胡治国，张磊冲，司少康，张磊磊，黄文帅
（1.河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作 454003；
2.内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古呼和浩特 010051；
3.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443002）
近年来，随着光伏等可再生能源在电力行业的大规模应用，光伏单元输出功率的间歇性和波动性也成为影响电力系统运行中电能质量稳定的重要因素[1-4]。通常在光伏发电系统中配置一定容量的混合储能单元，提高系统供电可靠性[5-7]。
荷电状态是影响混合储能单元使用寿命的重要因素。由于光伏单元输出功率具有波动性，容易造成储能单元在工作过程中出现过充或过放以及过热等问题，缩短储能单元的使用寿命[8-9]。因此，需要采取一些保护措施使储能单元在工作过程中荷电状态始终处于合理工作区间。
合理的储能单元功率分配策略不仅能够延长储能单元循环使用寿命，而且能够提高系统稳定性。文献[10]提出采用小波包分解完成并网功率和混合储能单元需求功率的分配，并采取保护措施避免储能单元出现过充或过放情况。文献[11-14]根据储能单元荷电状态将储能单元划分为多种工作模式，避免储能单元出现过充和过放情况，但系统控制过程需要考虑储能单元配合时可能出现的各种工作状态。文献[15-17]采用变分模态分解获得混合储能单元初级分配功率，并采用模糊控制对储能单元参考功率进行二次修正，达到平抑风光发电功率波动以及延长储能单元使用寿命的目的。但变分模态分解存在边界效应，对突发的信号处理能力较差，并且切换应用对象时需要对模糊规则进行调整。文献[18-20]提出基于考虑超级电容荷电状态的可变滤波时间常数储能单元功率分配策略，虽然避免了超级电容出现过充或过放情况，但没有对电池采取保护措施。文献[21]采用基于自定义电压变化率动态改变下垂系数的方法，使储能单元需要补偿的功率得到合理分配，但并未考虑混合储能单元可能出现过充或过放情况，影响储能单元的使用寿命。
综上所述，本文提出一种基于电压下垂控制的混合储能系统改进控制策略，通过采用超级电容稳态功率修正策略以及基于混合储能单元荷电状态的能量管理策略，提高储能单元使用寿命。
1.1 系统框架
直流微网系统基本框架如图1 所示，由分布式电源（光伏单元）、混合储能单元（电池和超级电容）、直流负载及功率变换器等几部分构成。其中Ppv，Pb，Psc，Pload分别为光伏单元输出功率、电池补偿功率、超级电容补偿功率、负载消耗功率。
图1 直流微网系统结构图Fig.1 Structure diagram of DC microgrid system
1.2 储能单元传统控制策略
在孤岛状态下，直流微网系统功率平衡为：
直流母线电压与负载和光伏单元输出功率差额之间存在以下关系：
由式（1）与式（2）可得：
式中：β为功率下垂系数；
Udc为母线电压测量值；
Udcref为直流母线参考电压；
K为电压下垂系数；
Ihref为混合储能单元参考电流。
基于电压下垂控制的混合储能单元控制策略如图2 所示，其中Ibatref为电池参考电流，Iscref为超级电容参考电流，Ibat为电池端电流；
Isc为超级电容端电流，Ubat为电池端电压，LPF 为低通滤波器，PWM 为脉宽调制器。
图2 混合储能控制策略Fig.2 Hybrid energy storage control strategy
电池未补偿的功率由超级电容承担，此时超级电容参考电流为：
式中：fLPF为低通滤波函数；
Usc为超级电容端电压。
本文所采用的传统功率分配策略中超级电容发挥着主导作用，不仅需要快速响应系统波动功率中的高频分量，同时还补偿由于电池反应速度较慢而未能及时补偿的低频分量[22-23]，从而提高储能单元的控制策略的精准度。
储能单元改进控制策略如图3 所示。其中Ssc为超级电容荷电状态，Sscref为超级电容额定荷电状态，Sb为电池荷电状态，A为大于0 的修正系数。
图3 储能单元改进控制策略Fig.3 Improved control strategy for energy storage unit
2.1 稳态功率修正策略
基于超级电容荷电状态的稳态功率修正策略通过检测母线电压变化率以及超级电容实时荷电状态，在电池电流内环控制环节中引入与超级电容荷电状态有关的虚拟冲击电流扰动，使其作用于电池电流内环控制环节，对超级电容输出功率进行实时修正，使超级电容荷电状态在经过一段时间工作之后仍能恢复至额定值左右。虚拟冲击电流IV数学表达式为：
式中：Ibatmax为电池最大工作电流；
Iscmax为超级电容最大工作电流；
C为母线电压变化率阈值。
此时电池与超级电容参考电流变化为：
将式（8）代入式（5）可得：
由式（8）、式（9）可知，储能单元放电时，若超级电容荷电状态Ssc＞=Sscref，，则虚拟冲击电流IV＜0，电池放电电流逐渐减小，超级电容放电电流逐渐增大，超级电容放电速度加快，此时超级电容荷电状态逐渐向额定值恢复。储能单元充电时，若超级电容荷电状态Ssc＜Sref，，则虚拟冲击电流IV＞0，电池充电电流逐渐减小，超级电容充电电流逐渐增大，超级电容充电速度加快，此时超级电容荷电状态逐渐向额定值恢复。
2.2 能量管理策略
为避免电池出现过充或过放情况，本文提出一种基于混合储能单元荷电状态的能量管理策略，参考文献[24-26]所提出的基于电池荷电状态的功率分配策略中对电池荷电状态工作区间的划分方法，将电池荷电状态划分为5 个区域，分别为过度充电区（80%～100%）、限制充电区（70%～80%）、正常工作区（30%～70%）、限制放电区（20%～30%）、过度放电区（0～20%）。然后根据电池荷电状态所处区域及充放电状态，实时修正电池参考电流，达到延长电池使用寿命的目的。
在超级电容荷电状态处于正常工作区间的前提条件下，将超级电容和电池工作状态分为以下几种情况：
1）电池荷电状态为Sb＜20%，则禁止电池放电，只允许其充电。
2）电池荷电状态为20%＜=Sb＜30%，遵循“快充慢放”原则，超级电容稳态功率修正策略处于待机状态。
式中：m为大于0 的修正系数，根据系统储能单元容量的大小、功率波动情况两者综合评定选取；
Ibref为能量管理策略修正后电池参考电流。
3）若此时电池荷电状态为30%＜=Sb＜70%，混合储能单元正常工作，基于混合储能单元荷电状态的能量管理策略切换为待机状态。
4）电池荷电状态为70%＜=Sb＜80%，遵循“慢充快放”原则，超级电容稳态功率修正策略处于待机状态。
5）若电池荷电状态为Sb＞=80%，则禁止电池充电，只允许其放电。
6）若超级电容荷电状态不在正常工作区间，则基于混合储能单元荷电状态的能量管理策略切换为待机状态。
在Matlab/Simulink 中搭建独立直流微网系统模型，对系统母线电压、储能单元荷电状态及输出功率的变化情况进行仿真分析。模型主要参数如表1 所示。
表1 系统主要参数Table 1 Main system parameters
3.1 稳态功率修正策略
在独立直流微网仿真模型中，通过改变光伏单元输出功率，使混合储能单元工作在充电或者放电状态，验证基于超级电容荷电状态的稳态功率修正策略的有效性。
光伏单元输出功率变化情况如图4 所示。电池和超级电容初始荷电状态均在正常工作区间，观察超级电容工作在充电和放电状态时优化前后超级电容荷电状态变化情况以及混合储能单元输出功率情况，验证超级电容稳态功率修正策略的有效性。系统仿真结果如图5 所示。
图4 光伏输出功率Fig.4 Photovoltaic output power
图5 稳态功率修正策略仿真结果Fig.5 Simulation results of steady-state power correction strategy
图5（b）中Vdc与Vdcref分别为母线电压实测值与额定值。由图5（d）可知，0.5 s 时超级电容快速补偿系统差额功率，荷电状态出现短暂下降。0.5 s 后在光伏输出功率达到稳定状态时，优化前超级电容承担的高频功率分量中充电功率大于放电功率，超级电容在快速补偿波动功率后，荷电状态整体呈现上升趋势。
由图5（a）可知，优化后在超级电容稳态功率修正策略的作用下，超级电容在工作过程中荷电状态始终稳定在额定值左右。
3.2 能量管理策略仿真分析
3.2.1 电池荷电状态位于限制放电区
当电池初始荷电状态位于限制放电工作区间，超级电容初始荷电状态位于正常工作区时，观察优化前后电池工作在充电和放电状态时荷电状态与母线电压变化情况，仿真结果如图6 所示。
图6 电池限制放电区仿真结果Fig.6 Simulation results of battery limit discharge zone
由图6（a）可知，电池荷电状态在放电限制区时，在能量管理策略的作用下，遵循“快充慢放”的工作原则，减缓了电池荷电状态到达过度放电临界值的时间，延长了电池使用寿命。
3.2.2 电池荷电状态位于限制充电区
当电池初始荷电状态在限制充电工作区间，超级电容初始荷电状态在正常工作区，观察优化前后电池工作在充电和放电状态时荷电状态与母线电压变化情况，仿真结果图7 所示。
图7 电池限制充电区仿真结果Fig.7 Simulation results of dattery limit charging zone
由图7（a）可知，电池荷电状态在充电限制区时，在能量管理策略的作用下，遵循“慢充快放”的工作原则，减缓了电池荷电状态到达过度充电临界值的时间，延长了电池使用寿命。
独立直流微网系统中混合储能单元的使用寿命是影响系统稳定运行的重要因素之一。本文以延长混合储能单元使用寿命为目标，提出基于超级电容荷电状态的稳态功率修正策略及基于混合储能单元荷电状态的能量管理策略。与传统混合储能单元控制策略相比，本文根据储能单元工作特性所提的改进措施能够有效延长储能单元使用寿命，对于采用混合储能技术平抑独立直流微网系统功率波动具有一定的参考价值。
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