摘要：本文将蓄电池和超级电容分别经过双向半桥变换装置连接至直流母线上，形成混合储能系统，通过蓄电池来稳定直流母线电压从而保持母线上能量的提供与需求稳定，由超级电容来有效抑制突变电流对母线的冲击。研究并打造了双向半桥变换装置的数学模型以及四种模式下的控制策略。利用数字信号处理达到储能系统的整体控制，经过试验证明了系统控制策略具有一定的有效性。
关键词：混合储能系统；控制策略；蓄电池；超级电容；
0简介
对可再生能源的充分利用，不仅仅可以缓解现如今的能源危机问题，还可以在很大程度上降低污染物的排放，可以得到相对较好的节约能源减少排量的效益。可再生能源发电单元具有发电量不稳的劣势，故而储能系统俨然变成了以太阳能、风能等为主要能量来源的DCS控制发电系统的关键阶段，具有一定的研究价值。
1储能系统结构和工作原理研究
把蓄电池以及超级电容分别经过双向半桥连接至直流母线上形成混合储能系统，那么这种变换装置是现如今在光伏发电储能系统当中应用相对广泛的一种双向变换装置。为了优化研究，设定DCS控制系统能量来源只来自光伏电池，那么系统的优化结构如图1所示，直流母线将其判定为光伏发电单元、负载、储能系统三者的共同接点，将DCS控制发电系统当中的直流负载、单独运转逆变装置、并网运转逆变装置都被称作直流母线的负载。
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图1混合储能系统控制原理图
蓄电池在系统当中的功能通常是保持母线上能量的功率稳定，在负载功率发生变化的一瞬间，光伏电池的功率被判定为不变，这需要蓄电池快速的变换其充放电功率来达到负载标准。然而蓄电池功率密度小的特征是衡量了蓄电池能否达到标准的唯一指标。[1]
在整个混合储能系统运转期间，其控制原理图如图1所示。蓄电池以及超级电容分别经过一个双向变换装置连接至直流母线上，为了达到系统功能，混合储能系统的控制中设计了四个控制器。
控制器1收集蓄电池充放电电流以及直流母线电压，并依照给定的直流母线电压值控制双向变换装置工作于单端稳压模式，平稳直流母线的电压。控制器2收集超级电容端压以及充放电电流，依照负载功率高频分量检测阶段的高频功率信号，得出超级电容实时充放电电流值的大小，能够达到超级电容充放电功率的控制，提供或吸收发生变化功率的高频部分，给蓄电池提供缓冲。控制器3工作在负载功率波动值不超过规定的阈值的时候，收集超级电容电流以及端压，依照设定的超级电容端压参考值Vscref进行恒压限流充电，这能使超级电容的电压时刻保持在设定值，为下一次负载发生变化做准备。控制器4运转在蓄电池过放时，蓄电池已经不可以在保持母线电压平稳，需要断切断负载，对蓄电池做充电处理，收集蓄电池电压以及电流，实施恒压限流充电的措施。
2系统主电路和控制策略研究
2.1双向半桥变换装置两种模式下的数学模型
将蓄电池以及超级电容都等效为理想电容及一个等效串联内阻的优化模型：
C——储能器件等效电容
r——串联内阻
U2——储能器件的端压
L——电感、
S1、S2——开关管
C1——输出侧滤波电容
RL——等效负载
U1——输出电压
在变换装置运转在Boost单端稳压模式的时候，设d为S1的开关函数，可以得到其小信号模型如下所示：[2]
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2.2双向半桥变换装置四种模式下的控制策略
在变换装置处于Boost单端稳压模式时，负载RL在数值上来说可以为正也可以为负，也就是变换装置正向工作的时候为正，反之则为负。双向变换装置Boost单端稳压模式使用电压电流双闭环调节。
在超级电容顺利运行的时候，超级电容给予负载高频功率，检测阶段得到功率的高频部分，计算得出超级电容充放电电流的参考值，再经过控制超级电容充放电电流来实现。直接用比例积分控制器就可以让电感电流平稳。
系统正常运转时，假设负载波动幅度小于设定的阈值，则需要对超级电容进行恒压限流充电，使超级电容的端压回到给定值。除此之外，在蓄电池端电压太低的时候，为了减少蓄电池过放电，还应该对蓄电池做充电处理，此时变换装置的控制标准是低压端输出电压，使用电压外环电流双内环的双闭环的控制策略。[3]
3储能系统仿真研究
3.1蓄电池单独工作仿真
假设蓄电池单独工作，其仿真效果上部分曲线为直流母线电压波形，下部分曲线为蓄电池电流波形，通过仿真结果可以发现，在负载变化一个周期之后，母线电压可以控制在220V左右，证明蓄电池单端稳压模式可以起到保持母线功率稳定以及母线电压平稳的功能。
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图2 蓄电池单端稳压模式仿真波形
在系统加载时，蓄电池电流值由负变正，补充母线上功率的不足。在这段时间内母线电压跌落至198V，跌落幅度为22V。
3.2混合储能系统仿真
加入超级电容形成混合储能系统后，超级电容按照高频滤波得到功率高频分量进行充放电，给蓄电池提供缓冲。
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图3 混合储能系统负载突增时仿真波形
系统加载的时候，超级电容依照高频功率给定，输出电流从0快速提高到20A，超级电容提供了负载发生变化功率，在超级电容功能下，蓄电池得到极大的缓冲，这个时候直流母线电压的降低到5V，不超过蓄电池稳压的22V。0.15s时因为负载功率高频分量已经趋近于0，这个时候超级电容开始充电，补充工作时释放的能量，使自身电压回到给定值，切换期间母线电压基本不受影响。
4结束语
本文所研究的混合储能系统经过蓄电池平稳直流母线电压、超级电容提供负载发生变化功率高频分量的运转方式，可以充分利用两种储能器件的优点，让整个储能系统具备高能量密度以及高功率密度的特征。除此之外恒压限流充电阶段能在负载发生变化后对超级电容自动充放电，让其端压回到给定值，为接下来的负载发生变化做准备，在很大程度上提高了超级电容的利用率，降低了系统对超级电容的容量标准。
参考文献：
[1]压缩空气超级电容混合储能系统当中储电装置容量优化设计[J].黄先进，张立伟，郑琼林，Alfred.Rufer. 电源学报.2013（06 ）
[2]混合储能系统基于荷电状态的功率分配方法[J].丁若星，肖曦，王奎，田培根. 电力电子技术.2015（03 ）
[3]蓄电池-超级电容混合储能系统放电控制策略[J].尚彤，崔学深，徐明荣，钱迪，郑会. 电源技术.2017（04 ）
论文作者:胡涛
论文发表刊物:《基层建设》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/12
标签：电容论文; 蓄电池论文; 母线论文; 负载论文; 系统论文; 功率论文; 电压论文; 《基层建设》2018年第29期论文;