基本流动情况如图4所示。图4中实线表示功率实际流动路径，虚线表示修正功率路径，箭头指向表示功率流动方向。

图4 控制过程系统功率基本流动情况Fig.4 Basic power flow of system under the control

本文以施加瞬时阶跃正向功率冲击为例，忽略线路阻抗及变流器开关损耗，得到冲击功率下混合储能特性如图5所示。图中Pbat，PSC分别代表蓄电池及超级电容功率。

图5 冲击功率下混合储能响应特性Fig.5 Response characteristic of HESSunder the impact power

图中：0～t1时，系统保持稳定，蓄电池输出功率为P1，超级电容输出功率为0；在t1时刻，系统产生ΔP的冲击功率。

①t1～t2为瞬态补偿阶段。t1发生功率冲击时，直流母线电压发生瞬时突变，但蓄电池电流变化率受限于速率限制器，功率以既定斜率上升；超级电容平抑波动同样需一定响应时间，输出功率以较大斜率上升，荷电状态逐渐降低，且下降速度逐渐增大。系统在该阶段内处于不稳定状态，母线电压变化率大于设定阈值，故IVIC为0。该阶段系统功率满足：

式中：ΔPbat为蓄电池功率增量，ΔPbat=Pbat-P1。

t2时刻系统进入稳定状态，系统功率始终满足：

②t2～t3为无效修正阶段。由于在前一阶段超级电容输出功率，导致SOCSC＜SOCSC_nom，故IVIC＞0。在该阶段内，系统已经进入稳态，低通滤波环后已注入虚拟冲击电流IVIC作为扰动项，但是蓄电池功率增量ΔPbat还未完全补偿，输出功率仍然以既定斜率上升，故IVIC并未起到实质作用；超级电容平抑剩余功率，输出功率以相反斜率逐渐下降，荷电状态逐渐降低，且下降速度逐渐减小。t3时刻，ΔPbat完全补偿ΔP，输出功率为P2=P1+ΔP，超级电容输出功率为0。t3时刻称为蓄电池完全补偿点。

③t3～t4为修正攀升阶段。在t3时刻，系统虚拟冲击电流IVICt=t3为

IVIC作用于蓄电池参考电流速率限制器前，由于不存在实际功率缺额，并不会导致系统功率失稳，母线电压始终保持稳定。蓄电池电流变化率同样受限于速率限制器，功率仍旧以既定斜率上升；超级电容对经速率限制后的虚拟冲击功率进行补偿，吸收功率，荷电状态逐渐升高，且上升速率逐渐增大。t4时刻，蓄电池输出电流攀升至虚拟冲击电流实际值，此时输出功率等于虚拟冲击功率实际值，即：

由以上分析可知，采用本文所提基于稳态功率修正的混合储能控制策略，可以在系统功率发生快速扰动时，按照传统控制策略，对波动进行快速响应。在系统稳定时，虚拟冲击电流作为扰动项，可以实时控制混合储能单元间进行能量再分配，超级电容在平抑高频波动造成的电能变化最终由蓄电池进行修正。因此，在进行微网规划时可大大减少超级电容容量配置，同时也可以有效提高混合储能系统的可靠性及整体稳定性。

3 仿真分析

为了验证本文所提基于稳态功率修正的混合储能控制策略的有效性，在Matlab/Simulink平台进行仿真。通过调节各分布式发电单元的输出功率模拟系统功率波动，控制荷源功率差为-2～2 kW。蓄电池额定电压为96 V，最大输出电流为30 A，容量100 A·h。为了抓取短时内超级电容SOC变化情况，设置超级电容为1 F/48 V，最大输出电流为50A，额定荷电状态SOCSC_nom=0.5。取冲击调节因子m=1 000，分别在功率冲击工况及功率波动工况进行仿真。

3.1 功率冲击工况

在仿真开始时，系统处于稳定状态，荷源功率差为1 kW，而后分别在t=1，2，3 s时刻产生1，-1，-2 kW的冲击功率。分别采用传统控制策略及本文所提新型控制策略进行仿真，混合储能特性分别如图6，7所示。

图6 功率冲击工况下采用传统控制策略的混合储能特性Fig.6 Characteristic of HESSunder condition of impact power with conventional control strategy

图7 功率冲击工况下采用新型控制策略的混合储能特性Fig.7 Characteristic of HESSunder condition of impact power with new control strategy

由图6，7可知，当突变发生时，传统控制策略使蓄电池功率经缓慢变化后对荷源功率差进行补偿，超级电容功率经瞬时突变后，缓慢降至0 kW，并在附近波动。采用新型控制策略，蓄电池功率经缓慢变化到达蓄电池完全补偿点后，输出功率继续缓慢变化，提供虚拟冲击功率，超级电容功率经瞬时突变缓慢降至0 kW后，进一步对蓄电池的虚拟冲击功率进行补偿。发生功率冲击时，传统控制策略中，超级电容瞬时响应导致荷电状态产生较大偏移。在进入稳态之后，超级电容平抑系统高频波动，荷电状态仍会产生一定偏移。采用新型控制策略，在系统进入稳态之后，虚拟冲击电流作用于蓄电池电流环，控制混合储能单元间的功率交互，超级电容荷电状态最终恢复至额定值。

为了说明冲击调节因子m的大小对交互过程的影响，在当前工况下，改变m的取值进行仿真，可得到混合储能特性表现如图8所示。由图8可知，当m增大时，功率交互速度及超级电容SOC恢复速度也随之加快，但在交互攀升阶段内储能单元输出功率极值变大，可能出现输出功率超限的情况，故m最大值受限于蓄电池和超级电容的功率容量。

图8 不同m取值情况下的混合储能特性Fig.8 Characteristic of HESSunder the circumstances of different values of m

3.2 功率波动工况

图9为模拟微网一段运行时间内功率波动工况下的荷源功率差，分别采用传统控制策略及本文所提新型控制策略进行仿真。

图9 功率波动工况下的荷源功率差Fig.9 Power difference of load to source under condition of fluctuant power

图10，11分别为功率波动工况下采用传统控制策略和采用新型控制策略的混合储能特性。

图10 功率波动工况下采用传统控制策略的混合储能特性Fig.10 Characteristic of HESSunder condition of fluctuant powerwith conventional control strategy

图11 功率波动工况下采用新型控制策略的混合储能特性Fig.11 Characteristic of HESSunder condition of fluctuant power with new control strategy

由图10，11可知，在荷源功率差波动的情况下，传统控制策略中蓄电池平抑波动低频分量，超级电容输出功率始终取决于蓄电池未补偿功率。采用新型控制策略后，蓄电池通过检测超级电容的荷电状态实时调整虚拟冲击电流。在较大波动（t=1.5，2.4，5.6 s）之后，可以明显看到功率修正作用。传统控制策略中超级电容在平抑蓄电池未补偿功率时，荷电状态随工况变化而变化。新型控制策略在不影响混合储能正常瞬态响应的基础上，蓄电池和超级电容能够在稳态情况下不断对超级电容荷电状态进行修正，使其维持在额定值附近。这样可以有效增强混合储能的可靠性，提高微网系统的整体稳定性。

4 结束语

本文提出一种基于稳态功率修正的混合储能新型控制策略，通过在蓄电池电流内环引入扰动项的方式，在系统稳定时对混合储能单元进行能量再分配，对超级电容平抑高频波动造成的电能变化进行修正，进而使超级电容的实际荷电状态稳定在额定值。蓄电池电流内环引入的虚拟冲击电流扰动项方向与蓄电池当前充放电方向一致，并不会增加蓄电池充放电次数。且随着修正过程的进行，虚拟冲击电流逐渐减小，可以有效避免因SOC测量误差及通信延时造成的过度控制。本文所提的混合储能新型控制策略基本结构及其相应的控制原理具有通用性，对于交直流微网的储能控制及优化具有一定的参考意义。