混合储能系统的动态比例功率分配控制策略

张芳，张红娟，高妍，杨磊，靳宝全

（1.太原理工大学电气与动力工程学院，山西太原 030024；2.太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，山西太原 030024）

由于资源匮乏和环境污染等问题，近年来储能技术受到越来越多的关注[1]。蓄电池能够存储低频信号的能量，但仍有一些弱点，如低温下工作能力弱、循环寿命短、功率密度低[2]。超级电容器具有功率响应快、功率密度高和循环能力强的特点，因此被广泛地应用在大功率场合[3-4]。但是要想实现超级电容器的突破性发展还需进一步解决能量密度低的问题。而混合储能系统把两个互补的储能元器件相结合，能够在提高储能能力的同时，提高功率密度[5]。此外，还可以保护蓄电池免受峰值功率和负载波动的影响，延长其使用寿命，从而进一步提高系统的存储效率[6-7]。

考虑到储能器件功率和容量有限，必须通过控制器对其进行调控[8]。通过在储能系统中的每个储能器件和直流母线之间放置双向DC/DC 变换器，能量可以被双向调控。储能系统存储能量时不仅可以回收直流母线多余能量，而且可以减小和缓冲直流母线能量聚集造成的波动。释放能量时，可以在给负载补充能量的同时，弥补直流母线电压过低造成的电机故障停机现象。但是这增加了系统架构的复杂性，需要一种可靠的功率管理控制策略进行协调或优化管理来达到最优的充放电效率[9]。基本原理是根据超级电容器或蓄电池电流、电压以及荷电状态，按照负载变化的需求对系统中所有储能装置进行功率分配，使系统高效稳定运行[10]。因此，本文设计了基于交错并联式双向DC/DC 控制器的混合储能系统功率管理控制策略，通过动态方法调节蓄电池和超级电容器之间的功率分配比，并根据负载能量估计超级电容器和蓄电池的电流参考值。最后通过对阶跃负载的不同运行工况进行仿真，验证了控制策略的有效性和稳定性。

1 混合储能系统模型

图1为混合储能系统结构图。

图1 混合储能系统结构图Fig.1 Structural diagram of hybrid energy storage system

该系统主要由蓄电池、超级电容器、双向DC/DC 变换器、变频器和异步电机组成。电机负载通过逆变器连接到直流母线。蓄电池和超级电容器，分别通过双向DC/DC 变换器并接到直流母线上，使得功率可以双向流过储能元件。双向DC/DC 变换器采用两相交错并联结构，即开关管Q1，Q3，Q5，Q7与Q2，Q4，Q6，Q8的导通角分别相差180°，以减小电流纹波。两上管导通和两下管导通分别对应于变换器的Buck模式和Boost模式。

2 功率管理控制方案

为了提高功率管理控制的性能，提出了以下三个目标：1）混合储能系统应保持内部的功率平衡；2）混合储能系统应能实现不同系统之间的能源共享；3）混合储能系统应能够跟踪负载能量要求，减轻负载的功率输出和波动。

2.1 功率管理控制策略

根据以上目标建立了混合储能系统的功率管理控制策略的基本结构图，如图2所示。

图2 混合储能系统的功率管理控制策略Fig.2 Power management control strategy for hybrid energy storage system

图2 中，开关小于0 代表降压模式，开关大于0 代表升压模式。该控制系统由一个外层功率控制回路和一个内层电流控制回路（蓄电池和超级电容器各1 个）组成。其中外层功率控制回路负责控制超级电容器和蓄电池之间的功率流，通过保护模块和外部功率分配模块调节蓄电池和超级电容器之间的功率分配比来满足负载多变性和冲击性的要求，减小直流母线电压波动对系统性能的影响。内层电流控制回路中，超级电容器和蓄电池的输出电流均取决于负载功率，使得超级电容器的充放电电流是由蓄电池的充放电电流动态决定的。蓄电池的电流回路采用恒流控制模式；而超级电容器的电流回路以功率跟踪模式将充放电电流控制在动态调整的参考值上，该值取决于超级电容器电压、蓄电池电流与负载功率。因此，负载能量由蓄电池和超级电容器按照一定的模式共享。交错模式下，PWM调制模块在高频开关频率下相移180°，以便在两个分支之间平均分配功率流。

蓄电池和超级电容器的功率表达式分别为

式中：Pbatt，Ebatt，ibatt，Rbatt，uo，ubatt分别为蓄电池的功率、平衡电势、电流、等效内部电阻、等效电容电压和端电压；Psc，Rsc，isc，uc，usc分别为超级电容的功率、等效内部电阻、电流、等效电容电压和端电压。

超级电容器和蓄电池功率分配的表达式分别为

式中：PHESS为混合储能系统的总功率；λ为功率分配比系数，0≤λ≤1。

混合储能系统的效率表达式为

为了允许应用更小、更经济的双向DC/DC 变换器，并避免超级电容电流过高而导致传导损耗增加的问题，其荷电状态的最佳工作区间设置在0.5～1，如下式：

为了避免蓄电池过度充电，其荷电状态的最佳工作区间设置在0.2～0.9，如下式：

式中：Usc，max，Ubatt，max分别为超级电容器和蓄电池的最大电压值；ηsc，c，ηsc，d分别为超级电容器充、放电效率值；ηbatt，c，ηbatt，d分别为蓄电池的充、放电效率值；Cbatt，Csc分别为蓄电池和超级电容的等效电容；SOCsc，SOCbatt分别为蓄电池和超级电容的荷电状态。

2.2 动态比例功率分配控制策略

通过结合负载功率，超级电容器和蓄电池的荷电状态得到混合储能系统的功率管理控制框图，如图3所示。图3中，PL为负载功率。

图3 混合储能系统在Buck模式下的功率管理控制框图Fig.3 Block diagram of power management control for hybridenergy storage system in the Buck mode

在不同的负载功率需求下，可以动态选择不同的功率分配比。本文以Buck模式为例。

状态A：当超级电容器的端电压Usc

状态B：当负载变化（增大）时，通过动态改变功率分配比使得高再生制动能量被有效地馈送到超级电容器。当超级电容器的端电压Usc＜Usc，max，蓄电池的荷电状态SOCbatt＜SOCbatt，up时，减小蓄电池分配的功率，即减小功率分配比λ，蓄电池仍以不变的动力按照恒流充电模式进行充电。将状态A 中isc控制模式下的电流参考值与直流母线侧额外的再生能量所需电流值之和设置为超级电容器的电流参考值isc，ref。当超级电容 器 的 端 电 压Usc＜Usc，max、蓄 电 池 的 荷 电 状 态SOCbatt=SOCbatt，up时，超级电容器采用功率跟踪控制模式充电直到Usc=Usc，max，储能装置退出运行，此时，Psc=0。

由于负载突变前后蓄电池功率保持不变，得到功率分配比关系为

式中：λ1，λ2分别为负载突变前、后的功率分配比，PHESS1，PHESS2分别为负载突变前、后混合储能系统的总能量。

系统损失的总能量为

3 仿真验证

为了验证动态比例功率分配控制策略的性能，在混合电源环境下进行Matlab 建模仿真。交流异步电机通过逆变器连接到直流母线上，蓄电池和超级电容器作为能量缓冲器，存储瞬态能量和峰值功率，这两个储能装置通过两个相应的双向DC/DC变换器连接到直流母线上。混合储能系统的模型参数如下：超级电容器的额定电压为220 V，最大充放电电流为30 A，额定电容为1.6 F；蓄电池的额定电压为220 V，最大输出电流为20 A，额定容量为24 A·h。

通过仿真对三相异步电机的制动（或电动）状态进行模拟，电机运行工况为：0～7 s 电机处于制动（或电动）状态，在3 s 时，负载转矩TL发生突变。考虑到在实际应用中，蓄电池的电流值应小于10%的容量，其电流参考值设定在0～2.4 A。考虑到超级电容器的能量转换效率和额定电压，其电压的范围应在100～220 V。因此，在仿真过程中，超级电容器的充电（放电）电压初始值预先设定为100 V（200 V）。此时超级电容器的端电压0.5Usc，max≤Usc

混合储能系统加入动态比例功率分配控制时，根据式（3）计算得出负载突变前功率分配比的取值范围：0≤λ1≤0.63。由于蓄电池的充电效率与功率成正比[11]，超级电容器的充电电流与效率成反比，所以λ1=0.63时充电效率较高。

图4为动态比例功率分配控制策略和传统的控制策略的充电仿真对比波形图，传统的控制策略即混合储能系统在充电过程中未加入动态比例功率分配控制。由图4 可知，采用本文的控制策略，蓄电池的充电电流始终保持在2.4 A；而采用传统的控制策略，负载增加后，蓄电池的充电电流从1.2 A 增加到2.4 A，如图4a 所示。超级电容器以功率跟踪方式进行充电，如图4b所示。采用传统的控制策略，蓄电池的峰值电流始终处于合理的控制范围内，但蓄电池没有达到其最佳电力工作状态。而且由于整个充电过程中功率分配比无法动态改变，负载突增的情况下，超级电容器不能存储全部的再生制动能量，将导致蓄电池的电流突然加大，最终影响其使用寿命。混合储能系统各部分功率如图4c所示，在1～3 s期间，混合储能系统总功率为665 W，3 s 后负载增加时，混合储能系统的总功率增加到1 275 W。在传统的控制中负载突变时，蓄电池必须迅速承担部分功率波动带来的瞬时应力，超级电容器也没有充分发挥其作用。采用本文的控制，负载突变后功率分配比由0.63 动态调节为0.33，超级电容器承担了负载全部的功率波动。较传统的控制策略，混合储能系统的充电效率提高了0.8%。图4d 为动态比例功率分配控制中系统能量损失和功率分配比的关系图，Wloss，min为传统的控制策略下最小的能量损失，当0.51≤λ1≤0.63 时采用本文控制策略的系统能量损失均小于传统的控制策略。

图4 动态比例功率分配控制和传统控制的充电仿真对比波形图Fig.4 Comparison of charging simulation waveforms of dynamic proportional power distribution control and traditional control

图5为动态比例功率分配控制和传统的控制的放电仿真对比波形图。

图5 动态比例功率分配控制和传统的控制的放电仿真对比波形图Fig.5 Comparison of discharging simulation waveforms of dynamic proportional power distribution control and traditional control

在动态比例功率分配控制中，应当提高超级电容器的放电功率，以便为下一次存储负载的峰值功率做准备，同时考虑系统的能量损失与功率分配比成反比，实验选取λ1为0.51，此时蓄电池的放电电流保持在1.9 A 附近。而采用传统的控制策略时，负载增加，蓄电池的放电电流从1 A 突增到1.9 A，如图5a 所示。超级电容器以功率跟踪方式进行充电，如图5b所示。混合储能系统各部分功率如图5c所示，混合储能系统的总功率由665 W 增加到1 275 W。采用动态比例功率分配控制，负载突变后功率分配比由0.51 动态调节为0.26。较传统的控制策略，混合储能系统的放电效率提高了0.75%。

因此，在负载突变情况下采用动态比例功率分配控制时，超级电容器输出功率响应更快，混合储能系统能量损失更少，充放电效率更高。而且蓄电池能够保持在给定条件下工作，超级电容器在负载出现峰值功率时可以快速调整工作状态，及时存储剩余电力，从而提高了系统稳定性。

4 结论

本文针对电机负载突变工况下系统性能下降的问题，提出了一种动态比例功率分配控制策略。基于混合储能系统中储能元件运行状态，推导出了负载能量利用关系式，设计了动态调节蓄电池和超级电容器功率分配比的方案。在Matlab环境下通过阶跃负载验证了该策略的有效性。仿真结果表明，超级电容器能够承担负载快速波动的峰值功率，从而减少了蓄电池电流的波动，有效延长其使用寿命。因此在大功率场合，采用混合储能技术并动态调控功率分配比能够在保证系统稳定的同时提高充放电效率。