基于荷电状态的复合储能系统功率分配方法

王晓海，王 奎，何金平

应用研究

基于荷电状态的复合储能系统功率分配方法

王晓海，王 奎，何金平

（船舶综合电力技术重点实验室，武汉 430064）

目前复合储能系统的功率分配普遍采用基于功率直接分解的方法，此方法忽略了电量的累积效应，无法直接控制储能装置的状态。针对该问题，本文提出基于荷电状态的复合储能系统功率分配方法。该方法省略功率分解环节，直接构造功率指令与荷电状态之间的函数关系，并以此为基础同时控制瞬时变量（功率）和时间累积变量（荷电状态），从而使系统中的各储能装置在各时间尺度上均能维持相对的能量平衡。以由超级电容和电池构成的复合储能系统为例，在Simulink仿真平台上建立仿真模型。对基于荷电状态的功率分配方法和滤波法进行了仿真对比，并且验证了结论的正确性。

复合储能系统 功率分配 超级电容

0 引言

以“双碳”目标为背景，储能系统发挥着举足轻重的作用。储能技术在船舶行业也得到了广泛的应用。工程船舶上的储能系统需要满足两方面的要求：一是需要提供大功率的支撑；二是需要在发电出现故障时，保证重要负荷长时间的正常运行[1]。因此储能系统必须兼具较好的功率输出特性和一定的储能容量。

目前单一的储能材料很难兼顾功率和能量两方面的要求，将功率输出能力强的超级电容，与具有长时间储能能力的可充电电池类储能装置联合起来，组成复合储能系统，将最大限度地发挥各储能装置的优势。同时，不同性能的储能装置有可能运行在对自身更有利的方式下，有助于延长储能系统的使用寿命。此外，在满足整体性能需求的前提下，采用复合储能有可能减小储能系统整体的功率或存储容量，提高利用率，实现更好的经济性[2]。

本文针对复合储能系统提出了一种新的功率分配方法，并和现有的滤波法进行比较，在功率波动的情况下进行仿真，从稳态响应结果证明了该策略的优势。

1 复合储能系统拓扑结构和控制方法

采用超级电容和电池类直流电压源型储能装置组成的复合储能系统，其基本结构一般是，储能装置直接、或通过双向DC/DC变换器并联到直流母线上，直流母线可以直接连接直流负载或者通过DC/AC变换器为交流负载供电。复合储能系统的示意图如图1所示:

图1 复合储能系统示意图

图1所示储能系统中的DC/DC变换器可采用如图2所示的buck-boost双向DC/DC变换器。通过改变电感电流i平均值的大小和方向，即可实现功率的双向流动。直流电压源型储能装置接入输入端后，可将输出电压u或电感电流i的平均值作为控制目标，通过改变桥臂上下管导通的占空比来实施控制[5]。

图2 buck-boost双向DC/DC变换器拓扑

2 复合储能系统功率分配方法

2.1 滤波法

目前一种常规的功率分配方法是滤波法，即对功率指令或电流指令进行分解，通过高通滤波器检测功率参考值的高频分量作为负载瞬时功率的参考值，由超级电容进行响应；通过低通滤波器检测功率参考值的低频分量作为负载稳态功率的参考值，由电池进行响应[3]。滤波法控制原理图如图3所示:

图3 滤波法控制原理图

首先检测直流母线输出电压U，并与参考电压U作差，误差信号通过控制器产生补偿功率指令P，通过低通滤波器将P分解成两部分，低频部分作为电池输出功率的参考值P_ref，高频部分作为电容输出功率的参考值P_ref，然后由功率参考值生成各自的输出电流参考值。采用电压外环、电流内环双闭环控制，使电池和电容输出功率跟随功率输出指令P_ref、P_ref。通常要在i_ref、i_ref指令后增加限幅环节，以防止电池电容输出电流过限。

这里低通滤波器简单选择为一阶低通滤波器，其传递函数为：

其中为微分算子，T为滤波时间常数[4]。

假设=0时刻功率参考指令P由P突变到P（0时刻以前功率分配已达稳定状态，即P_ref(0)=0,P_ref(0)=P），则传递给电池和超级电容的功率指令P_ref()、P_ref()分别为：

进行离散化,其中，Δ表示仿真步长，表示迭代次数。

仿真流程为：

从式（7）可以看出，P_ref随P缓慢变化，主要响应低频功率；P_ref随P快速变化，主要响应高频功率。电池和超级电容的所分配的功率参考值主要有总功率参考指令P以及滤波时间常数T，T越大，截止频率f越小，滤波器允许通过的频率范围越小，分配的电池的功率P_ref就越小，电池功率变化也就平缓。同时分配给电容的功率P_ref就越大。

2.2 基于荷电状态（SOC）的功率分配方法

滤波法在进行功率分配时没有考虑储能系统的，因此需要增加额外的控制模块，以防止超级电容的过充过放。储能装置的用来反映储能装置的剩余电量，其估计值可按下式得到：

其中，Q为储能装置额定容量，为累积计算得到的储能装置已放出的电量。储能装置充满电时为1。

设某种储能装置一段时间[1,2]内放电电流为()，放电功率为()，端电压为()；荷电状态为()，储存的能量为()；则上述变量之间具有如下关系

因此，构造（或）与（或）之间的函数，是建立两类变量直接联系的一种方法。

对理想电容来说，其储存的电量与端电压成正比，根据荷电状态定义，其与端电压成正比；对电池来说，可以通过电池管理系统（）获得。因此一般储能装置的比较容易获取。

若将超级电容的荷电状态作为电池功率指令的自变量，根据电容建立与其相关的电池功率输出指令，将使电池输出功率更加平缓，极大地避免了尖峰功率和频繁的功率变化对电池性能和使用寿命的影响。

电池的功率指令函数P_ref()需要能调整超级电容的到合适状态，以使得电容具有处理波动功率的剩余电量。当功率波动到来时，首先由电容进行响应，当电容的波动稍大时，才会引起电池功率指令P_ref的变化。可简单的令P_ref与呈线性关系，设置P_ref与的上下限，使得越接近下限，电池的放电功率越大，迫使电容进行充电；越接近上限，电池的充电功率越大，迫使电容进行放电。设储能系统的参考正方向为放电，则P_ref与，以及P_ref相应的关系式为：

其中Pb_max为电池输出功率绝对值的上限，SOCl为电容SOC的下限，SOCu是电容SOC的上限。Pref为复合储能系统整体需要响应的功率参考值，Psc_ref为超级电容需要响应的功率参考值[6]。

上述分配方法的示意图如图4所示，可以看出，每一个P_ref对应一个，当要求储能系统输出的功率在（0，P_max）时，电池功率会自动调节，使得一直处于（SOC，SOC）之间，不会超限。比如当P=0.5P_max，如果降到了SOC，则电容功率P_ref=P-P_max=-0.5P_max，在电池功率的调节下，电容进行充电。同时电池功率指令函数已经对电池的输出功率进行了限幅，在对P进行限幅的情况下，电容的输出功率被限制在（-P_max，P_max）之内。

根据以上论述，基于荷电状态的功率分配法控制原理图如图5所示[7]。

3 仿真与验证

依据图4给出的超级电容电池复合储能系统的拓扑结构，以及2.1节和2.2节中的控制原理图，基于/平台进行仿真，给出基于荷电状态的功率分配方法与滤波法关于周期性功率波动稳态响应结果的对比。

图5 基于荷电状态的功率分配法控制原理图

假设复合储能系统整体的功率指令P为在1 kW到3 kW之间波动、脉冲宽度为50%的方波。分别采用时间常数为0.5 s的一阶低通滤波器、时间常数为2 s的一阶低通滤波器、和基于荷电状态的功率分配方法，对功率波动进行处理；达到稳态时的仿真结果如图6所示。其中，P_ref(W)为电池响应功率，P_ref(W)代表超级电容响应功率。

图6 功率波动仿真结果

从图6可以看出，对于电容功率和电池功率，采用基于荷电状态的功率分配方法相较于滤波法时，电池功率指令的波动幅度始终较小.

仿真结果说明，在容量配置一定的情况下，与普通滤波法相比，基于荷电状态的功率分配方法具有良好的适应性。

4 结论

本文提出了一种基于荷电状态的复合储能系统功率分配方法。该方法省略功率分解环节，直接构造功率指令与荷电状态之间的函数关系，并以此为基础同时控制瞬时变量（功率）和时间累积变量（荷电状态），使系统中的各储能装置能维持相对的能量平衡。该方法使功率分配结果针对功率波动具有良好自适应性。

[1] 周美兰, 冯继峰, 张宇, 杨明亮, 吴晓刚.纯电动客车复合储能系统功率分配控制策略研究[J], 2019, 34(23): 5001-5013.

[2] 王峰. 电动汽车用复合储能系统关键技术及设计方法研究[D]. 华南理工大学, 2019.

[3] Huang P, Lan P, Huang S. Cooperation between distributed power modules for SoC power management[J]. IEICE Transactions on Electronics, 2016: E99.C(6).

[4] 齐彦薇. 数字型Buck/Boost双向DC-DC变换器的设计[D]. 西安石油大学, 2020.

[5] 奚文龙, 唐文秀, 许李尚, 刘方悦.基于一阶低通滤波器滑模反步法的直流电机位置控制[J]. 重庆: 重庆邮电大学学报(自然科学版), 2017, 29(04): 550-556.

[6] Zhu J. Feng Lu. System-level power management for low-power SOC design[C]. Proceedings of the 2011 10th International Symposium on Distributed Computing and Application to Business, Engineering and Science, 2011: 428-432.

[7] Chen R, R. Liu, J. B. Kuo. Gate-level dual-threshold total power optimization methodology (GDTPOM) principle for designing high-speed low-power SOC applications[C]. 2008 9th International Conference on Solid-State and Integrated-Circuit Technology Proceedings Ⅲ. Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2008: 487-490.

Power distribution method of composite energy storage system based on state of charge

Wang Xiaohai, Wang Kui, He Jinping

(Science and Technology on Ship Integrated Power System Technology Laboratory, Wuhan 430064, China)

U469.72

A

1003-4862（2022）10-0133-04

2022-03-29

王晓海（1994-），男，硕士。研究方向：电力电子与电力传动。E-mail: 75241601@qq.com