直流对等式微电网混合储能系统协调控制策略

孙建龙窦晓波张子仲全相军许泰峰徐 沛（. 东南大学电气工程学院 南京 0096 . 国电南瑞科技股份有限公司 南京 06）



直流对等式微电网混合储能系统协调控制策略

孙建龙1窦晓波1张子仲2全相军1许泰峰2徐 沛1
（1. 东南大学电气工程学院 南京 210096 2. 国电南瑞科技股份有限公司 南京 211106）

摘要提出一种基于锂离子电池和超级电容混合储能的协调控制策略，使得混合储能系统（HESS）适用于风能、太阳能或者其他间歇式分布式电源供电的微电网。针对锂离子电池和超级电容的放电特性，提出DC-DC侧对等式并行双环控制策略，控制直流母线电压稳定的同时，利用控制环路自身带宽滤波特性及交流功率前馈达到功率分配效果；采用滞环PI控制方法，保证超级电容不会过放或者过充。DC-AC侧采用双同步坐标系下不平衡电流控制结构，有效跟踪不平衡参考电流。实验结果表明，所提出的协调控制策略能有效抑制直流母线电压冲击与波动，显著提高了系统动态响应；同时，超级电容利用效率得到提高，微电网在过渡状态下的性能也得到了改善。

关键词：微电网 混合储能 锂电池 超级电容 功率控制 变换器控制

国家高技术研究发展计划（863计划）（2014AA052002），国家自然科学基金（51307023），江苏省基础研究计划（BK20130624）和国家电网公司科技项目（524608140103）资助。

DC Peer-to-Peer Coordinated Control Strategy of Hybrid Energy Storage System for Microgrid

Sun Jianlong1Dou Xiaobo1Zhang Zizhong2Quan Xiangjun1Xu Taifeng2Xu Pei1
（1. School of Electrical Engineering Southeast University Nanjing 210096 China 2. Nari Technology Co. Ltd. Nanjing 211106 China）

Abstract This paper presents the design and optimal control strategies for hybrid energy storage system (HESS) consisting of lithium-ion batteries (LB) and ultra-capacitors (UC). Thus HESS is suitable for microgrid powered by wind, solar and (or) other intermittent DERs. Herein, the fluctuations of the exchange power between the microgrid and the utility are hence suppressed and flattened when the microgrid operates in grid-connected mode, while the voltage and frequency keep stable when the microgrid operates in (during) island mode. The performance of the transient state of microgrid is improved. The simulation and experimental results based on the prototype verify the proposed design and strategies.

Keywords：Microgrid, hybrid energy storage system, lithium-ion batteries, ultra-capacitors, power control, converter control

0 引言

微电网以其对分布式电源的有效利用及灵活智能的控制特点，成为许多国家未来电力发展战略的重点之一。而微电网中一般含大量的光伏和风电等分布式电源，分布式电源波动性会对系统的安全供电和电能质量带来负面影响。因此，在系统中配备一定的储能单元，既可以提高分布式电源的发电利用率，又能抑制其波动性和间歇性，降低对系统或者电网的冲击与影响。传统的储能装置充、放电速度慢、循环次数少且寿命短；新型的动力型锂离子电池虽然具有较高的放电速率，但是其成本高昂，而且充电速率不宜过快。因此，需要寻求一种响应速度快、循环寿命长的储能转置与之相配合。超级电容正是符合该要求的新型储能装置，超级电容（Ultra-Capacitors, UC）与电池组成的混合储能系统（Hybrid Energy Storage System, HESS）受到了广泛关注与研究[1]。文献[2]研究了HESS各种不同的配置方式及其优缺点。文献[3-5]研究了HESS直流接入的功率分配与协调控制。由于直流接入应用场合单一，耦合度高，因此本文采用HESS交流接入方式，方便应用于包括光伏在内的各种微电网系统。

目前，对于混合储能系统的研究，国内外大部分工作都集中在如何在电池和超级电容之间进行功率分配以减小电池的充、放电深度以及平滑功率波动。文献[3]研究了直流孤岛光伏发电系统中，锂电池与超级电容的协调控制策略，提出超级电容补偿光伏波动以减少电池充、放电次数，但未涉及交流并网环节。文献[4]提出基于滑窗平均的功率分配控制策略，可以平滑电池放电电流。文献[5]提出基于低通滤波器的功率分配控制策略，将低通滤波器引入控制环路，降低了系统动态响应，同时低通滤波器截止频率需要取舍。然而，目前的大部分研究并没有注意超级电容充、放电深度问题。文献[6]基于混合储能系统提出一种风电波动功率的平抑方法，针对随机风电波动功率分解后的特性使蓄电池和超级电容器承担不同类型波动功率平抑的任务，充分发挥二者的储能优势。

针对混合储能应用，本文首先提出一种HESS结构，通过两级功率变换单元接入微电网，可以配合包括风、光在内的任意分布式发电单元；其次，在上述HESS结构的基础上，提出两级解耦控制策略：①前级DC-DC采用对等式并行双环控制结构，并行双环冗余控制直流母线，提高控制性能，在交流功率前馈的配合下达到功率分流的运行效果，同时保证直流母线电压的稳定；②后级DC-AC采用双同步坐标系正、负序解耦控制结构，内环为电流控制，外环为直接瞬时功率控制或者输出电压控制，使得系统能够支持微电网的多种运行工况。此外，通过对AC侧的灵活控制还可以增强微电网接入电网的友好性，提高对电网的故障穿越能力。

1 HESS拓扑结构

图1为本文所提HESS系统的基本结构，超级电容与锂电池通过并联双向DC-DC变换器接入直流母线，直流母线与交流电网之间通过双向DC-AC变换器连接；双向DC-DC电路用于实现DC-DC控制策略，DC-AC变换器则实现DC-AC控制策略，二者通过直流母线电容解耦。图中Luc为超级电容双向DC-DC电路滤波电感，Lba为电池双向DC-DC电路滤波电感，Cdc为直流母线电容，L、C为交流滤波电感与电容。

图1 HESS基本结构Fig.1 System structure of HESS

2 HESS控制策略

HESS的功率流向如图1所示，其中，Po为HESS系统与电网之间的交换功率，Pba为电池双向功率，Puc为UC双向功率，Po=Pba+Puc。理想情况下，直流母线电压保持稳定，Po低频分量由Pba提供，Po高频分量由Puc提供。直流母线电压波动反映输出功率的波动，因此使得采用直流母线电压控制来完成功率的分流成为可能。

设计系统控制结构如图2所示，直流侧控制直流母线电压稳定，电池与UC采用对等式电压控制策略，并行双环通过调节器参数设计，各自占据频域不同的带宽部分，在交流功率前馈的配合下达到功率分流的运行效果。交流侧采用双同步坐标系正、负序解耦控制结构，其核心为内环电流控制器，实现正、负序有功、无功解耦控制，使控制更为灵活。外环为输出电压控制或基于瞬时功率理论的电流参考值生成系统。

由图2可看出，DC-AC变换器脱离对直流母线的控制，可以实现更多灵活的应用，如负荷预测、谐波补偿、无功补偿和电流源与电压源切换等。电网故障期间，超级电容直接控制母线电压，可吸收电网不平衡所造成的直流母线波动功率，提高系统对电网的故障穿越能力。

2.1 DC侧控制策略

为简化DC侧模型分析，不考虑交流侧扰动时，对并联双向DC-DC电路建模，得到其开关周期平均模型为

图2 HESS控制结构Fig.2 Control structure of HESS

式中，dbc、duc分别为电池与UC开关电路的占空比；RLba、RLuc分别为电池与UC开关电路的电感电阻，对式（1）在稳态工作点处小信号线性化并忽略电池与UC端电压扰动可得

式中，上标‘^’表示小信号量，由式（2）～式（4）可得到复频域下小信号传递函数式为

由式（8）和式（9）可知，由于母线电容的耦合作用，使得电池与UC电流之间产生扰动，然而可以通过闭环控制抑制该扰动。式（10）为母线电压相对电池电流与UC电流的动态传递关系以及与输出电流的扰动传递关系，因此式（10）作为母线电压并行双环设计依据。

电池与UC控制框图如图3所示，图中各传递函数表达式为式中，Gid_ba和Gid_uc分别为电池与UC电流控制对象；Gui_ba和Gui_uc分别为电池与UC控制器传递函数，采用PI控制器，其传递函数形式为

图3中，Kpwm为PWM调制系数，可根据经典控制理论设计电池与UC电流控制环，使得电池与UC电流环具有较高的控制带宽，满足内、外环控制带宽的解耦要求。

图3 直流环路控制框图Fig.3 Diagram of control block of the DC

根据图3可得电池与UC电流闭环传递函数

由此得到电池母线电压控制环开环传递函数为UC母线电压控制环开环传递函数为式中，为并行母线电压环PI控制器传递函数。根据图3可计算母线电压闭环传递函数为

由式（20）可知，并行双环增加了母线电压控制增益，提高了系统抗扰动性；同时由于冗余控制母线电压，系统可靠性增加。根据经典控制理论，系统闭环控制带宽略低于开环截止频率，因此通过对和的选择设计，使母线电压误差信号有选择地通过电池与UC控制环路。分别令和为零，可得到电池与UC单独闭环传递函数，闭环伯德图如图4所示。由图4可看出，电池控制环路闭环带宽窄，约为3Hz，其运行在较低频段，抗扰动能力弱，但是保留一定的动态调节特性。由于电池的能量型储能特性，在低频段电池为系统稳态运行提供能量支撑和运行基础，满足系统稳态功率平衡需求。而超级电容控制环路闭环带宽较宽，约为180Hz，抗干扰能力强，动态响应快，可提高系统鲁棒性，补偿系统动态功率需求。由此可知，UC主要工作在3～180Hz频段，而电池则主要工作在0～3Hz频段。

图4 DC-DC侧控制环路闭环伯德图Fig.4 Diagram of DC-DC close loop Bode plots

由图4可知，系统直流侧动态响应主要由UC直流母线电压控制环路决定，其控制带宽为180Hz。系统交、直流动态特性配合一致，才能保证系统的正常运行。通常情况下，直流侧动态响应略快于交流侧动态响应，这为交流电流环的参数设计提供了截止频率上限依据。

图4中，电池与UC闭环带宽同时占据低频段部分，此时，误差信号的分配由低频增益决定。当UC端电压正常时，控制环路自动分配机制可以取得较好效果；然而当UC端电压过高或过低时，此时并不希望能量持续的流入或流出UC，因此通过交流瞬时功率前馈，间接调节UC端电压水平。前馈系数为

此前馈系数可使流入UC的功率均值较小，然而并不能保证UC端电压处于正常范围内，如图5所示。因此，本文设计了UC端电压辅助控制，系统结构如图2所示。采用滞环控制，调节UC端电压水平，滞环示意图如5所示。图5中根据本文UC端电压水平标识了三段范围，当UC电压上升到启动控制域后，启动控制，UC电压经过下降控制域进入停止控制域，并停止UC电压控制；当UC电压降落到启动控制域后，启动控制，UC电压经过上升控制域进入停止控制域，并停止UC电压控制。

图5 UC电压滞环控制示意图Fig.5 The hysteresis control diagram of UC voltage

UC电压控制如图6所示，UC电压辅助控制设计控制速度为s级，电池电流环闭环动态特性可以忽略，因此图6中PI参数依据典型一阶环节设计方法设计，较为简单。

图6 UC电压控制框图Fig.6 The control block diagram of UC voltage

2.2 AC侧控制策略

AC侧控制性能很大程度上取决于电流控制，因此合理的电流控制结构及控制器尤为重要。文献[11,12]提出采用不对称电流注入的比例谐振控制器，虽然能够无静差地跟踪正弦电流，也具有较好的控制性能，但是不能提取不平衡电流的正、负序分量加以解耦控制，难以取得较好的直接功率控制效果以及电网故障时期的负序电流控制。因此，本文采用解耦双同步坐标电流控制，其控制结构如图7所示。对于解耦双同步坐标器电流控制，正、负序分量的提取是关键的一步，文献[13]提出基于陷波器的序分量提取法，但陷波器的使用影响控制系统动态性能。因此，本文采用文献[14]提出的解耦双同步坐标系序分量提取法，文献[14]已经给出了具体实现方法及其时域分析，本文给出其频域传递函数，以便于控制器的设计。值得注意的是，图2中锁相环所使用的序分量提取也是使用文献[14]中的方法。

图7 双同步坐标系序分量提取Fig.7 Diagram of extraction of sequence component

图7中，上标P表示正序分量；N表示负序分量；ωf/(s+ωf)为低通滤波环节；v为信号变量，既可表示电压信号，也可表示电流信号；Tθ+和Tθ-为正、负序旋转坐标变换矩阵

经过推导得到图7传递函数矩阵为

式中

根据图2所示的控制结构及式（25）可设计正序电流控制框图如图8所示。图中下标dq分别表示d轴与q轴分量，符号‘^’表示信号估计值，为采样及控制延迟环节，T'为序分量提取模型，其表达式为

式中，LPF( s)为一阶低通滤波器传递函数。图8中引入电压前馈控制，可以显著提高变换器电网故障时的控制性能，电压前馈系数Kf一般取1；PWM环节与逆变桥级联作用可等效为零阶保持单元，持续时间为采样周期。由图8可知，交流电流控制环路中存在正、负序电流估计环节，因此，式（26）表示的正、负序估计传递函数必须计入环路参数设计中。负序电流控制与正序是相同的，仅在dq轴解耦项中的符号相反。

电流控制可以视为二输入、二输出系统，经过简化，电流控制闭环传递矩阵为式中，PI(s)为PI调节器传递函数。依据式（27）可调节PI控制器参数，使得电流控制器具有较好的动态性能及稳态特性，且dq轴之间具有较好的解耦性能。

图8 DC-AC侧电流控制框图Fig.8 The control block diagram of DC-AC current

图9为电流动态响应及闭环伯德图。由图可知，电流闭环带宽约为145Hz，略低于直流侧控制带宽。交流侧电流动态响应特性可以较好地与直流侧相配合，从而使系统具有较好的动态响应。

并网变换器内环为电流控制，外环根据运行模式不同分为输出电压控制及基于瞬时功率理论的参考电流生产系统，如图2所示。

基于瞬时功率理论，三相电压与电流相互作用形成瞬时无功功率与有功功率，在三相不对称条件下，变换器瞬时功率可表示为

图9 DC-AC电流闭环动态响应及伯德图Fig.9 Diagram of dynamic and Bode plotsfor the current loop

当用同步旋转坐标系表示时，功率各分量可表示为

式（29）即为图2中瞬时功率计算表达式，可知ΔPswa不仅包含输出功率动态信息，还包含故障时功率波动分量。考虑到电网不平衡时的不同控制目标，如消除并网点有功波动，根据式（29）可得到参考电流，见式（30）。不同控制目标的参考电流可通过类似的方法计算[14-16]。

当系统失去外部旋转电源时，光伏等分布式电源失去同步参考源，此时HESS可做为电压源，为光伏等分布式电源的电压提供同步参考基准。

输出电压控制框图如图10所示，同样输出电压控制系统为二输入、二输出控制系统，其分析过程与电流控制类似，本文不再赘述。

图10 AC侧输出电压控制框图Fig.10 The control block diagram of output voltage at AC side

3 仿真与实验验证

3.1 仿真及波形

为验证上述控制策略，在Matlab/Simulink环境中建立仿真模型。图11为输出功率出现较大波动时，UC与电池的响应。图中，iba表示电池输出电流，iuc表示UC输出电流，udc表示直流母线电压。由图可看出，当系统输出功率突然增加时，UC立即响应，即瞬时放电，从而满足系统功率需求，维持直流母线电压的稳定；而电池输出功率则缓慢上升直到稳态。同样，当系统输出功率大幅度突降时，UC立即充电，吸收系统多余能量，防止直流母线电压过冲，电池输出功率则平滑地降低到稳态值。由此电池与UC协调工作。

图11 仿真波形Fig.11 Simulation waveforms

3.2 实验及波形

本文同时搭建了结构如图1所示的硬件平台，具体参数为：Luc=10mH, Lba=20mH, Cdc=6 500μF, Udc=650V，AC侧输出LC滤波器L=10mH、C=10μF，UC为单体90V、9.6F的电容器二并三串组成的270V、6.4F UC组，控制器采用DSP TMS320F28335。

图12为不同补偿模式时，系统各物理量波形。图12a为补偿PCC功率高频分量，该模式下，UC补偿PCC的尖峰毛刺功率，PCC的功率得到平滑，HESS发出零均值的噪声功率，此时电池并不输出功率，只有UC端电压进入UC电压启动控制域后，电池才相应地对UC进行充电或放电。图12b为补偿PCC功率低频分量，此时，由于PCC功率平滑深度较深，电池与UC同时参与功率调节，HESS输出不再是零均值功率，相应的PCC功率得到深度的平滑。同时，图12显示，无论HESS处于何种补偿模式下，当UC端电压进入图5所划分的启动控制域时，UC端电压控制环路将启动，使UC的端电压得到合理控制，因而HESS具有一定的容量裕度，提高了HESS的稳定性。

图12 UC电压滞环控制及PCC功率补偿波形Fig.12 Waveforms of hysteresis control of UC voltage and power compensation of PCC

图13为HESS变换器控制效果波形。图13a为HESS直流侧混合储能动态响应，iba表示电池输出电流，iuc表示UC输出电流，udc表示直流母线电压。由图可看出，当直流母线变化时，即系统功率出现缺额，UC立即响应，瞬时充电或放电，从而满足系统功率需求，维持直流母线电压的稳定；而电池输出功率则缓慢变化直到稳态，两者协调运行。图13b为HESS交流侧输出不平衡电流控制波形，图中ia、ib和ic为输出电流，ua、ub和uc为输出电压。由图可知，HESS具有较好的三相交流不平衡电流控制性能及三相平衡电压控制性能。

图13 实验波形Fig.13 Experimental waveforms

由图13可看出，本文所提HESS能够正确运行在所期望的运行模式上，完成期望的控制目标。DC侧完成功率分流控制，保证直流母线电压的稳定，同时UC端电压得到合理的控制，提高了系统的容量裕度，UC与电池能够协调运行。AC侧完成不平衡电流控制或电压控制。

4 结论

本文提出用于微电网HESS的双级式变流器协调控制策略及控制器参数设计，通过DC侧对等式电压解耦控制及交流功率前馈补偿方法，完成稳、动态功率的分流控制；通过AC侧双同步坐标系双解耦控制，提高了AC侧功率控制的灵活性和变换器运行性能。整体系统的协调控制提高了HESS的动态响应性能和UC的使用效率。仿真和实验结果表明：

1）协调控制策略能够快速响应交流侧功率的波动，有效抑制了母线电压波动。

2）协调控制策略能够维持UC端压水平，有效解决了UC能量密度有限的问题，提高UC利用率，同时降低了电池放电速率。

3）网侧变换器控制器能够准确、快速地跟踪不平衡电流。

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孙建龙 男，1963年生，博士研究生，主要研究方向为电网规划与运行控制。

E-mail: sunjianlongnj@sina.com

全相军 男，1985年生，博士研究生，主要研究方向为配电自动化及电力信息交互技术。

E-mail: 3452606@qq.com（通信作者）

作者简介

收稿日期2014-07-16 改稿日期 2015-05-13

中图分类号：TM60