基于混合储能的船用光伏微电网控制策略研究

汪永鑫，许媛媛，2，徐茂栋，贾宝柱，2

（1.广东海洋大学 海运学院，广东 湛江 5 2 4 0 0 5；2.南方海洋科学与工程广东省实验室，广东 湛江 524006）

0 引 言

中国正积极推进绿色低碳发展，承诺力争2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和[1-2]。交通运输行业是推动绿色发展，实现碳达峰、碳中和的关键领域，充分利用太阳能、波浪能、风能等可再生能源实现船舶的节能减排是未来船舶的发展方向[3]。 光伏发电可以将丰富的太阳能转化为电能，具有广阔的发展前景和可观的应用价值[4-5]。 光伏发电应用在船舶上，可以充当船舶主动力推进系统的部分能量来源[6-7]。 光伏发电受温度、光照、天气环境等因素的影响，具有间歇性和波动性，如果直接并网运行将影响船舶电力系统的稳定。 因此，如何有效平抑光伏发电的波动成为船舶电站亟待解决的问题。

光伏发电系统的能量一般储存在蓄电池中，但蓄电池的充放电次数较少、功率密度较低，不适合长期处于输出功率较高的应用环境，因此，单独大规模应用很难满足电网峰值功率的需求。 混合储能系统（hybrid energy storage system，HESS）包含磷酸铁锂电池（LiFePO4Battery）和超级电容（super capacitor，SC）两种储能设备，集功率型与能量型为一体，实现功能互补，不仅可以提高储能系统的容量，使之能够快速应对外界能量变化，缓解由于并网造成的电网波动问题，同时增强储能系统的功率输出能力，延长储能系统的使用寿命。

目前，很多学者对微电网的混合储能系统控制策略展开相关研究。 其中，文献[8]提出充分利用电力系统中组合架构之间的连接关系，缓解目前电网中电池能量储存系统存在的过充电、欠充电等问题。 文献[9]提出了一种功率预测与自适应变步长相结合的扰动观察法，使光伏系统快速、准确地实现最大功率点跟踪控制，并稳定运行在最大功率点处。 文献[10]中考虑临界状态下，蓄电池的频繁充放电，以及船舶启动时低电压穿越能力差的问题，根据超级电容的剩余电量，提出一种可变增益值的控制策略。 文献[11]针对光伏并网发电系统中逆变器工作的间歇性和容量利用低的情况，提出了一种改进型的光伏并网功率控制算法。 能够向电网和本地负载提供有功功率，而且及时补偿电网中的无功和谐波。 本文提出一种基于混合储能的船用光伏微电网控制策略，并通过建模仿真与验证分析，有效证明了该控制策略的可行性，具有较强的理论实践意义和应用价值。

1 船舶微电网能量优化拓扑结构

图1 是船舶微电网系统能量优化拓扑结构简图，由HESS、光伏发电（photovoltaic， PV）、负荷、DC/AC逆变器、升降压变压器等构成，其中直流母线端电压与船舶电网实际需求相一致。 本文引入荷电状态（state of charge， SOC）监测系统，实时监测磷酸铁锂电池和超级电容的荷电状态SOCbat和SOCsc。 在该系统中，由超级电容和锂电池发出的功率Psc和Pbat随外界能量需求双向变化，其中放电时为正，充电时为负。 对于直流母线而言，系统内部的功率平衡关系式如下：

图1 船舶微电网系统能量结构

式中：Pline是通过升降压变压器流入船舶电网的并网功率；Ppv是光伏阵列注入直流母线的功率；Pload是负荷消耗的功率。

2 船舶光伏电网储能系统

2.1 系统概述

船舶光伏电网储能系统包括光伏阵列和HESS两大部分，如图2 所示。 HESS 不仅可以及时补偿由于光伏阵列不稳定性和负荷波动性带来的波动，还可以根据二阶滤波算法合理分配各元件的平抑功率，有效平抑并网条件下的光伏出力波动，减小储能元件损耗，提高储能系统运行的经济性能。

图2 光伏混合储能系统的拓扑结构图

光伏阵列与HESS 通过DC/DC变换器与直流母线负载连接。 为扩大光伏阵列量能产出，采用Boost电路实现升压功能[12]；HESS 中储能元件与双向DC/DC变换器有源并联，相互独立供电，能瞬时完成升降压模式转换，从而实现储能元件间能量的双向流动，以维持直流母线电压的稳定，维持系统的正常运行。

2.2 DC/DC变换器

DC/DC变换器通过升降压变化，可以满足不同负载要求，将其应用到对储能元件的控制，方便实现电路转换。 双向DC/DC变换器能够将储能元件的充放电集于一体，具有双向传递能量的功能，能够及时对船舶电网电压进行补偿或利用，可根据船舶电网的能量变化做出一定响应[13]，其简化拓扑结构如图3 所示。

图3 DC/DC双向变换器拓扑图

双向DC/DC变换器控制储能元件的能量输入和输出，同时维持直流母线电压的稳定。 变换器开关管VT1和VT2状态决定电路Boost或Buck工作模式，随之控制储能系统充放电过程。 当船舶能量过剩时，能量从高压侧向低压侧传递，能量在HESS 中储存，电路处于Buck 状态。 VT2截止，当VT1在导通时间内，能量从直流母线到电感，让储能元件吸收能量，电流增大；当VT1关断时，电感L与VD2构成闭合回路，电感储存的能量释放。 当船舶能量不足时，能量从低压侧向高压侧流动，能量从HESS 释放，以补偿电网的不足，电路工作在Boost状态。 VT1截止，当VT2导通时，储能元件放电，电流经过电感L进行储存；VT2关断时，电感L与VD1构成闭合回路，电感储存的能量释放，电流减小，方向不变。

对于光伏阵列，在VT的导通时间内，所在电路形成的Boost状态增加能量产出，满足电网对能量的期望值，从根本上解决由于发电不足造成的电压波动问题。

3 基于混合储能的光伏电网控制策略

3.1 能量管理策略

当光伏列阵并入船舶电网时，直流母线会出现不同频率的波动，随着并入数量的增加，这种波动会变得愈加明显[14-15]。 中低频波动分量通常不会影响电网的正常工作，但高频波动分量却会直接威胁电网的安全运行。 因此，需要通过控制策略对负载波动的大小进行平抑，有效降低功率波动对微电网运行质量的影响。

HESS 中的超级电容瞬时输出功率高，响应快，主要用于控制母线电压，同时抑制高频脉动频率[16]，而磷酸铁锂电池的输出功率变化较慢，需要尽可能避免其频繁充放电，主要作用于功率的低频部分。 本研究采用一种基于储能元件SOC的二阶滤波算法控制策略，同时以两种储能元件的最优工作阈值为参考指标，能有效避免储能元件过充过放，保证储能元件使用寿命。 具体过程：光伏输出功率Ppv先后经过两个截止频率不同的高低频滤波器，得到超级电容和锂电池的参考输出功率Psc-ref和Pbat-ref。 此外SOCsc和SOCbat会与各自最优值比较、作差，再经比例放大，将得到的结果反馈到二阶滤波算法，实时调整系统的功率分配，可表示为公式（2）：

式中：Tsc、Tbat是滤波器的时间常数；K1、K2为比例放大系数。 以超级电容为例，当SOCsc＜70%时，超级电容的输出参考值会减小，减缓其剩余电量继续减小；反之，当SOCsc＞70%时，超级电容的输出参考值增加，减缓其剩余电量继续增加。 该控制策略对锂电池同样适用，能够同时控制两种储能元件SOC值。 由于储能元件的SOC变化缓慢，Pline和Pbat的平滑性不会受到影响。

3.2 HESS 控制策略

双向DC/DC变换器大多采用电压外环电流内环的双闭环控制[17]，基于储能系统和光伏电池的安全性能考虑，本研究采用功率外环电流内环的控制策略。 图4 给出了超级电容和锂电池两种储能元件的控制策略。

图4 基于二阶滤波算法的储能元件控制策略

通过二阶滤波算法得到超级电容和锂电池的参考功率补偿值，并作为控制环节的输入。 超级电容和锂电池采用相同的控制策略，其控制器的工作原理也完全相同。 以超级电容控制策略为例，二阶滤波算法得到的参考功率Psc-ref与实际功率Psc作比较作为功率控制器的输入，经调制后得到参考电流Isc-ref与实际电流Isc作差，经由电流调节器、限幅、PWM 调制等得到控制开关管通断的控制信号。 此外，为保证功率流动的稳定性和储能系统的安全，该控制系统中设置了逻辑门与比较器，即当超级电容器处于放电模式时，能量释放，此时Pref增加。 当滞回比较器中的输出值高于储能元件承受的功率限值Pmax时，输出的逻辑值为0，此时VT1导通，使变换器由Boost模式转为Buck 模式，能量由电网进入到超级电容中，否则，VT2导通，变换器处于Boost模式，能量由超级电容进入到电网。

3.3 Boost变换器控制策略

Boost变换器的控制策略如图5 所示，光伏系统输出功率随电路Pload的变化而改变，Pload控制四组负荷投切开关的控制信号，计时器控制PV信号输出，当两类信号同时保持高电平时，光伏系统输出该状态下电池的实际电压，此时产生的功率Ppv能够满足该状态下的最大输出，并通过限幅与脉宽调制产生互补的PWM控制信号驱动Boost电路运行。

图5 光伏控制器

4 仿真分析

利用仿真软件搭建混合储能系统电路和控制部分的仿真模型，对光伏混合储能系统结构电路进行充放电仿真分析，从而验证混合储能系统控制策略的正确性，光伏混合储能系统关键性参数如表1 所示。

表1 光伏混合储能系统关键性参数

为了研究功率协调分配，混合系统中使用了三端锂电池并联，分别定义为a、b、c，初始SOC分别设置为70%、69.5%、69%，额定容量为8 ×106VA。 光伏发电系统采用Sun Power公司SPR-305-WHT型号光电池，四组光伏阵列并联，单组参考功率为6 ×106W。 6 个超级电容串联，额定功率为4 ×106W。 系统仿真时间为11 s。

图6 为负载发生波动时，直流母线、锂电池功率PB、超级电容功率Psc和a端锂电池SOC%的响应。 仿真实验采用四组负荷投切方式改变负载大小，由计时器控制对应负荷接入电路时间：Timer1时间控制[0，1]，对应电平[1，1]，接入负载为10 kW；Timer2 时间控制[0，3.5]，对应电平[0，1]，接入负载为20 kW；Timer3 时间控制[0，2，6.5，8]，对应电平[1，0，1，0]，接入负载10 kW；Timer4 时间控制[0，5，6.5，9.5]，对应电平[1，0，1，0]，接入负载10 kW。 当高电平时，该项负载接入电路。当0≤t≤2 s时，系统负载为30 kW；在2 s、3.5 s、5 s、6.5 s、8 s、9 s时，负载发生阶跃变化，对应的负载分别为20 kW、40 kW、30 kW、50 k W、40 k W、30 kW。 由图可知，直流母线端电压变化与加载负载变化保持一致，且随着负载的增加而减小。而锂电池功率变化与母线电压相反，随着负载的减小或增加进行功率的吸收或补偿。 超级电容与锂电池组保持一致的响应变化，主要用于维持锂电池输出改变、负载变化后的直流母线电压，保证系统功率平衡。 由锂电池的荷电状态仿真图可知，在2 s≤t≤3.5 s时，母线电压超出额定电压，锂电池出现短暂充电，其余时间都是处于放电状态，曲线斜率变化由外界功率所需而定。

图6 负荷阶跃时的系统响应

若6 s时c端锂电池停止工作，系统动态响应如图7 所示。 由图可知，c端电池停止工作瞬间，对于直流母线而言，系统能量来源突然减少，为维持能量需求，各供能元件放电，母线端电压降低。 此时，c端电池能量不再与外界进行交换，电池SOC保持恒定，维持在60%；a、b 两端锂电池SOC在6 s均达到69.15%，为了补偿c端电池故障造成的功率差，以维持外部功率稳定，a、b 两端电池的输出功率瞬时增加，同时SOC消耗曲线斜率也呈增加趋势。 超级电容在锂电池组发生故障后产生一个瞬时的功率补充，重新达到稳定时在0 附近小范围脉动。 系统各元件在6.2 s时达到新的平衡，各母线端电压和储能元件输出功率维持在新的稳定值。

图7 c端锂电池停止工作的外部响应

当可再生的光伏电源由于外界环境变化随机波动时，锂电池和超级电容的响应如图8 所示。a、b、c三端电池锂电池除初始SOC分别相差0.5%外，其他参数性质相同，充放电的先后顺序随机。 由仿真结果可知，超级电容的输出功率Psc频率较高，波动范围较大；锂电池的输出功率PB频率较低。 当光伏功率无规则波动时，为维持外部系统稳定，超级电容能够迅速对高频分量做出吸收或补偿，动态性能较高；而锂电池则作用于低频分量，全程曲线较为平缓。 超级电容处于频繁的充放电的状态切换中，体现了超级电容对锂电池组的运行状态的优化，反映了两者构成的混合储能系统对于能量平衡的差异性和互补性，能够及时对功率进行平抑，实现电网的稳定运行[18]。由此证明提出的控制策略可以很好地分配储能系统元件的输出功率，减少锂电池组的充放电次数，有效对其进行保护。

图8 光伏随机波动后储能系统的响应

综上，在直流微电网光伏发电中，储能系统根据外界负荷变化充放电，若系统部分故障，系统内部供能元件放电以维持母线的电压稳定。 光伏电源不规律扰动时，储能系统通过二阶滤波算法补偿功率差额，保证电网能量质量，同时提高储能系统本身的使用寿命和经济效益。

5 结 语

针对光伏可再生能源电网波动问题，本文提出了一种船舶光伏混合储能系统结构，基于储能元件SOC的二阶滤波算法提出了一种用于平抑光伏波动的控制策略，该控制策略可实时根据系统状态进行功率分配，有效改善混合储能系统过充过放问题可以维持直流母线电压，改善电网质量。 仿真结果有效验证：

（1）储能系统能够应对外界负荷变化，并在较短时间内维持直流母线电压稳定。

（2）若锂电池组部分发生故障，其余电池能够迅速响应，维持系统能量稳定。

（3）当光伏系统随机波动时，混合储能系统能够及时补偿高低频功率分量，防止系统的脉动。

本研究对光伏系统发展与利用具有一定的借鉴意义，在未来的研究中，可以进一步考虑太阳能帆板在船体平台上的布置、光能的跟踪利用、最大功率点控制等相关因素，并将该理论逐渐延伸到离网型系统，充分开发利用可再生能源，为未来产业能量需求提供良好契机。