一种适用于光伏并网混合储能系统的功率分配策略

米根锁，穆艳停



一种适用于光伏并网混合储能系统的功率分配策略

米根锁，穆艳停

（兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070）

针对光伏并网系统中光伏微电源出力的波动性和间歇性，将蓄电池和超级电容器构成的混合储能系统HESS（hybrid energy storage system）应用到光伏并网系统中可以实现光伏功率平滑、能量平衡以及提高并网电能质量。在同时考虑蓄电池的功率上限和超级电容的荷电状态（SOC）的情况下，对混合储能系统提出了基于超级电容SOC的功率分配策略；该策略以超级电容的SOC和功率分配单元的输出功率作为参考值，对混合储能系统充放电过程进行设计。超级电容和蓄电池以Bi-direction DC/DC变换器与500 V直流母线连接，其中超级电容通过双闭环控制策略对直流母线电压进行控制。仿真结果表明，所提功率分配策略能对混合储能系统功率合理分配，而且实现了单位功率因数并网，稳定了直流母线电压。

光伏发电；蓄电池；超级电容；荷电状态；功率分配策略

随着可再生能源的不断发展，装机容量的逐渐增大，发展含分布式能源的直流微网技术已成为研究热点[1-2]。但是，由于一天中太阳光的辐射度和天气的温度变动不定，光伏微电源出力的波动性和间歇性等问题对直接接入电网造成一定的影响，需要配置一定容量的储能装置来解决这一问题[3-5]。

储能装置一般分为能量型和功率型，能量型中常用的是蓄电池，功率型中常用的是超级电容[6]。由蓄电池和超级电容组成的混合储能系统可以充分利用二者的互补特性来满足光伏并网系统对储能的需求[7-10]。文献[11-12]关于光伏-蓄电池并网的控制策略和能量管理做了研究，但对超级电容器与蓄电池二者混合接入光伏并网系统弥补波动功率并没有作进一步的研究。文献[13]在与大电网隔离的情况下，将蓄电池和超级电容器按照有源结构组成混合储能系统与直流母线连接，然后，其与微网之间经过能量双向流动对系统功率平衡与稳定进行控制，但是对并网情况下混合储能的充放电情况没有进行研究。文献[14-15]对低通滤波法在进行功率分配时存在滤波时间常数难以计算的问题，就蓄电池与超级电容提出一种由超级电容SOC来决定二者如何合理分配功率的思路，通过仿真和实验证明了新提出的方法在处理典型周期性功率波动方面的优势，但是，在超级电容荷电状态处于优势充放电时，并没考虑蓄电池是否处于寿命最佳状态。

本文在文献[14-15]的基础上，首先将混合储能应用到光伏并网系统中，完成功率补偿。然后，把蓄电池的功率和超级电容的SOC作为变量对象，对此提出了基于超级电容SOC的功率分配策略，在此基础上也对蓄电池和超级电容充放电的控制过程进行了设计。

1 基于HESS的光伏并网发电系统结构

图1为基于HESS的光伏并网发电系统结构，该结构由3部分组成：①光伏阵列和Boost升压变换器，这部分的作用是实现电压升压，同时采用最大功率点跟踪（MPPT）控制实现光能的最大利用；②DC/AC逆变器和滤波装置的并网部分用以实现直流到交流电压的逆变；③Bi-direction DC/DC变换器连接的混合储能部分，此部分由用于匹配光伏发电功率和并网功率之间的不平衡，通过所提功率分配策略对偏差功率进行合理、有效的控制。

图1中，ref为参考功率，pv为光伏电池阵列在光照强度变化下经MPPT控制输出的功率；grid为经混合储能系统吞吐波动功率后的实际并网功率，bat、sc分别为蓄电池侧和超级电容侧的功率，则直流母线的功率平衡方程如式(1)所示

图1 基于HESS的光伏并网发电系统结构

当功率ref为正时，混合储能放电；为负时，混合储能充电。

2 混合储能系统的功率分配及控制

2.1 混合储能系统功率分配

考虑蓄电池的功率上限和超级电容的荷电状态（SOC），对混合储能系统提出了基于超级电容SOC的功率分配策略，即bat=(SOCsc)。传统的(SOCsc)函数形式[15]是单调递减的带有上下限的线性函数，如图2所示。但是，在图2中蓄电池参考功率batref与超级电容SOC交界处，其荷电状态在遇到波动性较大的光伏发电功率时，造成蓄电池参考功率在充放电状态来回切换，这样使蓄电池的使用寿命大大降低。为了充分利用超级电容循环寿命长的优点，将传统的基于超级电容SOC的功率分配策略进行改进，改进后的功率分配策略如图3所示。图3中在超级电容SOC处于优先充放电区时，完全由超级电容进行充（放）电来吸收（提供）光伏发电并网所产生的功率波动。当功率参考指令ref为正值时电路放电，为负值时电路充电，况且当超级电容SOC接近上（下）限时，蓄电池的参考功率将会增大，承担更多的功率，并且在系统放电情况下，超级电容优先达到放电极限时，蓄电池会给其充电。因此，改进后的功率分配策略能够使超级电容SOC不超过其上下限的范畴，这样超级电容就不会出现过充、过放现象。

超级电容SOC的阀值分类如图4所示，图中将超级电容SOC分为5个区间，这5个区间分别是过放区间、蓄电池放电调节区间、超级电容优先充放电区间、蓄电池充电调节区间、过充区间。SOCsc_u和SOCsc_d分别为超级电容优先充放电区的上限和下限；SOCsc_max为蓄电池充电调节区间与过充区间的临界值；SOCsc_min为蓄电池放电调节区间与过放区间的临界值。当SOC处于超级电容优先充放电区[SOCsc_u，SOCsc_d]时，只有超级电容工作在充放电状态，蓄电池不工作；当SOC处于[SOCsc_min，SOCsc_d]和[SOCsc_u，SOCsc_max]时，蓄电池的参考功率根据超级电容SOC的变化而设定；当SOC处于过放区[0，SOCsc_min]和过充区[SOCsc_max，100%]时，限定蓄电池充放电功率，防止超级电容过充过放。

图2 传统的Pbatref-SOCsc曲线

图3 改进的Pbatref-SOCsc曲线

图4 超级电容SOC的阀值分类图

式(2)、式(3)分别为图2和图3曲线所对应的公式，其中max为ref绝对值的上限；batref和scref分别为超级电容和蓄电池的功率指令。

2.2 混合储能系统控制

在对混合储能系统进行功率分配时，将光伏发电功率与并网功率做差得到总的充放电参考功率ref，将ref与超级电容的SOC作为输入通过公式(3)进行功率分配分别得到蓄电池和超级电容的充放电参考功率batref与scref，然后蓄电池与超级电容的充放电参考功率除以相应储能元件各自所对应的端电压得到其充放电参考电流batref与scref。其中，batref与反馈电流L作比较由PI控制器调节其偏差，经PWM脉宽调制产生占空比对蓄电池进行充放电控制。而超级电容由于采用双闭环控制策略（即电压外环、电流内环）不仅要按照功率分配给定scref进行充放电，而且还要稳定直流母线电压。参考电压dcref与实时直流母线电压dc作差，经PI补偿后与scref和反馈电流L作比较由PI控制器调节，经PWM脉宽调制产生占空比对超级电容进行充放电控制。其充放电控制框图如图5所示。

图5 混合储能系统基于超级电容SOC的功率分配策略的充放电控制框图

3 仿真分析

为了验证蓄电池与超级电容混合储能系统对光伏并网发电系统功率波动的平滑作用以及所提的基于超级电容SOC的功率分配策略的有效性，利用Matlab/Simulink仿真软件进行仿真分析，搭建了如图1所示结构的仿真模型。参数设置：光伏电池阵列在标况（=1 000 W/m2、=25 ℃）下，其开路电压和最大功率点电压分别为370 V和350 V，短路电流和最大功率点电流分别为73.5 A和71.6 A；交流并网点相电压、电网频率为220 V、50 Hz；直流母线参考电压为500 V；根据光伏波动功率及并网功率设定混合储能系统的功率上限max为5000 W；超级电容SOC阀值中SOCsc_min、SOCsc_d、SOCsc_u、SOCsc_max的参数分别为35%、40%、50%、60%。在选择蓄电池种类时考虑铅酸蓄电池是因为在电力系统中它是使用时间最长，技术也最成熟的电池种类。表1就是铅酸蓄电池和超级电容的参数表。

表1 铅酸蓄电池和超级电容参数表

在进行仿真时，光照强度变化、光伏发电功率波动、并网功率以及储能系统整体吞吐功率曲线分别如图6(a)～6(d)所示。图中b-sc为混合储能系统整体提供和吸收的功率。图6(b)中光伏电池发电功率随着光照强度的变化出现不同程度的波动，为了消除波动实现恒功率并网，混合储能系统对此进行了抑制，当功率为负时，混合储能充电；当功率为正时，混合储能放电。

混合储能系统通过功率分配策略得到的功率曲线图以及其荷电状态的变化图如图7所示，b为蓄电池所分配的功率；sc为超级电容所分配的功率；SOC（蓄电池）、SOC（超级电容）分别为蓄电池的荷电状态和超级电容的荷电状态。图7(a)和7(b)中显示了基于超级电容SOC功率分配策略的有效性，在0～2 s时间内，超级电容与蓄电池共同充电来吸收光伏发电系统并网多余的功率。其中，在1.3 s时，由图7(c)中可以看出超级电容的SOC增长到60%，按照功率分配策略超级电容优先达到其SOC充电上限，此刻开始完全由蓄电池承担充电功率。2.0～3.0 s以后光伏发电无法满足并网功率需求，需要混合储能放电来满足需求。从图7(d)中可以看出，在3.0～5.1 s时超级电容SOC处于优先充放电区，蓄电池不参与功率分配，完全由超级电容进行放电来提供功率需求。在5.1～8.0 s这段时间内，超级电容SOC处于蓄电池放电调节区间，超级电容和蓄电池共同放电来弥补并网功率的不足。由于超级电容连续放电，在8.1 s时其荷电状态达到了放电下限35%，为了防止其过放，蓄电池同时放电为超级电容充电。8.5～10 s期间由混合储能共同充电吸收多余的并网功率。

图6 功率波动及储能平滑曲线

图8 并网A相的电压电流

图9 直流母线电压

混合储能对整个系统运行起到了至关重要的作用：①平衡了并网的功率；②稳定直流母线电压。从平衡并网功率而言，以光伏并网发电系统A相电压和电流为例，从图8中可以明显看出，光伏并网的电压和电流都显示出其波形正弦度高、谐波小、功率因数为1的特征，也实现良好的并网要求。同时，图9也显示了混合储能对直流母线的稳压作用。

4 结 论

针对平抑间歇性光伏微电源的出力波动，本文研究了超级电容/蓄电池混合储能系统，并提出了一种基于超级电容SOC的功率分配策略，该策略将根据超级电容荷电状态反馈调节蓄电池充放电，达到延长蓄电池使用寿命的目的。仿真结果表明，该策略在弥补光伏发电功率波动时，能够合理分配蓄电池和超级电容的功率需求，而且限制了超级电容SOC的越限，使其始终维持在正常范围内。同时，蓄电池的充放电次数得到了减少，其使用寿命也得到了延长。而且也实现了光伏发电的单位因数并网和直流母线电压的稳定。下一步工作将在实际工程中进行所提功率分配策略的验证，并对混合储能系统作进一步研究和探讨。

[1] 孟润泉, 刘家赢, 文波, 等. 直流微网混合储能控制及系统分层协调控制策略[J]. 高电压技术, 2015, 41(7): 2186-2193.

MENG Runquan, LIU Jiaying, WEN Bo, et al. Control strategy of hybrid energy storage and hierarchical control of DC microgrid[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(7): 2186-2193.

[2] 李培强, 段克会, 董彦婷, 等. 含分布式混合储能系统的光伏直流微网能量管理策略[J]. 电力系统保护与控制, 2017, 45(13): 42-48.

LI Peiqiang, DUAN Kehui, DONG Yanting, et al. Energy management strategy for photovoltaic DC microgrid with distributed hybrid energy storage system[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(13): 42-48.

[3] 张卫东, 刘祖明, 申兰先. 利用储能平抑波动的光伏柔性并网研究[J]. 电力自动化设备, 2013, 33(5): 106-111.

ZHANG Weidong, LIU Zuming, SHEN Lanxian. Study of photovoltaic flexible grid connection using energy storage to suppress fluctuations[J]. Electric Power Automation Equipment, 2013, 33(5): 106-111.

[4] 邱培春, 葛宝明, 毕大强. 基于蓄电池储能的光伏并网发电功率平抑控制研究[J]. 电力系统保护与控制, 2011, 39(3): 29-33.

QIU Peichun, GE Baoming, BI Daqiang. Study on power grid suppression control of photovoltaic grid-connected generation based on battery energy storage[J]. Power System Protection and Control, 2011, 39(3): 29-33.

[5] 李凡, 张建成. 基于储能系统的光伏发电系统功率缓冲控制研究[J]. 储能科学与技术, 2013, 2(6): 593-597.

LI Fan, ZHANG Jiancheng. Research on power buffer control of photovoltaic power generation system based on energy storage system[J]. Energy Storage Science and Technology, 2013, 2(6): 593-597.

[6] 陈雪丹, 陈硕翼, 乔志军, 等. 超级电容器的应用[J]. 储能科学与技术, 2016, 5(6): 800-806.

CHEN Xuedan, CHEN Shuoyi, QIAO Zhijun, et al. Application of supercapacitors[J]. Energy Storage Science and Technology, 2016, 5(6): 800-806.

[7] 张纯江, 董杰, 刘君, 等. 蓄电池与超级电容混合储能系统的控制策略[J]. 电工技术学报, 2014, 29(4): 334-340.

ZHANG Chunjiang, DONG Jie, LIU Jun, et al. Control strategy of hybrid energy storage system with battery and super capacitor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(4): 334-340.

[8] 李逢兵, 谢开贵, 张雪松, 等. 基于锂电池充放电状态的混合储能系统控制策略设计[J]. 电力系统自动化, 2013, 37(1): 70-75.

LI Fengbing, XIE Kaigui, ZHANG Xuesong, et al. Control strategy design of hybrid energy storage system based on state of charge and discharge of lithium battery[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(1): 70-75.

[9] 郭亮, 贾彦, 康丽, 等. 一种蓄电池和超级电容器复合储能系统[J]. 储能科学与技术, 2017, 6(2): 296-301.

GUO Liang, JIA Yan, KANG Li, et al. A battery and super capacitor composite energy storage system[J]. Energy Storage Science and Technology, 2017, 6(2): 296-301.

[10] DOUGAL R A, LIU S, WHITE R E. Power and life extension of battery-ultracapacitor hybrids[J]. IEEE Trans on Components and Packaging Technologies, 2002, 25(1): 120-131．

[11] ABDERRAHIM T, SAID B. Control and management of grid connected PV-battery hybrid system based on three-level DCI[C]//International Conference on Systems and Control. 2017: 439-444.

[12] 高志强, 孟良, 梁宾, 等. 光储联合发电系统控制策略[J]. 储能科学与技术, 2013, 2(3): 300-306. GAO Zhiqiang, MENG Liang, LIANG Bin, et al. Control strategies for a photovoltaic-energy storage hybrid system[J]. Energy Storage Science and Technology, 2013, 2(3): 300-306.

[13] 张国驹, 唐西胜, 齐智平. 超级电容器与蓄电池混合储能系统在微网中的应用[J]. 电力系统自动化, 2010, 34(12): 85-89.

ZHANG Guoxi, TANG Xisheng, QI Zhiping. Application of hybrid energy storage system with super capacitor and battery in microgrid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(12): 85-89.

[14] 常丰祺, 郑泽东, 李永东. 一种新型混合储能拓扑及其功率分流算法[J]. 电工技术学报, 2015, 30(12): 128-135.

CHANG Fengqi, ZHENG Zedong, LI Yongdong. A new hybrid energy storage topology and its power shunting algorithm[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(12): 128-135.

[15] 丁若星, 肖曦, 王奎, 等. 混合储能系统基于荷电状态的功率分配方法[J]. 电力电子技术, 2015, 49(3): 25-26+29.

DING Ruoxing, XIAO Wei, WANG Kui, et al. Power allocation method based on state of charge in hybrid energy storage system[J]. Power Electronics, 2015, 49(3): 25-26+29.

A power allocation strategy of a hybrid energy storage system for a PV grid-connected system

MI Gensuo,MU Yanting

(School of Automation & Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, Gansu, China)

A battery-supercapacitor hybrid energy storage system (HESS) is applied to a PV grid-connected system to deal with fluctuation and intermittency of the PV microgrid to achieve smooth photovoltaic system power output, balance and improve grid power quality. Considering the upper limit of the battery power and the state of charge (SOC) of the supercapacitor, a power distribution strategy is proposed for the hybrid energy storage system. The strategy uses the SOC of the supercapacitor and the output of the power allocation unit as a reference value to design the hybrid energy storage system charge and discharge processes. The supercapacitor and the battery are connected to the 500 V DC bus using a Bi-direction DC/DC converter. The supercapacitor controls the DC bus voltage through a double closed-loop control strategy. The simulation results show that the proposed power allocation strategy can rationally distribute the power of the hybrid energy storage system, achieve the grid connection of unit power factor and stabilize the DC bus voltage.

photovoltaic power generation; battery; super capacitor; state of charge; power distribution strategy

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0054

TM 615

A

2095-4239（2018）04-0726-06

2018-04-08；

2018-04-25。

国家自然科学基金项目（51667013）。

米根锁（1966—），男，教授，研究方向为计算机测控技术及应用，E-mail：18219715303@163.com。