计及线路电阻的直流微网混合储能系统电流分配控制策略

陈德彪， 蒋伟明， 刘海风， 高明明， 赵晋斌

（1. 上海烟草集团有限责任公司， 上海 200090； 2. 上海电力大学， 上海 200090）

0 引言

近年来， 各行业对环境保护和资源节约的呼声越来越高， 分布式发电如风力发电、 光伏发电由于其环保可持续特性， 受到了国内外专家学者的广泛关注[1-3]。 受自然条件的影响， 分布式电源存在间歇性与随机性的特点， 因此微电网需要配置相应的储能以弥补其功率缺额[4]。 不同的储能具有不同的功率密度、 能量密度、 响应时间和循环寿命， 如超级电容具有较快的响应速度、 较高的功率密度， 但其能量密度较低； 蓄电池响应速度较慢、 功率密度较低， 但其能量密度较高。 单一型储能无法兼具上述优良性能， 而混合型储能结合了高功率密度、 高能量密度及动态响应等特点， 可充分发挥储能的效率， 因此对混合储能的研究具有重要意义。

针对混合储能电流分配策略， 国内外专家学者提出了一系列解决方案。 文献[5]提出一种光伏－超级电容－蓄电池－电解槽混合发电系统功率协调控制策略， 在实现直流微电网有功功率平衡的前提下， 达到了维持直流母线电压稳定和平抑系统并网功率的目的， 提高了光伏利用率； 文献[6]中功率密度型储能在平抑功率波动过程中产生的能量差额由能量密度型储能补偿， 极大地减少了储能容量的配置； 文献[7]采用希尔伯特黄变换和低通滤波算法相结合的方式， 确定了初始滤波时间与其时间常数之间的变化规则， 较好地实现了功率波动的平抑作用； 文献[8]提出基于自适应变分模态分解的混合储能平滑光伏出力波动方法， 能够自适应地实现光伏出力的最佳分解及合理分配， 在有效减少光伏出力波动的同时， 避免储能元件出现冗余容量； 文献[9]中采用多目标非线性优化调度， 在调度过程中充分考虑了混合储能系统的寿命、 偏离校正以及充放电效率； 文献[11]提出一种基于虚拟电容下垂的分散型控制策略， 无需通信即可实现功率的动态分配。 然而，这些文献均未考虑线路电阻对混合储能系统电流分配的影响。

1 直流微电网系统结构与特点

直流微电网典型系统架构如图1 所示， 主要包括网、 源、 荷、 储4 个方面， 分别对应传统大电网、 分布式电源、 负荷和混合储能系统。

图1 直流微电网典型系统架构

直流微电网中的混合储能整合了能量密度型储能与功率密度型的各自优势（功率及能量密度高， 响应速度快， 使用寿命长）， 能够有效且经济地补偿直流微电网的瞬时功率波动。 分布式电源与负荷之间的瞬时功率差额可表示为：

式中： PHESS为混合储能系统的发出功率； PDG为分布式电源的输出功率；PLOAD为负荷所消耗的功率，其瞬时功率差额由混合储能系统来补偿。

2 储能系统传统下垂控制策略及其局限性

2.1 混合储能系统传统下垂控制策略

基于分布式电源的特点， 下垂控制的研究与应用较为广泛， 它无需通信线作为数据传输的中介， 仅需本地信息就能实现良好的控制， 极大提高了系统的可靠性及可扩展性能。 根据混合储能系统的特点， 传统控制方法基于混合储能系统的分频补偿特性， 提出了对蓄电池采用虚拟电阻下垂控制， 对超级电容采用虚拟电容下垂控制， 实现由蓄电池补偿低频功率波动， 超级电容补偿高频功率波动的控制策略。

2.1.1 能量密度型储能控制策略

能量密度型储能控制策略如图2 所示， 图中： Vref1为电压基准值； VoBat为蓄电池实际输出电压； IoBat为实际输出电流； ILBat为蓄电池侧变换器电感电流； Rd为下垂系数。

图2 能量密度型储能控制策略

蓄电池虚拟电阻下垂控制与传统直流微电网下垂控制一致， 可由式（2）表示：

4）物资供应渠道是物资采购管理的核心业务之一，在整个供应链管理中地位极其突出，相当于机械运转的源头。供应渠道选择的根本目标就是使物资从采购、租赁到入库的交货期最短、总成本最小、性价比最优、价值水平达到最佳水平。例如，企业可通过招投标方式与材料供应商建立长期合作关系，减少供与求的中间环节，通过向市场要“库存”，向供应商要“储备”，不仅可减少订货周期和谈判等造成的交易费用，减少资金占用成本，还不会给施工企业造成过多的库存压力，降低库存成本。

通常利用式（3）计算下垂系数：

式中： ΔVmax为能保证微电网稳定运行的直流母线电压最大波动范围； Imax为蓄电池输出的电流极限值。

2.1.2 功率密度型储能控制策略

功率密度型储能控制策略如图3 所示， 图中： VOUC为超级电容实际输出电压； Vref2为变换器输出电压基准值； IOUC为实际输出电流； ILUC为超级电容侧变换器电感电流； Cd为下垂电容； s为拉普拉斯变换算子。

图3 功率密度型储能控制策略

基于类似滤波器的设想， 虚拟电容下垂控制被广泛应用于超级电容当中， 虚拟电容下垂控制的输出电压与电流关系由式（4）给出：

传统分析中， 直流微电网规模较小时， 线路电阻一般远小于下垂系数， 故可将其忽略不计，则有Vref1=Vref2， 即均等于母线电压。

2.2 传统控制策略的局限性

根据2.1 小节混合储能系统的控制策略， 得出其等值电路如图4 所示， 图4 中包含单台蓄电池及单台超级电容。 为分析方便， 假设储能容量较大， 不存在SOC 低于下限值的问题， 能量密度型储能与功率密度型储能用理想电压源等效， 负载用理想电流源进行模拟。 Io为负载电流； Vbus为母线电压。 当忽略线路电阻Rline1和Rline2时， 可以得到：

图4 系统等效电路

为维持孤立直流微电网中母线电压的稳定，需满足供需平衡：

利用复频域分析方法， 联立式（2）、 式（4）—（6）可得到：

式中： IoBat（s）， IOUC（s）和Io（s）分别为蓄电池输出电 流、超级电容输出电流和负载电流的复频域表达式。

由式（7）可知， 蓄电池变换器及超级电容变换器输出分别添加了低通滤波器和高通滤波器，蓄电池仅需补偿瞬时功率波动的低频分量， 超级电容则仅需补偿瞬时功率波动的高频分量， 极大提高了储能的利用效率， 并有利于维持直流母线电压稳定。

然而， 随着分布式电源的发展及微电网的规模逐渐增大， 线路电阻不容忽略。 考虑线路电阻影响时， 结合图4， 同理可以推导出电流分配：

由式（8）可知， 考虑线路电阻影响时， 蓄电池与超级电容均参与补偿了瞬时功率波动的低频分量与高频分量， 极大降低了储能系统的运行效率及寿命， 严重时甚至会威胁直流微电网的稳定。

3 基于阻抗主动测量的改进下垂控制策略

以蓄电池为例， 本文所提改进下垂控制策略可由式（9）描述：

图5 改进下垂控制策略

采用改进下垂控制策略后， 电流分配公式为：

由式（10）可知， 当线路电阻辨识值接近其实际值时， 其表达式与不考虑线路电阻影响的表达式一致， 说明所提控制策略能够削弱线路电阻造成的不利影响， 有利于提高储能系统的利用效率及维持母线电压的稳定。

4 仿真验证

4.1 仿真参数

为验证所提控制策略的有效性和实用性， 在PSIM 中搭建了包含单台蓄电池和单台超级电容的混合储能仿真模型， 系统仿真参数见表1。 设定在0.45 s 时， 系统由轻负荷跳变为重负荷； 在0.65 s 时， 系统由重负荷突变为轻负荷。

表1 系统仿真参数

4.2 考虑线路电阻的传统控制策略仿真

传统控制策略的混合储能工作仿真波形如图6 所示。 由图6（a）可知， 在0.45 s 时系统负荷状态从轻负荷状态跳变为重负荷状态， 跳变瞬间，蓄电池承担了将近1/3 的瞬时功率波动高频分量， 超级电容没有充分发挥其优势， 同时蓄电池进行了不必要的放电， 影响蓄电池的使用寿命和整个储能系统的稳定运行。 在0.65 s 时， 系统负荷状态从重负荷状态跳变为轻负荷状态， 跳变瞬间， 由图6（b）仿真结果可知， 此时蓄电池承担了将近1/4 的瞬时功率波动高频分量， 超级电容同样没有充分发挥其优势， 同时蓄电池进行了不必要的充电， 也同样影响蓄电池的使用寿命和整个储能系统的稳定运行。

4.3 考虑线路电阻的改进控制策略仿真

改进控制策略的混合储能工作仿真波形如图7 所示。 由图7（a）可知， 在0.45 s 时， 系统负荷状态从轻负荷状态跳变为重负荷状态， 跳变瞬间， 蓄电池几乎没有承担瞬时功率波动高频分量，超级电容充分发挥其优势， 同时蓄电池没有进行不必要的放电， 提高了蓄电池甚至整个储能系统的使用寿命和运行稳定性。 在0.65 s 时， 系统负荷状态从重负荷状态跳变为轻负荷状态， 跳变瞬间， 由图7（b）可知， 此时蓄电池也几乎没有承担瞬时功率波动高频分量， 超级电容充分发挥其优势， 同时蓄电池没有进行不必要的充电， 同样提高了蓄电池甚至整个储能系统的使用寿命和运行稳定性， 尤其是在功率波动较为频繁的场景中，所提方法更具有实用性和经济价值。

图6 传统控制策略的混合储能工作仿真波形

图7 改进控制策略的混合储能工作仿真波形

5 结语

介绍了混合储能系统的结构特点及其传统控制策略的不足， 分析了线路电阻存在时对电流分配的影响， 提出了基于阻抗辨识的改进下垂控制策略。 通过虚拟电阻负反馈弥补线路电阻造成的影响， 当系统存在功率波动时， 功率波动的低频成分仅由蓄电池补偿， 而高频成分由超级电容补偿， 且控制策略无需利用通信， 提高了直流微电网的冗余性和稳定性， 更好地维持了直流微电网母线电压的稳定。 在PSIM 中搭建了包含单台蓄电池和单台超级电容的混合储能仿真模型， 验证了所提控制策略有效性和实用性。