曹冰玉，蔡新紅，周 鵬

（ 石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子832000）

1 蓄電池和超級電容混合儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

1.1 混合儲能系統(tǒng)工作原理

混合儲能系統(tǒng)的工作原理如圖1，蓄電池和超級電容分別先于全橋DC-DC 變壓器和控制器連接后再與直流母線相連。 其中Uba為蓄電池輸出電壓；Usc為超級電容輸出電壓；Pbap為蓄電池傳輸功率預測值；Pscp為超級電容傳輸功率預測值；控制器1 與控制器2 都采用模型預測直接功率控制算法[1]。

1.2 DC-DC 變換器拓撲結(jié)構(gòu)

DC-DC 變換器拓撲結(jié)構(gòu)如圖2。 該變換器的IGBT 開關(guān)管應力電流較小，占空比可達到1，且工作周期內(nèi)擁有雙向勵磁特性，不需要勵磁復位電路，因此該變換器的利用率較高，在中高壓、中大功率電路應用較為廣泛[2]。

2 混合儲能系統(tǒng)控制策略

2.1 雙向全橋DC/DC 變換器單相移控制策略

單相移控制策略是通過DC/DC 變換器的工作波形，來控制H11與H12開關(guān)管的驅(qū)動脈沖，使得隔離級原副邊產(chǎn)生的方波信號具有相移的特性，再通過調(diào)節(jié)方波間的相移角來調(diào)節(jié)傳輸功率的大小與流向[3]。單相移全橋控制工作波形如圖3 所示。

通過基爾霍夫定律可得：

通過圖3 可看出，在一個開關(guān)周期內(nèi)，電感電流的前半周波形與后半周波形對稱，也就是說t0～t2時間段傳輸功率與t2～t4時間段傳輸功率相同，其表達式為：

聯(lián)立式（1）式（2）可得基于全橋DC/DC 變換器的單相移控制策略的傳輸功率為[5]：

2.2 混合儲能系統(tǒng)功率分配原則

蓄電池的輸出功率為Pba，超級電容輸出功率為Psc，通過混合儲能控制原理，再結(jié)合式（3）可得到：

由式（4）可知Pba與d1呈上拋物線關(guān)系，當傳輸功率達到最大值時，d1=0.5。 由此可知，當d1>0.5 時，傳輸功率Pba隨著相移控制量d1增大而減小，反之，則隨著相移控制量增大而增大。為保證功率與控制量呈現(xiàn)正相關(guān)性，所以控制在0

單相移控制策略是通過改變驅(qū)動脈沖的相移角，來改變輸出功率的大小和方向，采用這種控制策略時，如式（4）所示，功率和相移控制量之間為非線性關(guān)系。當控制量出現(xiàn)偏差時，雙向全橋DC-DC 變換器也會存在電壓電流偏差，降低功率分配精度，當混合儲能系統(tǒng)采用單相移控制策略時，會導致混合儲能系統(tǒng)的瞬態(tài)響應變慢，降低系統(tǒng)電能質(zhì)量。

在混合儲能系統(tǒng)中，要求儲能單元能夠時刻根據(jù)當前負載的需求，輸出相應功率。 因此，在混合儲能系統(tǒng)中采用了圖2 的拓撲結(jié)構(gòu)，將混合儲能拆分為多個控制系統(tǒng)，并研究了雙向全橋DC/DC1 變換器與DC/DC2變換器的模型預測算法， 并將模型預測算法引用到直接功率控制策略中，使蓄電池和超級電容器的吸收或釋放功率得到了合理化分配， 可滿足負載的功率需求，能夠在負載功率發(fā)生突變時，迅速響應，填補負載側(cè)功率缺口，實現(xiàn)了混合儲能系統(tǒng)的快速瞬態(tài)響應[4]。

2.3 混合儲能系統(tǒng)模型預測直接功率控制策略

混合儲能系統(tǒng)的模型預測直接功率控制策略其原理是根據(jù)雙向全橋DC/DC 變換器的瞬時功率進行瞬態(tài)分析，得到瞬態(tài)變量，并通過瞬態(tài)變量對下一周期的瞬時功率進行預測到的預測值，在下一周期到來時，控制變換器的實時傳輸功率接近預測值，減小功率誤差，使負載在發(fā)生變化時，儲能系統(tǒng)能夠迅速響應，為負載提供電能[5]。

根據(jù)蓄電池和超級電容的特點，可采用高通濾波器來為蓄電池和超級電容進行功率分配， 因此可設τ1為蓄電池供能比列系數(shù)，τ2為超級電容器比列系數(shù)。設Pscref為負載發(fā)生突變時超級電容分到的高頻功率分量，則可建立一階高通濾波器通用表達式為：

式中s—積分算子；Tf—一階高通濾波器時間常數(shù)。

當負載功率突然增加的時候，高通濾波器可給超級電容器給定負值功率，此時，超級電容器為吸收功率狀態(tài)。反正，當負載功率突降時，超級電容器釋放功率，其負載功率與給定功率之間的比值為：

因此，在系統(tǒng)出現(xiàn)功率波動產(chǎn)生暫態(tài)功率時，超級電容瞬態(tài)響應為系統(tǒng)提供動態(tài)能量。

基于模型預測控制思想，當系統(tǒng)引入功率誤差函數(shù)時，可對控制器1 與控制器2 進行協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，為了實現(xiàn)蓄電池預測功率Pbap與超級電容預測功率Pscp能夠隨著參考功率Pref實時變化，則建立功率誤差函數(shù)表達式為：

因此，當蓄電池和超級電容混合儲能系統(tǒng)將功率誤差函數(shù)引用到預測模型中，可以得到最優(yōu)相移控制量，當DC-DC 變換器采用最優(yōu)相移控制量時，混合系統(tǒng)各儲能單元能夠更好的實現(xiàn)功率合理化分配。提高了微電網(wǎng)電能質(zhì)量[6]。

3 混合儲能系統(tǒng)仿真分析

為驗證DC/DC 變換器采用單相移控制策略與模型預測直接功率控制策略時，蓄電池—超級電容混合儲能系統(tǒng)的功率分配和瞬態(tài)性能。本次仿真通過改變負載功率需求，來進行仿真測試，如圖4 所示將功率負載從1 440 W 突增到1 880 W 時的波形。

其中圖（a）為單相移側(cè)控制策略，通過仿真結(jié)果可知：當負載功率增大時，蓄電池和超級電容同時承擔負載的功率缺額。圖（b）為模型預測直接功率控制策略，通過仿真可知：超級電容能夠為負載瞬時突變造成的功率瞬時波動進行填補，而蓄電池則為提供持續(xù)性的電能。通過對比可知，模型預測直接功率控制策略可有效增加蓄電池壽命且能夠在負載發(fā)生突變時迅速響應，該策略能量分配較為合理。

圖5 為負載突增時兩種控制策略的系統(tǒng)電壓電流瞬態(tài)響應波形圖，圖5（a）為單相移側(cè)控制策略，通過仿真結(jié)果可知：系統(tǒng)電壓電流超調(diào)量為0.7 V，瞬態(tài)響應時間為0.2 s。 圖5（b）為模型預測直接功率控制策略，通過仿真可知：系統(tǒng)電壓電流超調(diào)量為0.5V，瞬態(tài)響應時間為0.0047 s，通過對比分析可知，模型預測直接功率控制策略超調(diào)量低，瞬態(tài)響應速度較快。

4 試驗驗證

通過以上的研究，搭建出一個實驗平臺，其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6，實驗樣機如圖7。

當實驗系統(tǒng)輸入電壓調(diào)制到50 V 時，其輸出電壓為40 V，當負載增大時，兩種控制策略實驗波形如圖8所示。其中8（a）為單相移控制策略，從實驗波形可知：系統(tǒng)瞬態(tài)響應時間為224 ms。圖8（b）為模型預測直接功率控制策略，從實驗波形可知：系統(tǒng)瞬態(tài)響應時間為24 ms。實驗結(jié)果表明，基于模型預測直接功率控制策略響應速度更快。 其結(jié)果與軟件仿真結(jié)果一致。 負載突增試驗見圖8。

5 結(jié)論

通過對混合儲能系統(tǒng)功率分配以及兩種不同控制策略的理論研究及實驗研究， 驗證了本文提出的基于模型預測直接功率控制策略比單移相控制策略響應速度更快， 并通過實驗驗證了其可行性。 但本文只針對了負載突增進行了實驗， 后續(xù)應當加入負載突降的實驗分析， 且應當考慮到變換器并聯(lián)的情況，后續(xù)應當進行MMC 模塊化多電平的研究。