胡治國(guó)，張磊沖，司少康，張磊磊，黃文帥

（1.河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南焦作 454003；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051；3.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002）

0 引言

近年來，隨著光伏等可再生能源在電力行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用，光伏單元輸出功率的間歇性和波動(dòng)性也成為影響電力系統(tǒng)運(yùn)行中電能質(zhì)量穩(wěn)定的重要因素[1-4]。通常在光伏發(fā)電系統(tǒng)中配置一定容量的混合儲(chǔ)能單元，提高系統(tǒng)供電可靠性[5-7]。

荷電狀態(tài)是影響混合儲(chǔ)能單元使用壽命的重要因素。由于光伏單元輸出功率具有波動(dòng)性，容易造成儲(chǔ)能單元在工作過程中出現(xiàn)過充或過放以及過熱等問題，縮短儲(chǔ)能單元的使用壽命[8-9]。因此，需要采取一些保護(hù)措施使儲(chǔ)能單元在工作過程中荷電狀態(tài)始終處于合理工作區(qū)間。

合理的儲(chǔ)能單元功率分配策略不僅能夠延長(zhǎng)儲(chǔ)能單元循環(huán)使用壽命，而且能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[10]提出采用小波包分解完成并網(wǎng)功率和混合儲(chǔ)能單元需求功率的分配，并采取保護(hù)措施避免儲(chǔ)能單元出現(xiàn)過充或過放情況。文獻(xiàn)[11-14]根據(jù)儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)將儲(chǔ)能單元?jiǎng)澐譃槎喾N工作模式，避免儲(chǔ)能單元出現(xiàn)過充和過放情況，但系統(tǒng)控制過程需要考慮儲(chǔ)能單元配合時(shí)可能出現(xiàn)的各種工作狀態(tài)。文獻(xiàn)[15-17]采用變分模態(tài)分解獲得混合儲(chǔ)能單元初級(jí)分配功率，并采用模糊控制對(duì)儲(chǔ)能單元參考功率進(jìn)行二次修正，達(dá)到平抑風(fēng)光發(fā)電功率波動(dòng)以及延長(zhǎng)儲(chǔ)能單元使用壽命的目的。但變分模態(tài)分解存在邊界效應(yīng)，對(duì)突發(fā)的信號(hào)處理能力較差，并且切換應(yīng)用對(duì)象時(shí)需要對(duì)模糊規(guī)則進(jìn)行調(diào)整。文獻(xiàn)[18-20]提出基于考慮超級(jí)電容荷電狀態(tài)的可變?yōu)V波時(shí)間常數(shù)儲(chǔ)能單元功率分配策略，雖然避免了超級(jí)電容出現(xiàn)過充或過放情況，但沒有對(duì)電池采取保護(hù)措施。文獻(xiàn)[21]采用基于自定義電壓變化率動(dòng)態(tài)改變下垂系數(shù)的方法，使儲(chǔ)能單元需要補(bǔ)償?shù)墓β实玫胶侠矸峙洌⑽纯紤]混合儲(chǔ)能單元可能出現(xiàn)過充或過放情況，影響儲(chǔ)能單元的使用壽命。

綜上所述，本文提出一種基于電壓下垂控制的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)改進(jìn)控制策略，通過采用超級(jí)電容穩(wěn)態(tài)功率修正策略以及基于混合儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)的能量管理策略，提高儲(chǔ)能單元使用壽命。

1 直流微網(wǎng)系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)框架

直流微網(wǎng)系統(tǒng)基本框架如圖1 所示，由分布式電源（光伏單元）、混合儲(chǔ)能單元（電池和超級(jí)電容）、直流負(fù)載及功率變換器等幾部分構(gòu)成。其中Ppv，Pb，Psc，Pload分別為光伏單元輸出功率、電池補(bǔ)償功率、超級(jí)電容補(bǔ)償功率、負(fù)載消耗功率。

圖1 直流微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of DC microgrid system

1.2 儲(chǔ)能單元傳統(tǒng)控制策略

在孤島狀態(tài)下，直流微網(wǎng)系統(tǒng)功率平衡為：

直流母線電壓與負(fù)載和光伏單元輸出功率差額之間存在以下關(guān)系：

由式（1）與式（2）可得：

式中：β為功率下垂系數(shù)；Udc為母線電壓測(cè)量值；Udcref為直流母線參考電壓；K為電壓下垂系數(shù)；Ihref為混合儲(chǔ)能單元參考電流。

基于電壓下垂控制的混合儲(chǔ)能單元控制策略如圖2 所示，其中Ibatref為電池參考電流，Iscref為超級(jí)電容參考電流，Ibat為電池端電流；Isc為超級(jí)電容端電流，Ubat為電池端電壓，LPF 為低通濾波器，PWM 為脈寬調(diào)制器。

圖2 混合儲(chǔ)能控制策略Fig.2 Hybrid energy storage control strategy

電池未補(bǔ)償?shù)墓β视沙?jí)電容承擔(dān)，此時(shí)超級(jí)電容參考電流為：

式中：fLPF為低通濾波函數(shù)；Usc為超級(jí)電容端電壓。

本文所采用的傳統(tǒng)功率分配策略中超級(jí)電容發(fā)揮著主導(dǎo)作用，不僅需要快速響應(yīng)系統(tǒng)波動(dòng)功率中的高頻分量，同時(shí)還補(bǔ)償由于電池反應(yīng)速度較慢而未能及時(shí)補(bǔ)償?shù)牡皖l分量[22-23]，從而提高儲(chǔ)能單元的控制策略的精準(zhǔn)度。

2 儲(chǔ)能單元改進(jìn)控制策略

儲(chǔ)能單元改進(jìn)控制策略如圖3 所示。其中Ssc為超級(jí)電容荷電狀態(tài)，Sscref為超級(jí)電容額定荷電狀態(tài)，Sb為電池荷電狀態(tài)，A為大于0 的修正系數(shù)。

圖3 儲(chǔ)能單元改進(jìn)控制策略Fig.3 Improved control strategy for energy storage unit

2.1 穩(wěn)態(tài)功率修正策略

基于超級(jí)電容荷電狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)功率修正策略通過檢測(cè)母線電壓變化率以及超級(jí)電容實(shí)時(shí)荷電狀態(tài)，在電池電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)中引入與超級(jí)電容荷電狀態(tài)有關(guān)的虛擬沖擊電流擾動(dòng)，使其作用于電池電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)，對(duì)超級(jí)電容輸出功率進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，使超級(jí)電容荷電狀態(tài)在經(jīng)過一段時(shí)間工作之后仍能恢復(fù)至額定值左右。虛擬沖擊電流IV數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：Ibatmax為電池最大工作電流；Iscmax為超級(jí)電容最大工作電流；C為母線電壓變化率閾值。

此時(shí)電池與超級(jí)電容參考電流變化為：

將式（8）代入式（5）可得：

由式（8）、式（9）可知，儲(chǔ)能單元放電時(shí)，若超級(jí)電容荷電狀態(tài)Ssc＞=Sscref，，則虛擬沖擊電流IV＜0，電池放電電流逐漸減小，超級(jí)電容放電電流逐漸增大，超級(jí)電容放電速度加快，此時(shí)超級(jí)電容荷電狀態(tài)逐漸向額定值恢復(fù)。儲(chǔ)能單元充電時(shí)，若超級(jí)電容荷電狀態(tài)Ssc＜Sref，，則虛擬沖擊電流IV＞0，電池充電電流逐漸減小，超級(jí)電容充電電流逐漸增大，超級(jí)電容充電速度加快，此時(shí)超級(jí)電容荷電狀態(tài)逐漸向額定值恢復(fù)。

2.2 能量管理策略

為避免電池出現(xiàn)過充或過放情況，本文提出一種基于混合儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)的能量管理策略，參考文獻(xiàn)[24-26]所提出的基于電池荷電狀態(tài)的功率分配策略中對(duì)電池荷電狀態(tài)工作區(qū)間的劃分方法，將電池荷電狀態(tài)劃分為5 個(gè)區(qū)域，分別為過度充電區(qū)（80%～100%）、限制充電區(qū)（70%～80%）、正常工作區(qū)（30%～70%）、限制放電區(qū)（20%～30%）、過度放電區(qū)（0～20%）。然后根據(jù)電池荷電狀態(tài)所處區(qū)域及充放電狀態(tài)，實(shí)時(shí)修正電池參考電流，達(dá)到延長(zhǎng)電池使用壽命的目的。

在超級(jí)電容荷電狀態(tài)處于正常工作區(qū)間的前提條件下，將超級(jí)電容和電池工作狀態(tài)分為以下幾種情況：

1）電池荷電狀態(tài)為Sb＜20%，則禁止電池放電，只允許其充電。

2）電池荷電狀態(tài)為20%＜=Sb＜30%，遵循“快充慢放”原則，超級(jí)電容穩(wěn)態(tài)功率修正策略處于待機(jī)狀態(tài)。

式中：m為大于0 的修正系數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)儲(chǔ)能單元容量的大小、功率波動(dòng)情況兩者綜合評(píng)定選??；Ibref為能量管理策略修正后電池參考電流。

3）若此時(shí)電池荷電狀態(tài)為30%＜=Sb＜70%，混合儲(chǔ)能單元正常工作，基于混合儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)的能量管理策略切換為待機(jī)狀態(tài)。

4）電池荷電狀態(tài)為70%＜=Sb＜80%，遵循“慢充快放”原則，超級(jí)電容穩(wěn)態(tài)功率修正策略處于待機(jī)狀態(tài)。

5）若電池荷電狀態(tài)為Sb＞=80%，則禁止電池充電，只允許其放電。

6）若超級(jí)電容荷電狀態(tài)不在正常工作區(qū)間，則基于混合儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)的能量管理策略切換為待機(jī)狀態(tài)。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink 中搭建獨(dú)立直流微網(wǎng)系統(tǒng)模型，對(duì)系統(tǒng)母線電壓、儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)及輸出功率的變化情況進(jìn)行仿真分析。模型主要參數(shù)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 Main system parameters

3.1 穩(wěn)態(tài)功率修正策略

在獨(dú)立直流微網(wǎng)仿真模型中，通過改變光伏單元輸出功率，使混合儲(chǔ)能單元工作在充電或者放電狀態(tài)，驗(yàn)證基于超級(jí)電容荷電狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)功率修正策略的有效性。

光伏單元輸出功率變化情況如圖4 所示。電池和超級(jí)電容初始荷電狀態(tài)均在正常工作區(qū)間，觀察超級(jí)電容工作在充電和放電狀態(tài)時(shí)優(yōu)化前后超級(jí)電容荷電狀態(tài)變化情況以及混合儲(chǔ)能單元輸出功率情況，驗(yàn)證超級(jí)電容穩(wěn)態(tài)功率修正策略的有效性。系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖4 光伏輸出功率Fig.4 Photovoltaic output power

圖5 穩(wěn)態(tài)功率修正策略仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of steady-state power correction strategy

圖5（b）中Vdc與Vdcref分別為母線電壓實(shí)測(cè)值與額定值。由圖5（d）可知，0.5 s 時(shí)超級(jí)電容快速補(bǔ)償系統(tǒng)差額功率，荷電狀態(tài)出現(xiàn)短暫下降。0.5 s 后在光伏輸出功率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，優(yōu)化前超級(jí)電容承擔(dān)的高頻功率分量中充電功率大于放電功率，超級(jí)電容在快速補(bǔ)償波動(dòng)功率后，荷電狀態(tài)整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

由圖5（a）可知，優(yōu)化后在超級(jí)電容穩(wěn)態(tài)功率修正策略的作用下，超級(jí)電容在工作過程中荷電狀態(tài)始終穩(wěn)定在額定值左右。

3.2 能量管理策略仿真分析

3.2.1 電池荷電狀態(tài)位于限制放電區(qū)

當(dāng)電池初始荷電狀態(tài)位于限制放電工作區(qū)間，超級(jí)電容初始荷電狀態(tài)位于正常工作區(qū)時(shí)，觀察優(yōu)化前后電池工作在充電和放電狀態(tài)時(shí)荷電狀態(tài)與母線電壓變化情況，仿真結(jié)果如圖6 所示。

圖6 電池限制放電區(qū)仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of battery limit discharge zone

由圖6（a）可知，電池荷電狀態(tài)在放電限制區(qū)時(shí)，在能量管理策略的作用下，遵循“快充慢放”的工作原則，減緩了電池荷電狀態(tài)到達(dá)過度放電臨界值的時(shí)間，延長(zhǎng)了電池使用壽命。

3.2.2 電池荷電狀態(tài)位于限制充電區(qū)

當(dāng)電池初始荷電狀態(tài)在限制充電工作區(qū)間，超級(jí)電容初始荷電狀態(tài)在正常工作區(qū)，觀察優(yōu)化前后電池工作在充電和放電狀態(tài)時(shí)荷電狀態(tài)與母線電壓變化情況，仿真結(jié)果圖7 所示。

圖7 電池限制充電區(qū)仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of dattery limit charging zone

由圖7（a）可知，電池荷電狀態(tài)在充電限制區(qū)時(shí)，在能量管理策略的作用下，遵循“慢充快放”的工作原則，減緩了電池荷電狀態(tài)到達(dá)過度充電臨界值的時(shí)間，延長(zhǎng)了電池使用壽命。

4 結(jié)語

獨(dú)立直流微網(wǎng)系統(tǒng)中混合儲(chǔ)能單元的使用壽命是影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一。本文以延長(zhǎng)混合儲(chǔ)能單元使用壽命為目標(biāo)，提出基于超級(jí)電容荷電狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)功率修正策略及基于混合儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)的能量管理策略。與傳統(tǒng)混合儲(chǔ)能單元控制策略相比，本文根據(jù)儲(chǔ)能單元工作特性所提的改進(jìn)措施能夠有效延長(zhǎng)儲(chǔ)能單元使用壽命，對(duì)于采用混合儲(chǔ)能技術(shù)平抑獨(dú)立直流微網(wǎng)系統(tǒng)功率波動(dòng)具有一定的參考價(jià)值。