中國儲能網(wǎng)訊：北京交通大學(xué)國家能源主動配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心、北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心、丹麥技術(shù)大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員楊捷、金新民、吳學(xué)智、陳美福、V G Agelidis，在2017年第10期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文指出，直流微網(wǎng)中通常采用混合儲能系統(tǒng)作為緩沖環(huán)節(jié)，對分布式能源和負(fù)載引起的不同時間尺度功率波動進(jìn)行補(bǔ)償。
為實(shí)現(xiàn)功率在能量密度型儲能元件和功率密度型儲能元件之間合理分配，提出無互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)的分層控制策略。其中，底層控制以電壓變化率作為虛構(gòu)的信息載體，通過設(shè)置不同儲能接口變換器輸出電壓關(guān)于功率的“靈敏度”，確保超級電容在負(fù)載突變瞬間能夠提供大部分功率；二次控制對底層控制產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定，并保證超級電容穩(wěn)態(tài)電流為零。
在此控制框架下，各儲能單元僅需本地信號即可實(shí)現(xiàn)自主協(xié)調(diào)運(yùn)行，避免了互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)所帶來的經(jīng)濟(jì)性和可靠性問題。最后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證所提方法的可行性和有效性。
作為分布式能源有效的整合形式，直流微網(wǎng)以其效率高、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛關(guān)注[1,2]。由于分布式能源的間歇性會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此直流微網(wǎng)中通常需要配置儲能系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償[3,4]。直流微網(wǎng)中各儲能單元分布式地并聯(lián)接入公共直流母線，如何實(shí)現(xiàn)不同單元之間功率合理分配是儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的重要目標(biāo)[5,6]。
根據(jù)對通信網(wǎng)絡(luò)的依賴程度，儲能系統(tǒng)功率分配策略可以分為無互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)控制和借助互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)控制：前者一般采用下垂機(jī)理，以母線電壓為“信息載體”，各單元僅利用本地信息即可實(shí)現(xiàn)自治管理[7,8]；后者利用通信網(wǎng)絡(luò)獲取來自中央控制器的指令或其他單元的信息，對下垂控制精度上的缺陷進(jìn)行補(bǔ)償[9-11]。然而，通信網(wǎng)絡(luò)會給微網(wǎng)系統(tǒng)帶來冗余與成本問題。
為此，本課題組在文獻(xiàn)[12]中通過引入新的信息載體，提出了一種無需互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)的功率分配策略，該方法在改善分配精度的同時，保證了微網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及可擴(kuò)展性。
上述方法都是圍繞儲能系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)功率的分配問題展開討論，研究對象主要是蓄電池等能量密度型儲能元件。但是受化學(xué)反應(yīng)速度的限制，蓄電池功率密度比較小，當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時，無法對目標(biāo)功率進(jìn)行快速吞吐，難以滿足系統(tǒng)的動態(tài)要求[13]；超級電容充放電過程是物理變化，可在短時間內(nèi)提供較大功率[14]。
蓄電池和超級電容具有很強(qiáng)互補(bǔ)性，二者構(gòu)成的混合儲能系統(tǒng)（Hybrid Energy StorageSystems, HESS）可以滿足微網(wǎng)不同時間尺度的功率需求，同時可以有效改善蓄電池的使用壽命[15]。
混合儲能系統(tǒng)的功率分配策略核心任務(wù)就是讓高能量密度的蓄電池響應(yīng)低頻功率需求，而高功率密度的超級電容則快速吸收或釋放高頻目標(biāo)功率[16]。最常見的HESS功率分配技術(shù)是基于濾波器的控制[17-19]，此類方法是讓目標(biāo)功率經(jīng)過中央控制器的低通濾波環(huán)節(jié)和高通濾波環(huán)節(jié)，濾波結(jié)果作為輸出功率指令分別發(fā)送至蓄電池和超級電容。
另一種常見的HESS控制方法是規(guī)則型控制[20,21]，即根據(jù)各種功率波動狀態(tài)，預(yù)先設(shè)置不同模式下的專家規(guī)則信息庫以及對應(yīng)蓄電池和超級電容充放電控制算法。文獻(xiàn)[22,23]提出了基于小波包分解的不同頻段功率信號的提取方法。
在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[24]采用模糊機(jī)制對混合儲能系統(tǒng)的電荷狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)對指令的二次修正。作為人工智能領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ArtificialNeural Network, ANN）也被應(yīng)用到HESS控制系統(tǒng)當(dāng)中，文獻(xiàn)[25,26]分別利用離線仿真和動態(tài)規(guī)劃算法尋找HESS不同功率波動下最優(yōu)決策序列，并利用離線優(yōu)化結(jié)果，對記憶力和自學(xué)能力俱佳的ANN進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，使其升級成為在線的HESS智能控制系統(tǒng)。
模型預(yù)測控制是近幾年HESS功率分配策略研究的熱點(diǎn)[27,28]，蓄電池/超級電容的控制信號是通過優(yōu)化有限時域的未來目標(biāo)函數(shù)而獲得，可以系統(tǒng)有效地解決含多種狀態(tài)和控制約束的最優(yōu)問題。另外，粒子群優(yōu)化[29]、蛙跳算法[30]以及模糊神經(jīng)控制器[31]等高級算法也被學(xué)者們移植到HESS控制中。
然而，上述方法均存在缺陷，從而限制了混合儲能系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展。
①控制算法相對復(fù)雜，并且需要獲取準(zhǔn)確的系統(tǒng)知識（總功率需求、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、硬件參數(shù)等），微網(wǎng)的擴(kuò)展和重構(gòu)都會導(dǎo)致運(yùn)算負(fù)擔(dān)增加，甚至需要重新設(shè)計控制系統(tǒng)。
②蓄電池/超級電容必須依賴中央控制器和通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)功率指令的分解和傳遞，中央控制器的單點(diǎn)故障和通信延遲都會引起系統(tǒng)的崩潰。
③各儲能單元被動接受外部功率指令，工作于電流控制模式（Current ControlMode, CCM），不符合微網(wǎng)“即插即用”（plug and play）的要求[32]。文獻(xiàn)[33]將低通和高通濾波器嵌入至下垂控制中，各單元工作于電壓控制模式，無需通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳遞，但PI控制環(huán)和高通濾波器級聯(lián)的正向通路會導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)時仍有電流流過超級電容。
為解決上述問題，本文在文獻(xiàn)[12]的基礎(chǔ)上，提出一種適用于混合儲能系統(tǒng)的無互聯(lián)通信的功率分配策略。文中所提控制采用分層控制結(jié)構(gòu)：底層控制以電壓變化率作為全局信息載體，在沒有通信網(wǎng)絡(luò)和中央控制器的條件下，即可實(shí)現(xiàn)蓄電池/超級電容動態(tài)功率的合理分配；二次控制針對底層控制造成的穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)行修正補(bǔ)償，消除超級電容中的穩(wěn)態(tài)電流。
整體控制框架不要求不同單元之間信息的共享，避免了通信網(wǎng)絡(luò)帶來的可靠性和經(jīng)濟(jì)性問題。另外，該方法的控制算法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，而且無需中央控制器及系統(tǒng)知識，可確保微網(wǎng)系統(tǒng)擁有良好的可擴(kuò)展性。
本文對該方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析，通過理論和實(shí)驗(yàn)證明了該方法的有效性。
系統(tǒng)描述
圖1為含混合儲能系統(tǒng)的直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，其中風(fēng)力機(jī)組、光伏池板等分布式能源運(yùn)行于最大功率點(diǎn)跟蹤模式，為電動汽車、LED燈等負(fù)載提供低碳電能；由蓄電池和超級電容互補(bǔ)形成的混合儲能系統(tǒng)負(fù)責(zé)補(bǔ)償微網(wǎng)中不同時間尺度的源-荷功率差額。
圖1 含混合儲能系統(tǒng)的直流微網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)圖
為便于控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計，直流微網(wǎng)系統(tǒng)可以簡化為圖2[34]，其中HESS包含m組蓄電池，n組超級電容，各單元都是通過DC-DC變換器并聯(lián)接入直流母線。iox是變換器輸出電流（腳標(biāo)x可指代b和c，分別代表蓄電池Bat和超級電容Cap對應(yīng)的參數(shù)，下同），uox為變換器輸出直流電壓，ubus為直流母線電壓，Rlinex是變換器輸出端到直流母線的線路阻抗。
圖2 含m組蓄電池、n組超級電容的直流微網(wǎng)簡化模型
混合儲能系統(tǒng)無通信網(wǎng)絡(luò)功率分配（略）
實(shí)現(xiàn)蓄電池/超級電容功率合理分配是混合儲能系統(tǒng)控制的主要目標(biāo)，傳統(tǒng)HESS控制方法中互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)的延遲和中央控制器復(fù)雜的算法都制約著微網(wǎng)系統(tǒng)的擴(kuò)展和可靠運(yùn)行。下文將圍繞無互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)的HESS功率分配策略進(jìn)行詳細(xì)闡述。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（略）
為對理論分析結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文搭建了含有蓄電池/超級電容混合儲能系統(tǒng)的直流微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺，如圖8所示。LiFePO4電池、超級電容作為混合儲能系統(tǒng)的電源輸入，經(jīng)過雙向Boost DC- DC雙向變換器接入直流母線，為電阻負(fù)載Rload提供電能。
所提分層控制系統(tǒng)建立于Matlab/Simulink，并在DSpace DS1006中進(jìn)行編譯以實(shí)現(xiàn)對上述硬件平臺的實(shí)時控制。系統(tǒng)詳細(xì)參數(shù)見表1。
圖8 含儲能系統(tǒng)的直流微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺
表1 混合儲能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺參數(shù)
結(jié)論
本文圍繞直流微網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)動態(tài)功率分配問題展開研究，并得到如下結(jié)論：
1）將電壓變化率虛構(gòu)成為全局統(tǒng)一的通信載體，可以把傳統(tǒng)電壓控制從穩(wěn)態(tài)推廣至動態(tài)維度，通過靈敏度的設(shè)置實(shí)現(xiàn)了蓄電池/超級電容間動態(tài)功率的合理分配；在蓄電池控制中加入二次調(diào)節(jié)，可以消除底層控制的穩(wěn)態(tài)誤差，促使系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，并且確保了穩(wěn)態(tài)時超級電容中不存在電流。
2）所提分層控制框架無需互聯(lián)通信設(shè)備，有效地提高了混合儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，符合微網(wǎng)中即插即用的要求。
3）在建立控制模型的基礎(chǔ)上，給出了控制參數(shù)取值關(guān)于線路阻抗、調(diào)節(jié)時間的約束條件；實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了理論分析的正確性，并且為混合儲能系統(tǒng)功率分配提供了一種行之有效的方案。
