有源并联混合储能系统多级电压控制研究

张静宇 高妍 张红娟 靳宝全

摘  要： 在超级电容和蓄电池的混合储能系统，如果功率分配不当，会造成储能系统充电电流振荡或过大。为此，提出一种以储能元件荷电状态为判断依据的功率分配方法，根据荷电状态确定分解层次，接着添加多级电压控制进行储能功率的初次分配，进一步通过多环PI控制和功率修正，有效抑制充电电流振荡和过充。最后，通过仿真验证了其控制方法的有效性。

关键词： 混合储能; 电压控制; 功率分配; 荷电状态; 功率校正; 仿真验证

中图分类号： TN876?34; TM910                  文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）06?0106?04

Research on multi?level voltage control of active parallel hybrid energy storage system

ZHANG Jingyu1， GAO Yan1， ZHANG Hongjuan1， JIN Baoquan2

（1. College of Electrical and Power Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China;

2. MOE Key Laboratory of New Sensor and Intelligent Control， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China）

Abstract： In the hybrid energy storage system of supercapacitor and battery， the current oscillation or excessive current during charging of the energy storage system may be happened， if the power is misallocated. Based on this， a power allocation method based on the state of charge of the energy storage component is proposed. The decomposition level is determined according to the state of charge， and then the multi?level voltage control is added for the initial distribution of energy storage power. Furthermore， the current oscillation and excessive current during charging are suppressed by means of the multi?loop PI control and power correction. The simulation experiments verify the effectiveness of the control method.

Keywords： hybrid energy storage; voltage control; power distribution; charged state; power correction; simulation verification

0  引  言

由于风力发电、太阳能发电、潮汐能发电等新能源供电方式经济环保，成为了电力系统研究热点，但其极易受环境等因素影响，容易造成直流母线功率不平衡，储能装置通过吸收波动功率，维持电力系统稳定运行，成为了解决电网功率不平衡的有效途径。蓄电池具有高能量密度特性而超级电容具有高功率密度特性，因此二者构成的混合储能系统由于经济与技术上的优势，被广泛认为是解决目前能量短缺问题的有效方法[1?3]。在混合储能系统中，通过对储能单元进行管理，实现蓄电池与超级电容之间能量流的控制，从而满足负载功率需求，延长储能单元循环寿命。因此，混合储能系统控制策略的研究具有深远的意义。

目前混合储能技术拓扑结构主要分为有源并联与无源并联两大类[4]，无源并联即蓄电池与超级电容不经过整流升降压而直接并联在直流母线两端，此方法结构简单，造价低，曾投入实践大量运用，但是可控性不理想，已逐步被淘汰。有源并联又分为半活性与全活性结构，半活性指蓄电池或超级电容有且只有一侧通过双向DC/DC与直流母线连接，无法保证直流母线电压稳定，且会对蓄电池造成大电流冲击。而在全活性拓扑中，蓄电池与超级电容可独立调控，控制精度与稳定性有明显提高，可充分发挥混合储能系统的优势[5]。

荷电状态（State Of Charge， SOC）指储能元件当前容量与其额定容量的比值，可以反应储能元件剩余容量，是储能元件安全高效管理的基础。针对供电系统中存在的能量回收与母线功率不平衡的问题，本文首先对混合储能系统中运行于充电模式时的双向DC/DC装置工作方式进行分析，然后根据各储能元件的荷电状态进行功率分配，并通过设置不同等级的母线电压阈值完成充电电流修正，同时添加多个PI环，控制PWM信号发生器偏移值dev以优化补偿效果。多值电压控制环节可以根据系统不同工况灵活调整储能元件充电电流并能满足各种模式无缝切换。在完成混合储能系统多充电模式控制研究的基础上，搭建了仿真模型并证明了该方案的有效性。混合储能控制原理框圖如图1所示。

1  基于储能元件SOC估算功率分配法

混合储能系统结构如图2所示，其由蓄电池、超级电容器与两个DC/DC双向变换器组成，将蓄电池与超级电容分别通过双向DC/DC连接到直流母线上，直流母线额定电压为UDC， 超级电容额定电压为USC，蓄电池额定电压为Ubat。本系统中双向DC/DC变换器选用半桥型非隔离双向DC/DC变换器，这种电路结构简单，采用器件少，控制容易，效率较高[6?7]。充电时根据蓄电池与超级电容状态进行操作，若两个储能元件都充满电，则DC/DC不进行能量传递，若有一个未充满，则对其进行充电。充电时，S1与S3闭合，S2与S4断开，通过S2与S4上的二极管续流，完成能量传递。

考虑到超级电容响应速度快，功率密度高且超级电容容量设置时保证在一个周期内可以回收全部回馈能量，能够抑制负载突变对直流母线造成的冲击等特点，较适用于变化频繁的工作环境，因而本系统中超级电容功率吞吐优先级高于蓄电池。以荷电状态作为分级依据，延长蓄电池使用寿命，增加系统稳定性，同时可以保证蓄电池两端电压波动较小，更好地稳定直流母线电压。本文将安时积分法与开路电压法相结合计算储能元件SOC，减少因单一方法造成的计算误差，蓄电池与超级电容均等效为一个理想电容与串联电阻的简化形式[8]，建立储能元件一阶模型，得电路方程为：

式中：[UOCt]为储能元件端电压;[R1]为等效串联电阻;[UCt]为理想电容电压，采用开路电压法将SOC（t0）与[UOCUN]进行拟合，计算初始SOC（t0）[9]：

式中，a，b为拟合系数，不同系统数值不同。

式中：[CN]为储能元件额定容量;i为充电电流。根据超级电容及蓄电池内部结构与性能设置相关控制参数，超级电容SOC上限为0.95，蓄电池SOC上限为0.8，如果蓄电池SOC大于0.8，则启动限功率保护。设限功率保护信号为Li，采用逻辑门电路，设置Li为控制PWM信号发生的最高级别，若Li=1，则限功率保护启动，PWM信号发生器停止工作，储能元件不进行充电;若Li=0，则限功率储能元件充电，根据dev改变PWM信号的占空比，保护元件不会过充。

采用与非、或非等逻辑门电路与SOC计算模型结合的方法（图示结果中SOC%为SOC×100%，物理意义与SOC相同），设计混合储能开环模型，完成功率吞吐分级控制，电感0.003 mH，直流侧电压48 V，双向DC/DC开关频率20 kHz，超级电容容量10 F，蓄电池额定容量6.5 A·h。超级电容充电优先级高于蓄电池，超级电容充电时蓄电池系统与母线断开，蓄电池充电时，超级电容系统与母线断开，分级控制结果如图3所示。

由图3结果可知，系统约在0.018 s停止向超级电容充电，此时超级电容SOC约在0.95，蓄电池进行充电工作，满足分级控制要求，但是超级电容与蓄电池充电电流达到额定充电电流的数倍，极易损坏储能元件，因此使用多级电压控制对充电电流进行修正。

2  储能元件多级电压控制与电流修正

系统运行过程中，母线功率波动频繁，若在波动功率过大的情况下充电电流较小，则会引起负载功率扰动，延长母线功率拨动时间;如果设置充电电流为某一较大恒定值，则会增大DC/DC功率消耗甚至损坏元器件，不利于达到能量回收的效果。因此针对超级电容与蓄电池充电电流添加电压等级控制，设置分级控制器，根据直流母线电压UDC以及储能元件内部状态判定充电电流参考值Iref，Iref与储能元件输出电流Ich之差经PI控制器产生PWM信号占空比实现储能元件充电控制，当负载突增时，减少母线电压功率波动的情况。

设U1，U2，…，Un为各级电压阈值，当母线电压从规定方向达到阈值后电压等级将会切换[10]，设置采样时间ΔT，同时添加电流限幅，对超级电容而言，避免超级电容充电时电流过大而引起母线电流波动，对蓄电池而言，则可以避免电压过低时充电电流过大。设IGBT通态时储能元件充电电流为i1，则可得Buck模式方程：

式中：L为储能电感;[UC]为理想电容瞬时电压;UDC为高压侧电压;R为储能元件等效串联电阻;R1为储能电感等效电阻，设IGBT通态时电流初始值为I10，解式（4）可得：

设IGBT处于断态时负载电流为i2，且初始时刻电流为I20，则可得Buck模式方程：

当电流连续时可得：

由式（7）可得Buck模式负载侧最大充电电流i10为：

为简化计算，推导得i20：

式中，t1=ton，将式（7）、式（8）用泰勒级数近似，可得：

式中，D为Buck电路占空比。由于超级电容允许大电流充电，因此超级电容充电时优先考虑DC/DC低压侧电流，以减少DC/DC损耗，而蓄电池电流应在额定电流i限制范围，因此蓄电池充电电流值为：

根据采集次数计算该等级内平均值I′，设置I′为该电压等级充电电流值，完成储能元件充电电流修正，延长系统使用寿命。

3  储能元件充电模式分析及控制

超级电容充电时，在超级电容本身电压初始状态时，根據电流修正值进行恒流充电，在充电进行到超级电容阈值状态时，充电方式转换为恒压充电，减少充电时间，保证超级电容内部温度维持在可控范围内，减少因温度引起容量不均衡情况的发生。蓄电池采用恒流充电，根据蓄电池的额定电流与DC/DC低压侧最大电流选择充电电流值，可以直接计算充电量并确定充电完成的时间。

系统正常运行于储能元件充电工作模式时双向DC/DC变流器工作于降压模式，添加触发网络与反馈网络，设置单元控制器，通过对储能系统的小信号建模，分别可以得到储能元件在Buck模式下变换器的传递函数Gid（s）和Gvi（s）：

采集超级电容的端电压和充电电流，以实现超级电容充电功率的控制，使其电压回到给定值，减少母线电压波动，在蓄电池之前吸收能量给蓄电池以缓冲时间。采集蓄电池充电电流，实现蓄电池的功率控制，维持母线电压功率平衡。蓄电池是高能量密度，低功率密度设备，设置蓄电池优先级低于超级电容，有利于延长蓄电池使用寿命，提高经济效益。储能元件充电控制原理如图4所示。