面向孤岛微电网的混合储能实验平台设计

陈继明， 朱劲男， 孟庆伟， 朱明晓， 钟振芳

（中国石油大学（华东）新能源学院，山东青岛 266580）

0 引 言

随着能源需求的增加、化石资源的枯竭和环保压力的增大，人们对风、光等绿色能源的需求越来越迫切［1-2］。由风、光等分布式能源和就近负荷组成的微电网系统，通过优化设计、有效管理与控制，可充分利用各种分布式可再生能源的优势，实现分布式能源的就地消纳，为负荷用户提供清洁环保的电能，减少远距离输电的建设投资和电能损耗［3-4］。

储能技术作为微电网的核心与基础，在平抑风、光分布式能源的波动性和间歇性，提高供电可靠性中发挥着重要作用［5-6］。近年来，国内外针对储能在微电网中的应用开展了一系列相关技术研究［7-9］，并搭建了相关实验平台，但大多数实验平台采用了单一的储能形式；单一的储能形式不能同时满足能量密度和功率密度的要求，两种及以上的混合储能方式可充分发挥各自优势，配合恰当的协调控制方法可有效实现微电网直流母线电压的稳定和储能元件使用寿命的延长。

本文设计了面向孤岛微电网的混合储能技术实验平台，硬件采用模块化结构，混合储能装置、可控直流电源与可编程直流负载通过主电路分别连接直流母线；控制系统基于DSP28377D 开发板，可借助软件编程实现直流母线双闭环控制、混合储能的协调控制等创新实验。

1 混合储能实验平台设计

混合储能实验平台构成如图1 所示，整个微电网主要由混合储能装置及电力电子变换器、直流电源和直流负载组成。其中可控直流电源充当光伏等分布式电源，可编程直流负载模拟可变负载，混合储能装置则采用铅酸蓄电池和超级电容的组合方式，充分发挥铅酸蓄电池能量密度大、超级电容功率密度大的特点。可控直流电源与储能装置通过DC／DC 变换器与母线连接，电路结构如图2 所示。单向DC／DC变换器采用Boost 电路，双向DC／DC 变换器采用Boost／Buck电路。

图1 混合储能实验平台构成示意图

本平台可开展平抑分布式电源及负载突变导致的直流母线电压波动等实验，分析分布式电源及负载突变时的控制特性。可通过设置直流电源功率突变及负载突变，对直流母线双闭环控制与基于低通滤波法的混合储能协调控制进行分析。

1.1 平台构建方案

图3 所示为混合储能实验平台的实物关联图，主要包括混合储能装置、可控直流电源、可编程直流负载、变换器主电路与采样及控制电路单元。

图3 混合储能实验平台实物关联图

（1）可编程电子负载。采用艾德克斯IT8512A ＋，具有定电压、定电流、定电阻和定功率四种模式，电压范围为0 ～150 V，电流范围为0 ～30 A，额定功率300 W。

（2）可控直流电源。采用艾德克斯IT6332L，具有2 个30 V／6 A／180 W输出通道和1 个5 V／3 A／15 W输出通道，电流、电压分辨率分别为1 mA、1 mV。

（3）铅酸蓄电池。单体容量为45 Ah，额定工作电压为12 V。2 个蓄电池串联构成蓄电池组，总容量为90 Ah，总电压为24 V。

（4）超级电容组。采用MAXWELL 超级电容组，额定电压为48 V，总容量165 F，单体容量为3 000 F，额定电压为2.7 V，由18 个单体串联而成。

（5）Boost电路。单向DC／DC 变换器，输入电压为0 ～100 V，输出电压为0 ～400 V。

（6）Boost／Buck电路。双向DC／DC变换器，输入电压为0 ～100 V，输出电压为0 ～400 V。

图4 所示为混合储能实验平台结构，图中vdc为直流母线电压，isc和ib分别为超级电容器和蓄电池电流。其中电流、电压检测分别采用LA25-NP 霍尔电流传感器和LV25-P 霍尔电压传感器，二者都是通过磁平衡原理，将电流、电压信号转化为小电流信号，实现与主电路的电气隔离。

图4 混合储能实验平台结构

1.2 双向DC-DC变换器

双向DC-DC变换器采用Boost／Buck电路，共有正向升压和反向降压2 种工作模式，以及4 种开关工作状态，如图5 所示。由图5 可见，u1、u2分别表示低压侧、高压侧电压；L、C1和C2分别表示滤波电感、低压侧电容和高压侧滤波电容；S1和S2分别是上下2 个桥臂的开关管，图5（a）和（b）通过触发功率开关管S2，电路处于升压工作状态，电流从左往右流动，因此储能系统可向母线侧释放功率；图5（c）和（d）通过触发S1，电路处于降压工作模式，电流从右往左流动，储能系统可从母线侧吸收功率。

图5 Boost／Buck变换器工作模式

为避免升压和降压2 种工作模式在控制上的来回切换，上下管采用互补导通的方式，这样可避免出现桥臂直通，也不需要额外的逻辑单元，提高了系统响应速度［10-11］。互补导通控制方式的正向Boost 模式和反向Buck模式的传递函数是相同的［12］。因此本文选取Boost模式对Boost／Buck变换器进行建模。

Boost／Buck变换器稳态工作点附近扰动的小信号模型为：

式中：t为时间；U2为电容C2电压稳态值；IL为电感L电流稳态值；M为占空比稳态值；R为负载电阻；u＾1、u＾2分别为电容C1、C2两端的小信号电压；i＾L为流过电感L的小信号电流；m＾为变换器的小信号占空比。

占空比扰动m＾对电感电流扰动i＾L的传递函数Gid和输出电压扰动对电感电流扰动的传递函数为：

式中，s为拉普拉斯变换的复频率。

2 混合储能系统控制方法

在直流微网中，通过维持直流母线电压稳定便可保证网内的功率平衡，因此目前混合储能系统最常用的控制方法是基于滤波器的电压电流双环PI 控制［14-16］，如图6 所示。在该方法中，电压外环控制直流母线电压，电流内环调节锂电池和超级电容的充放电电流。

图6 混合储能系统控制框图

在电压外环控制中，电压偏差量uerr为直流母线电压实际值udc与其参考值uref的差值，uerr经PI控制器得到需混合储能系统补偿的总不平衡电流itotal，其计算方法如下式所示：

式中，Kv_p和Kv_i分别为PI 控制器的比例常数和积分常数，其参数计算与式（2）以及电流内环PI控制器参数有关。式（3）所得的不平衡电流itotal，可经过低通滤波器分解得到低频段的平均电流需求iavg和高频段的瞬时电流波动itran，二者分别作为电池充放电电流的参考值ib_ref和超级电容充放电电流的参考值isc_ref，具体表达式为：

式中，fc为低通滤波器的截止频率。电流参考值ib_ref和isc_ref分别与电池和超级电容的实际电流值ib和isc作差，得到的电流偏差量分别经过PI控制器生成占空比信号db和dsc；最后，mb、msc被送入脉宽调制器产生方波信号进而分别控制DC／DC 变换器的功率开关Sa、Sb、Sc和Sd，从而实现对蓄电池和超级电容充放电状态的控制。

3 混合储能平台仿真分析

孤岛微电网混合储能系统仿真平台采用Matlab／Simulink搭建，蓄电池和超级电容器通过各自的双向DC-DC变换器与直流母线相连，直流电流源通过单向DC-DC变换器与直流母线连接，可变负载直接与直流母线连接。仿真分别设置直流电流源输出电流的突然增减和负载的突然增减，观察直流母线电压和蓄电池、超级电容侧电流。

在仿真时，直流母线电压基准值设置为48 V，负载为48 Ω，直流电流源输出电压为24 V，输出电流为1 A。仿真结果如图7 和图8 所示。

图7 负载突变时直流母线电压及储能电流仿真波形

图8 电源突变时直流母线电压及储能电流仿真波形

（1）负载突变波动仿真。仿真中设置在0.2 s时负载电阻从48 Ω突减为24 Ω，0.4 s时从24 Ω 突增为48 Ω。在0.2 s 之前，直流电源输出的功率为24 W，提供的功率小于负载的功率，功率差由蓄电池提供；负载在0.2 s 时突增，功率平衡被破坏，超级电容器瞬时响应进入放电模式，及时释放功率支撑直流母线电压，蓄电池电流缓慢增加，以支撑缺额功率，最后超级电容电流衰减为0 A，系统进入新的平衡；负载在0.4 s时突降，超级电容器瞬间进入充电模式，短时间内对缺额功率进行补充，蓄电池电流缓慢减小，最后超级电容电流衰减为0 A，系统进入新的平衡。

（2）直流电源突变波动仿真。设置在0.2 s时直流电流源输出电流突变为4 A，0.4 s时从4 A突变为1 A。在0.2 s之前，直流电源输出的功率不能为负载提供足够的功率，但所需补充的功率不大，蓄电池提供这部分功率；直流电源电流在0.2 s时突增，输出的功率过多，超级电容器瞬时响应进入充电模式并吸收剩余的功率，蓄电池缓慢进入充电模式，最后系统进入新的平衡；直流电源电流在0.4 s时突降，超级电容器瞬间进入放电模式，短时间内对缺额功率进行补充，蓄电池缓慢进入放电模式，最后进入新的平衡。

仿真运算过程中，直流母线电压虽然出现波动，但基本稳定在48 V左右，混合储能系统基本实现母线恒压。在小波动的情况下，超级电容器瞬间提供能量，改善了充放电曲线，使电池与超级电容器的储能协调控制策略得到实现。

4 混合储能平台实验验证

实验平台采用48 V 直流母线结构。针对负载突变与直流电源突变的情形，实验验证协调控制策略的可行性。实验中，直流电源工作在恒压模式，通过调节Boost电路改变输出功率，直流负载则工作在定电阻模式。

（1）负载突变。设置负载由48 Ω 变为24 Ω，得到实验屏显波形如图9 所示。在负载突变期间，直流母线电压产生1.5 V 波动，蓄电池电流从1 ～3 A，超级电容电流突然变化，并恢复到0 A。

图9 负载突变时电压、电流的实验验证屏显波形

（2）直流电源突变。设置直流电源输出电流由1 A变为4 A，实验波形如图10 所示。在负载突变期间，直流母线电压有波动，蓄电池电流从1 ～2 A，超级电容电流突然变化，并恢复到0 A。

图10 直流电源突变时电压、电流的实验验证屏显波形

由图9 和10 可知，无论是负载突变还是直流电源功率突变，在混合储能装置电压电流双闭环控制下可以使得母线电压稳定在48 V，且波动非常小，可明显地看到蓄电池、超级电容电流的变化过程，蓄电池缓慢响应，超级电容快速响应，二者协调配合，有效稳定直流母线电压。

5 结 语

本文搭建了面向孤岛微电网的混合储能系统仿真和实验平台，进行了负载扰动和直流电源扰动情况下的孤岛微电网仿真和实验。结果表明：基于滤波器的协调分配方法将高频功率分配给超级电容，低频功率则分配给蓄电池，可合理分配系统功率缺额；基于电压电流的双闭环控制方法，可有效保证直流母线电压的稳定，快速消除扰动造成的影响；该平台有助于分析混合储能调节的暂态过程，为下一步算法优化提供支撑。