张明光， 郜晴晴

(兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州 730050)

含超级电容混合储能系统直流微电网功率分配策略

张明光， 郜晴晴

(兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州 730050)

针对直流微电网中微电源功率输出不稳定以及负荷波动导致直流母线电压偏移问题，提出一种含超级电容和蓄电池的混合储能系统充放电控制策略。该控制策略将储能系统分为5种工作模式，控制系统根据直流母线电压值选择混合储能系统的工作模式，实现蓄电池与超级电容在充电、放电及空闲模式间自由切换，从而维持直流母线电压稳定。通过Matlab/Simulink软件搭建系统模型，仿真结果表明，采用该控制策略可使直流母线电压保持在电压偏移允许范围内。

直流微电网；MPPT；超级电容；混合储能系统；母线电压

0 引 言

直流微电网的运行与光伏等新能源发电、储能系统等环节的控制密切相关[1-3]。但光伏发电受环境影响较大，温度和光照强度的变化都会使光伏发电单元的输出特性有所不同[4-5]。因光伏出力的随机性和负荷变化的波动性，由光伏发电作为分布式电源的直流微电网需要配置一定容量的储能设备来调整系统的功率分配及确保直流母线电压的稳定，从而提高系统的可靠性及稳定性[6-7]。含超级电容的储能系统循环寿命长、储能效率高、充放电速度快，与光伏发电单元配合可调节直流微电网的功率和母线电压的波动[8-10]。

文献[11]提出了一种基于多模块多电平(MMC)双向DC-DC变换器的超级电容储能系统，对超级电容组的均压控制和储能系统能量管理策略进行分析和设计。文献[12]提出了含蓄电池的自动充放电控制策略，储能系统组成过于单一。文献[13]研究了含超级电容和不包含超级电容的直流微电网，通过改变负载，比较两种情况下直流母线电压的变化，但没有对超级电容和蓄电池的充放电电压做规定。

本文在上述研究的基础上，提出一种含超级电容储能系统功率分配策略。该策略对混合储能系统进行控制，在负荷发生变化导致直流母线电压偏离允许值时，通过蓄电池与超级电容自动切换充放电工作状态，从而保证直流母线电压稳定。最后，通过在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型来验证提出的控制策略。

1 系统结构

直流微电网主要由微电源、变流器、直流配电网、储能装置和交直流负荷组成。图1为本文研究的含超级电容的直流微电网结构示意图。

图1 直流微电网结构示意图

光伏阵列作为系统的微电源，发电功率随环境变化幅度较大，因此微电网需配备储能系统以维持系统功率平衡。由于蓄电池的使用寿命有限，故该储能系统包含超级电容与蓄电池。超级电容充放电速度快，与蓄电池配合使用时，可减少蓄电池的充放电次数，从而延长蓄电池的使用寿命。

2 变换器控制策略

2.1 光伏模块变换器

光伏模块变换器有三种工作模式，即MPPT模式、恒压模式及空闲模式。当光照强时，变换器处于MPPT模式或恒压模式，当光照弱或处于夜间、阴天时，其工作在空闲模式。光伏模块工作模式选择及控制方法如图2所示。图2中UPV、IPV分别为光伏电池输出电压、电流；Udc-ref、Udc分别为直流母线额定电压和直流母线实际电压；IL1、Iref分别为电感L1电流和电压外环得出的内环电流参考值。

图2 光伏模块工作模式控制策略

在太阳能光伏发电系统中，太阳能电池是最基本的环节，若要提高整个系统的效率必须要提高太阳能光伏电池的转换效率，使其输出功率为最大功率。因此，最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)的研究是至关重要的。常用MPPT方法有多种，这里采用的是扰动观察法。

2.2 混和储能系统变换器控制策略

2.2.1蓄电池单元双向DC-DC变换器控制策略

蓄电池单元双向DC-DC变换器采用的是下垂控制[14]。电池充放电过程中，电池荷电状态(State of Charge，SOC)不断增加或减小，电池的充放电电流应该自动调整大小，其具体关系如式1，2所示。

(1)

(2)

其中m为自适应调节下垂系数，mb为下垂系数初始系数，Ib为蓄电池充放电电流，UH2为电池充电电压临界值，UL2为电池放电电压临界值。当电池放电时，SOC逐渐减小，m增大，放电电流减小；当电池充电时，SOC逐渐增大，m随之增大，充电电流减小。

2.2.2超级电容DC-DC变换器控制策略

超级电容充放电电压临界值设置为UH1和UL1，双向DC-DC变换器的放电工作方式控制框图如图3所示，直流母线实际电压Udc与母线参考电压Udc-ref比较后经PI控制器调制产生参考电流，参考电流与超级电容侧电流IL3比较后经PI控制器调制产生IGBT3的PWM控制信号。

图3 超级电容DC-DC变换器放电控制框图

3 混合储能系统自动充放电控制系统设计

混合储能系统两个储能单元与直流母线间均由一个双向DC/DC换流器连接。双向DC/DC换流器实际是一个Buck/Boost变换器。当蓄电池(超级电容)放电时，Buck/Boost变换器工作于Boost模式，向直流母线供能；当蓄电池(超级电容)充电时，Buck/Boost变换器工作于Buck模式，并储存直流母线侧电能。

在实际系统中，即使系统达到稳定状态，直流母线电压仍会波动，不会严格稳定于额定值。对于只含蓄电池的储能单元，如果直流母线电压在允许电压临界点变化，蓄电池双向DC-DC换流器会在Buck与Boost模式间来回切换，这样会增加蓄电池充放电次数，减少其使用寿命。为减少蓄电池充放电次数，同时考虑混合储能单元饱和与电量不足的情况，将直流母线电压用6个电压临界值分成7部分，如图4所示。

图4 混合储能系统工作模式

图4中：UH3和UL3为直流母线电压最大允许波动边界值；UH2和UL2为蓄电池充电与放电电压临界值；UH1和UL1为超级电容放电与充电电压临界值。选取的6个临界值与直流母线电压额定值Udc-ref间的关系如下：UL3=90%Udc-ref，UL2=93%Udc-ref，UL1=95%Udc-ref，UH1=105%Udc-ref，UH2=107%Udc-ref，UH3=110%Udc-ref。改进后的控制策略使得混合储能系统可工作于5个工作模式：

(1)工作模式1：蓄电池充电，超级电容空闲。当直流母线电压Udc>UH2时，IGBT2导通，IGBT1、IGBT3、IGBT4截止，蓄电池侧Buck/Boost变换器工作于Buck模式，蓄电池充电。

(2)工作模式2：蓄电池空闲，超级电容充电。当直流母线电压UH1

(3)工作模式3：蓄电池、超级电容均空闲。当直流母线电压UL1

(4)工作模式4：蓄电池空闲，超级电容放电。当直流母线电压UL2

(5)工作模式5：蓄电池放电，超级电容空闲。当直流母线电压UL3

当系统直流母线电压出现Udc>UH3时，则光伏阵列将由MPPT模式转化为恒压模式运行；当Udc

4 系统仿真

4.1 系统仿真设计

根据图1所示结构在MATLAB/Simulink下进行仿真，系统参数如下：光伏阵列Boost变换器，C11=1 μF，C12=1 mF，L1=1 μH，在标准条件下(温度T=25 ℃，光照强度为1 000 W/m2)最大发电功率为2 800 W；蓄电池双向DC-DC变换器，L2=100 μH，C2=1.5 mF；超级电容双向DC-DC变换器，L3=1 mH，C3=1 mF，蓄电池、超级电容的初始SOC均设为50%，直流负载用RL表示。蓄电池额定电压200 V，标称容量60 A·h，超级电容器端电压为60 V，电容值为20 F。系统仿真时间为4 s，仿真步长为10 μs，开关频率为20 kHz，直流母线额定电压为380 V，电压允许的波动范围为380(1±5%)V。

4.2 仿真分析

(1)工作模式1：t=2 s时，负载RL由52 Ω突变为296 Ω时，Udc=408 V，Udc>1.07Udc-ref，蓄电池充电，超级电容处于空闲模式。图5为工作模式1下的运行情况。

图5 工作模式1仿真波形

(2)工作模式2：t=2 s时，负载RL由52 Ω突变为117 Ω时，Udc=400 V，Udc>1.05 Udc-ref，超级电容充电，蓄电池处于空闲模式。图6为工作模式2下的运行情况。

图6 工作模式2仿真波形

(3)工作模式4：t=2 s时，负载RL由52 Ω突变为36 Ω时，Udc=358 V，Udc<0.95Udc-ref，超级电容迅速放电，蓄电池处于空闲模式。图7为工模式4下的运行情况。

(4)工作模式5：t=2 s时，负载RL由52 Ω突变为32 Ω时，Udc=350.5 V，Udc<0.93Udc-ref，蓄电池迅速放电，超级电容处于空闲模式。图8为工作模式5下的运行情况。

仿真结果显示当直流负载变化导致直流母线偏移电压允许值时，混合储能系统可根据直流母线电压的实际值切换工作模式，使蓄电池和超级电容工作自动充放电。

图7 工作模式4仿真波形

图8 工作模式5仿真波形

5 结束语

针对直流微电网中微电源输出不稳定及负荷波动导致直流母线电压偏移问题，提出了一种含超级电容的混合储能系统自动充放电控制策略。仿真实验表明：

(1)混合储能系统在各工作模式下，均可以有效地维持直流母线电压稳定，保证直流微电网的稳定可靠运行；

(2)实现蓄电池、超级电容在充电、放电及空闲模式间自由切换，临界电压的选取可减少蓄电池充放电次数。

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A DC Micro-grid Power Allocation Strategy for the Hybrid Energy Storage System Containing Super Capacitors

Zhang Mingguang， Gao Qingqing

(College of Electrical and Information Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou Gansu 730050, China)

In order to solve the problems of unstable micro-source power output and DC bus voltage deviation caused by load fluctuation in the DC micro-grid, this paper presents a charge and discharge control strategy for the hybrid energy storage system containing super capacitors and batteries, which classifies the energy storage system into five working modes. Based on the DC bus voltage value, the control system chooses the working mode of the hybrid energy storage system to realize free switchover between the charge, discharge and the idle modes of the batteries and the super capacitors, thus maintaining stable DC bus voltage. A system model is established through Matlab / Simulink software and the simulation results show that the DC bus voltage can be maintained in the range of permissible deviation if such control strategy is adopted.

DC micro-grid；MPPT；super capacitor；hybrid energy storage system；bus voltage

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.018

TM721

A

1000-3886(2017)04-0063-03

定稿日期: 2017-03-22

国家自然科学基金(51567016)

张明光(1971-)，通讯作者，男，甘肃武威人，硕士，教授，主要研究方向：电力系统自动化、变电站综合自动化。 郜晴晴(1989-)女，安徽淮北人，硕士生，研究方向为直流微电网运行控制策略。