第29卷第5期 ・电子测量与仪器学报 JOURNAL OF ELECTRONIC MEAsUREMENT AND INSTRUMENTATION 2.29 No.5 730・ 2015年5月 DOI:10.13382/j.jemi.2015.05.014 微电网混合储能系统控制策略研究水 于会群 ’ 钟 永 张 浩。 彭道刚。 (1.同济大学电子与信息工程学院上海200090;2.海南电力设计研究院海南省海口市电站自动化技术上海市重点实验室上海海南571100; 3.上海电力学院 自动化工程学院200090) 摘要:微电网中的微电源和负载具有波动性和随机性,故储能系统是维持微电网安全可靠运行并改善电能质量的关键,蓄 电池与超级电容器混合使用可以发挥蓄电池电池能量密度大和超级电容器功率密度大,充放电速度快的优势,提高微电网储 能系统性能。提出了一种基于互补PWM小信号模型,并分别给蓄电池和超级电容器设计了控制方案,蓄电池采用单电流环 很好的平抑了功率的低频波动,超级电容器采用带前馈的双环控制,平抑功率的高频波动,并有效的维持了直流母线电压的 稳定。仿真结果证明了所提出的控制策略的正确性。 关键词:蓄电池;超级电容器;混合储能;双环控制 中图分类号:TM73 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:48040 Research on control strategy of hybrid energy storage system in micro grid Yu Huiqun ・。Zhong Yong Zhang Hao Peng Daogang (1.College of Electronics and Information Engineering,Tongji University,Shanghai 200090,China; 2.Hainan Electric Power Design and Research Institute,Hmkou 571 100,China; 3.College of Automation Engineefing,Shanghai Key Laboratory of Power Stmion Technology,Shanghai University of Electirc Power,Shanghai 200090,China) Abstract:As micro—sources and load have the characteristics of lfuctuate and random in micro—grid,energy storage system is the key to maintain micro- d operation safely and reliably,which is also able to improve the quality of power.The high energy density of storage battery and the high power density of supercapacitor could be both realized by mixed using storage battery and supercapacitor SO as to achieve a high performance battery system with high speed of charge and discharge.A power model,which is based on small signal model of the complementary PWM is illustra— ted.The control circuits of which are desined gfor both storage battery and supercapacitor.In the system,the low—fre- quency fluctuation of the storage battery is well eliminated by single current loop,and the high一 ̄equency fluctuation of supercapacitor is well reduced by utilizing double loop control itwh feedforward control SO that the DC voltage of the main bus is stable.The simulation results prove the validity of the proposed control strategy. Keywords:storge batatery;super-capacitor;hybrid enery sgtorage;double loop contolr 1 引 言 目前,国内外对储能系统的控制策略展开了研 究,并提出了基于短期负荷预测的微电网储能系统 主动控制策略,在考虑蓄电池容量、充放电次数 的情况下,根据负荷预测的结果,主动的控制蓄电池 超级电容器作为微电网的储能单元,建立了互补 PWM控制的小信号等效模型,应用双闭环控制和功 率前馈环节实现了直流母线电压的稳定。但是单一 的储能单元往往不能很好的兼顾微电网对于能量和 功率的要求。文献[2]提出了蓄电池一超级电容器混 合储能的概念,并从理论上证明了混合储能系统在 的充放电,优化蓄电池的充放电曲线。文献[1]采用 收稿日期:2014—12 Received Date:2014-12 基金项目:国家自然科学重点(61034oo4)、上海市教育委员会科研创新(12YZ142) ̄.目 第5期 微电网混合储能系统控制策略研究 性能上的优越性。文献[3]针对脉冲型负载,设计了 一种有源式混和储能连接方式,优化了蓄电池的放 电状态。文献[4]采用蓄电池一超级电容器混和储能 系统,蓄电池和超级电容器根据各自特性分别平抑 低频和高频的功率波动,平滑了并网的风光有功功 率,提高了并网的电能质量 引。 现有对混合储能的研究,主要集中于平抑并网 功率的控制策略,而对运行微电网的电量实时 平衡和电压稳定的研究较少。微网中混合储能 的控制主要包括综合负荷功率在储能单元之间的功 率分配和控制电路的设计 m 』。 2控制系统设计 buck/boost双向变换器承担了蓄电池和超级电 容器的充放电任务,双向状态切换频繁,在对蓄电池 和超级电容器进行控制设计前,需获得buc/kboost 令 A 双向变换器和PWM调节器的传递函数 。本文 = 建立了基于互补PWM控制的双向变换器小信号模 0 型,在此基础上设计了储能单元的控制系统。 2.1基于互补PWM控制的开关变换器小信号 模型 o 一8 = 为避免频繁切换开关造成的大量开关损耗以及 实现电感电流的平滑稳定控制,该文采用PWM互补 控制。图1中,设S:/D2导通时间为d,Is】/D1导通 的时间为1一d。设电感电流i ,直流母线电容电压 配 为状态变量;设电源电压 和负载电流i 为输 入变量。 i0 ——————— ———————'一 —— C 图1 buck/boost功率变换器结构 Fig.1 Structure of buck/boost power conve ̄er dttcC =一 l diL-__rLiL+ dn I1I 。0 10 l l. 0 -L 1 d 1 0 (2) 0 1L _0 卜 y也1Zi I J.c dtLc 一 ㈤ 【 diL=-rLiL一 + d u ,、 1 n d£ C d 一1 一 1 ,0 、 £ (4) u 一1 d 令A2= 01 吉 一 ;曰2= 一1 ,、 了 U L 运用状态空间平均法: A=DA+f1一D)A (5) B=DB+f 1一D)B (6) x:Ax+By (7) 联立式(4)、(5)、(6)解得: d 0 ・d 一(1一d) 一FL fI+ d£ L 0 电子测量与仪器学报 0 ,、 一第29卷 1 1一D 一(1"L+L) (8) C 1 百 1 了L C 1一D 0 A c I 代人静态工作点状态方程0=A +BY,设屯、 △ ,J C 。、M 、i i d对应的稳态分量为 、 D。得到: 0 1一d C 、,。、 + I lA M l ・+ + Il A l l+ + 0 l (1一D)t U 一(1一d) 一1"L 0 I(9) 解得静态工作点为: Il Ur_c .1_L ) 【 一1一 r 由式(10)可知: 当 一(1一D)Uc>0时: >0,故DC/DC功 率变换器工作在放电状态(boost)。 当 一(1一D)Uc<0时:It<0,故DC/DC功 率变换器工作在充电状态(buck)。 一当 一(1一D)Uc=0时:It=0,故DC/DC功 率变换器工作在零功率交换状态。 由上式也可以看出,调节占空比D的大小即可 控制电感电流。 在稳态工作点处对系统添加扰动: =U + △ c, = +△ L, f。。d= 。d+Aifo。d,d=D+Ad, = +△ 忽略二阶分量,且考虑,。= 线性 化后可得小信号模型。 0 1一D A c 1 C Auo・ + A i£l 一(1一D) 一FL ,、 一1 一IL C ‘ + Ad (11) 1 Uc 了 u 解得: — + A d (12) -+ + 通过拉普拉斯变换为: △ c l△ l (1一D)Uc一1"LIt—slit l △ ‘ ll + LCs +r, CS +( 一 )1 D (13) b。d I 又因为功率平衡有: M ・iL一 ・ = c・i。 (14) 代入小扰动得: = + 一 2.2蓄电池的控制结构设计 蓄电池在系统中主要承担综合负荷的低频波 动,本文采用单电流环控制,蓄电池电流跟踪目标电 流值变化,根据参考充放电电流指令i ,来控制蓄 电池的充放电。蓄电池的控制框图如图2所示; G (s)为电流环补偿网络传递函数,可用式(17)所 示的极零点补偿控制实现;G (s)为PWM脉宽调 制器传递函数,可由式(16)求得;G (s)为buck/ boost功率变化器占空比至输出电流的传递函数,可 由式(13)求得;H(s)为电流采样传递函数。图中, 蓄电池电流实测值i 与参考电流i 之间的差 值,通过极零点补偿调节器产生电压控制量 ,电压 控制量与PWM控制器的锯齿波幅值作比较,产生占 空比 触发buck/boost双向变换器桥臂上的开关S 或s ,控制蓄电池电流。 第5期 微电网混合储能系统控制策略研究 图2蓄电池控制 Fig.2 Block diagram of battery contro1 (s)= 1 (16) 图3超级电容器控制 Fig.3 Block diagram of super capacitor control 式中: 为PWM调制波三角波幅值。 电流环补偿网络传递函数G (s)采用极零点补 由图3建立电流内环传递函数: 偿模型如式(17)所示。 G c mGi^. a△ 埘+Gi,u,Au +GiLLl ̄Ai 一 (1+ )(1+ ) 1+GicG舢mGi,dHi Gc( ):G∞— — (17) (18) s(1+ )(1十 ) 式中:G 为控制至电感电流的传递函数,可由式 otpl O.)p2 (13)求得;G 为输入电压至电感电流的传递函数, 式中:GcD为直流增益;tO:1、 为补偿零点;∞pl、∞ 2 可由式(13)求得;G“,.为负载电流至电感电流的传 为补偿零点; 递函数,可由式(13)求得。 2.3带功率前馈的超级电容器控制结构设计 G (s)=iL(s)/d(s)= 超级电容器响应速度快,提供综合负荷功率与 (1一D)IL+CUcs 蓄电池功率的差额功率,并维持系统直流母线电压 LCs +rL +(1一D) (19) 的稳定,使得蓄电池始终处于优化充放电状态,延长 G s)=iL(s)/u (s)= 蓄电池的使用寿命。本文超级电容器采用电压外环 Cs 一电流内环双环控制,超级电容器控制如图3所示。 LCs +r£ +(1一D) (20) 图中Hi(s)为电流内环采样网络函数、/L(s)为电压 G (s)=iL(s)/i (s)= 外环采样传递函数、G (s)为电流内环补偿网络函 l_ (21) 数、Gv (s)为电压外环补偿传递函数,G (S)和 LCs +rLCS+(1一D) GI (s)均采用 补偿控制。 把式(19)、(20)、(21)代入式(18)中得: . G c [(1一D) +c s]△ L re,+ △ +(1一D)Ai d 一 G cG…[(1一D)IL+CU ̄sln +[LCs +rLCs+(1一D) ] (22) 由于电感£和电容C的数值很小,一般为 Au = 10 数量级,D为占空比,1一D介于0和1之间。 G K(Ut一2r )△M +ILAui—U。△ △ 和△ 的系数相对△ 而言可以忽略不 G K( 一2r ) + + (23) 计,故可以忽略△ 和△ 对电流环的影响。在 对于电压外环,在采用恒压控制有: 忽略系统延时的情况下电流环可以等效为比例 Au =0 (24) 环节K=1/H 。 将式(24)代人(23)得: 又由图4可知电压外环传递函数: I,Au —Uc△ c : : (25) 电子测量与仪器学报 第29卷 由式(25)可以看出,在恒压控制策略下, 直流母线电压的波动主要由电源电压△M 和 负载电流△ 波动引起。为了有效的抑制直 流母线电压的波动,本文引入功率前馈控制。 引入前馈控制后,超级电容器控制框图如图4 所示。 由图4可建立基于功率前馈的电压外环传递 函数: 由式(26)可知在恒压控制下,只要KK 一1= 0和KK2—1=0,从理论上便可消除负载电流和输 图4基于功率前馈的超级电容器控制 Fig.4 Block diagram of super capacitor control based on power feedforward 入电压波动对系统产生的影响,直流母线保持暂态 稳定。 (26) 3 算例分析 3.1仿真参数 『 (s)=G (s) (1一D)IL+CUcs LCs +r£C.s+(1一D) (s)n(s) 1 (27) 代入相关参数,取PWM脉宽调制器得三角波 的峰值为VM=10 V,反馈网络传递函数H(s)=1 计算得到补偿前的开环传递函数为: 为验证上述控制策略的正确性,在MATLAB/ Simulink中搭建混和储能仿真模型进行仿真,仿真 主体结构如图5所示。选取蓄电池容量4× 320 Ah,额定电压220 V,额定电流100 A;超级电 容器容量63F、额定电压100 V。 其他相关参数为:蓄电池支路电感5 mH,内阻 0.3 Q;超级电容器支路电感5 mH,0.3 Q;稳压电 容5 mF;直流母线额定电压400 V;buck/boost双向 变换器开关频率10 kHz。蓄电池的荷电状态区间 为[0.35,0.9],超级电容器的荷电状态区间为 [0.5,0.95],蓄电池和超级电容器的荷电状态初 值均设为0.5,低通滤波器的初始时间常数T设为 50 s,即综合负荷功率中频率低于0.02 Hz的功率, 分配给蓄电池,而高于0.02 Hz的高频功率分配给 超级电容器。 3.2控制电路补偿函数的求取 10o l0t 102 103 Frequency/Hz 104 1舻 图6蓄电池控制电路补偿前开环传递函数伯德 Fig.6 Bode diagram of open-loop transfer function before battery control circuit compensation 首先计算蓄电池和超级电容器控制电路的补 偿网络G (s)和G。 (s)。 由图2可知,蓄电池控制回路补偿前系统开环 传递函数为: Tb(s)= 25×10一 s +1.5×10-35+0..3 (28) 第5期 微电网混合储能系统控制策略研究 Fig.5 Simulation subject structure of hybrid energy storage system 由图6可知,补偿前开环伯德图低频段较为平 :—L:16 H (30) 函数为: =厶= =16 Hz(31) r1+ 、r1+ 、 用 。抵消原始传递函数零点出现的最低频 G (s):G —— — (29)率,即: ~s(1+ )(1+ ) 厶= =27.5 Hz (32) 回路函数… 一网 c ,、. 一一. P2n、……, 蝗-i,4 :置于稍高于穿越频率处,以减小输出高 。 ….。 :一一……一 …~”。 在高于双 乃(s)2个相近极点频率相等,(s 喜 堡 的频段这样使得 频开关 …。 . 5 ,开环传递函数是以一 得补 络传递函数为3 000 H (33) 20 dB/dec下降。即: ’ 。。。。。 。一。……一’: 电子测量与仪器学报 第29卷 G :100 (s)=——— 二壶 二壶 (34) —— (34) ,s(1+高)(1+ ) 补偿后系统开环传递函数为: (s)=G (s)・G (s)・G (s)・H(s) (35) 代入相关参数,伯德图如图7所示。补偿后开 环传递函数的相角裕度为41.7。。穿越频率为 1.55 kHz,低频段得到明显改善,消除了稳态误差, 满足系统稳定性要求。 9 0 l 2 3 51 图7 蓄电池控制电路补偿后开环传函伯德 Fig.7 Bode diagram of open—loop transfer function after battery control circuit compensation 超级电容控制电路中,电流环可以看作是比例 环节,系数为K=1/H ,又取K1=K2=1/K=1。 补偿前电压外环的开环传递函数为: ) ・ 1 (36) 设电压外环PI控制补偿传递函数为: G (s)=20(1+ ) (37) 超级电容器控制电路的开环传递函数频率 特性伯德图如图8所示。补偿后提高了穿越频 率,提高了系统的响应速度。补偿后系统的相 位裕度为90。,穿越频率为1.6 kHz,满足系统设 计要求。 图8超级电容器控制系统的开环频率特性 Fig.8 Open—loop frequency characteristics of super capacitor control system 3.3仿真结果分析 图9所示为引入功率前馈前后的直流母线电 压曲线,在引入功率前馈前,直流母线的电压波动 较大,尤其是当综合负荷功率在正负之间转换时, 直流母线电压存在剧烈的波动;在引入功率前馈 后,前馈环减小了电源电压和负荷波动对直流母线 的影响,直流母线电压更为稳定,使得直流母线电 压的波动维持在5%的范围内,满足系统可靠性 要求。 图9 直流母线电压曲线 Fig.9 DC bus voltage curve 第5期 微电网混合储能系统控制策略研究 ・737・ 4 结 论 蓄电池与超级电容器混合使用可以发挥蓄电 池电池能量密度大和超级电容器功率密度大,充放 电速度快的优势,提高储能系统性能。本文针对 buck/boost功率变化器,选取电感电流i 和电容电 压U 为状态变量,储能单元电压/Z 和负载电流  ̄‘Load为输入变量,建立了基于PWM互补控制的 buck/boost功率变换器的小信号模型,并分别设计 了蓄电池和超级电容器的控制电路,采用单电流环 控制蓄电池的充放电,平抑综合负荷中的低频分 量,超级电容器平抑综合负荷功率与蓄电池功率的 差额,在电压一电流双闭环控制中增加了功率前馈, 抑制了直流母线电压的波动。 本文在MATLAB/Simulink中搭建了混合储能 系统仿真模型。仿真结果证明了所提出的控制策 略的正确性。 参考文献 [1]张国驹,唐西胜,周龙,等.基于互补PWM控制的 Buck/Boost双向变换器在超级电容器储能中的应 用[J].中国电机工程学报,2011,31(6):15-21. 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D.candidate in Tongji University.The research interests in— clude automation technology of power plant and new energy power generation technology. 是德科技率先发布适合当代半导体功率器件开发的关键参数表征解决方案 提供Ciss、Coss、Crss、栅极电荷/栅极电阻测量和自动热测试 是德科技公司(NYSE:KEYS)日前宣布旗下 器件研究人员,能够帮助他们开发可靠的功率器件, 例如IGBT和功率MOSFET,或者新的宽带隙(去 掉)功率器件材料,例如金刚石或氮化镓。工程师也 B1505A功率器件分析仪/曲线追踪仪发布重要增 强,成为业界首个支持晶圆上和封装器件所有关键 参数表征的解决方案,能够提升当代半导体功率器 件开发效率。 可以使用B1505A检测进厂器件和分析故障。 是德科技Hachioji半导体测试事业部总经理 Masaki Yamamoto表示:“可靠性和能效是现代功率 器件的核心要求,开发功率器件需要工程师在宽泛 的工作条件下深人表征器件,并全面评测器件的栅 高效可靠的半导体功率器件是迅速发展的功 率电子行业的基础,而高效开发器件需要深人表征 栅极电荷(Qg)、器件电容(Ciss、Coss和Crss)与栅 极电阻(Rg)等全新和传统器件特征,以及晶圆上 和封装器件特征。低温或高温等实际工作条件下 的器件表征同样重要。工程师需要一款满足上述 极电荷、栅极电阻和电容。增强后B1505A可以提 供丰富的功能,帮助工程师轻松且精确地完成测量 任务,为功率器件测试树立新标杆。” Keysight B1505A采用Microsoft Windows 7操 所有功能需求的解决方案。 增强版B1505A可以提供工程师需要的全部 晶圆上和封装器件表征功能:自动热测试功能结合 热管理设备能够覆盖一50℃至+250 oC的工作 温度范围,新的测量功能支持自动高压偏置器件电 容和栅极电阻测量。并且,工程师可以借助应用低 作系统,是一款综合功率器件测量解决方案,低于 pA至10 kV/1500 A的测量范围支持 Q级精确 导通电阻测量,10 s快速脉冲功能可以实现全面 的功率器件表征。此外,B1505A配有可扩展的体 系结构、易于使用的软件环境、下一代曲线追踪仪 压和高压设置的新方法测量栅极电荷曲线,从而精 确表征IGBT模块等超高功率器件。 全新增强B1505A配有灵活的可升级硬件体 系结构,能够满足器件或工艺工程师几乎所有的需 求。例如,B1505A体系结构支持多达5个高压电 和自动测试与分析功能,能够提供无与伦比的功率 器件表征性能和易用性。 全新增强同样适用于是德科技现有B1505A 产品,并已于4月1日起接受订购。B1505A最终 价格取决于所选配置。 源监i贝4单元的配置,可以满足强化(加强的)可靠 性测试要求。 B1505A全新增强非常适合器件和工艺工程师、 如需了解更多关于全新B1505A的信息,请访 问、” .keysight.corn/find/b1505a。查看增强功能 的图片,请访问WWW.keysight.com/find/B1505A— imageso 功率器件制造质控(品质控制)工程师和半导体功率