基于储能的多端口电源系统能量管理与控制策略

冯兴田，陶媛媛，孙添添

(1.中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东 青岛 266580;2.国网山东省电力公司东营供电公司，山东 东营 257000)

0 引 言

多端口电源系统属于复合式发电系统，通常包括分布式电源、DC/DC变换器、储能单元、直流母线以及负载等。DC/DC变换器中，单向DC/DC变换器实现从源侧向负载的能量传递；而双向DC/DC变换器能够根据控制需要，灵活地实现升降压、能量双向传递的功能，应用广泛[1-2]。

满足输出电压匹配的同时，通过良好的控制，双向DC/DC变换器能够实现电流均衡、输出高稳定性等功能，常见的分析方法包括状态空间平均法、平均电流模式、环流控制模式和智能控制算法等[3-4]。文献[5]提出一种新的移相均流控制策略，解决传统两相并联DC/DC电路电感电流纹波较大、两相间电流不均衡的问题。文献[6]利用状态空间平均法建立了双向DC/DC变换器的数学模型，并提出一种简单实用的基于变量代换和参数估计的复合校正电流内环、电压外环双闭环控制策略。DC/DC变换器在新能源和多端口系统中的应用越来越多[7]。文献[8]通过隔离的三端口双向DC/DC变换器构建了一个包含燃料电池和储能单元的复合能量系统。

本文针对构建的多端口电源系统，设计了系统各单元的结构功能，分析了系统能量管理方案和储能单元的配置策略。通过系统控制，在负载稳定和动态波动的情况下，维持负载的供电稳定；建立系统仿真模型，对多端口电源系统的控制策略进行了有效性验证分析。

1 多端口电源系统原理与储能配置

1.1 系统原理与能量管理

多端口电源系统主要包括燃料电池、超级电容储能和单向/双向DC/DC变换器三个单元。燃料与氧化剂发生电化学反应，使燃料中的化学能转化为电能，实现燃料电池的发电。这里用的燃料主要是氢气，通常选择以甲烷为主的天然气，再通过燃料重整产生，但是燃料重整的这个化学过程比较缓慢，并且控制气体流量的机械系统也存在一定的滞后问题。所有这些，使得当负荷发生变化时，发电系统要经历一个较长的暂态过程，才能达到新的稳态，来满足供需平衡。为解决燃料电池输出特性偏软、瞬态响应慢的问题，通常采用快速储能单元辅助燃料电池发电系统构建复合发电系统，以便适应负载的变化以提高系统动态响应，储能单元一般采用超级电容器模组来实现。

图1 多端口电源系统能量流向图

多端口电源系统的能量流向图如图1所示。燃料电池及其单向DC/DC变换器单元主要负责向负载和超级电容储能单元提供能量；超级电容储能及其双向DC/DC变换器单元实现能量的双向流动，即能量的存储与释放,负载稳定时燃料电池部分稳定输出供给其所需能量；负载变化时会导致能量的波动，此时超级电容储能单元的功率输出，需要补偿燃料电池单元无法跟上的功率快速变化，即其功率给定控制为输出功率与燃料电池输出功率之差。

1.2 超级电容储能单元容量配置

实际控制中，燃料电池的控制器通常设计为一阶系统，而其响应速度要比燃料电池慢。燃料电池内部机械装置的时间常数通常在几十毫秒到几百毫秒不等，假设所采用的燃料电池的输出时间常数为τ1，选择燃料电池DC/DC变换器等效指令输出电流的传递函数G(s)的时间常数τ=3τ1，则该控制器的传递函数为:

(1)

假设在0时刻发生负载突增，如图2所示。根据一阶系统阶跃响应函数的时域方程可以得到燃料电池的输出能量为:

(2)

图2 能量变化示意图

输出负载母线的能量阶跃等于燃料电池的输出能量和超级电容输出能量之和，负载输出母线突变与燃料电池输出的能量之差即为超级电容需输出的能量W，如图2中的阴影部分所示。

鉴于一阶阶跃响应在3倍时间常数τ的时刻，可以达到阶跃值的95%以上，在下述计算中假定在3τ的时间周期内，燃料电池的输出功率可以与输出负载母线的功率相同，则可得到超级电容器需要输出的能量W为:

(3)

(1-e-3)≈0.95，可认为在3τ的时间周期中，超级电容需要储存的能量为实际阶跃能量的0.95/3≈0.32倍。

假定燃料电池的DC/DC变换器的输出响应时间t，负载母线输出电压为U，输出电流阶跃为I，由以上分析可知，超级电容器需要储存的交换能量为:

Wsc=0.32UIt

(4)

通常情况下，超级电容存储的能量为最大能量的67%，而超级电容的吸收或释放的能量大约为超级电容储存能量的33%；另外，超级电容器单体耐压较低，一般由多个超级电容器串并联构成模组使用。通过式(5)或式(6)计算所需超级电容器的数量或单体容量。

(5)

(6)

式中：C为单体超级电容器的容值;Usc为单体超级电容器的耐压值;U1为超级电容器初始电压;U2为超级电容器充放电后电压;N为超级电容器的数量。

2 多端口电源系统结构与控制策略

2.1 系统结构原理

多端口电源变换器主电路拓扑如图3所示，主体结构为两组变流器单元并联供电系统。图3中:燃料电池输出电压ufu，输出电流ifu，跟随一个Boost升压DC/DC斩波电路；储能单元由超级电容器串并联构成超级电容器模组，输出电压usc，输出电流isc，跟随一个双向DC/DC斩波电路；L1、L2为储能电感；S1、S2、S3为全控型电力电子器件，实现回路的通断控制；D1、D2、D3为续流二极管，对应开关管关断时提供相应的电流通路；C为输出滤波电容；RL为负载；uo为负载母线电压;io为负载电流。

单向DC/DC单元将燃料电池的输出传递给负载，此为主要能量来源，通过控制该变流器，实现负载电压的稳定；双向DC/DC单元则实现对超级电容储能单元充放电控制，维持负载波动时的电压稳定。两部分配合控制，各司其职，及时满足负载的能量需求。

图3 多端口电源系统结构图

2.2 控制策略

多端口电源系统具有两个DC/DC变换器，可以独立控制燃料电池和储能单元的输出功率。燃料电池作为整个多端口电源变换器的功率输出源，在本系统的设计中，燃料电池需要向负载母线提供稳定的功率，即在系统稳态时其变换器将提供所有的负载母线输出功率，同时还需要补偿或释放超级电容储能单元的亏损或多余功率(此部分需要超级电容及其DC/DC变换器控制的协同合作)。因此，燃料电池的DC/DC变换器控制必须快速将燃料电池当前产生的能量释放出去，同时需要在负载平稳状态下实现母线输出电压的控制。理想状态下，稳态燃料电池的DC/DC变换器控制负载的电压uo稳定；负载突变时，超级电容器储能单元提供迅速的功率支撑，维持uo稳定。图4为多端口电源系统的DC/DC变换器控制策略框图。

图4 变换器控制策略框图

图4(a)为燃料电池单元的单向DC/DC变换器的控制策略框图。该单元的控制主要为电压电流双闭环控制，其中uo为母线输出电压值，ifu为燃料电池的输出电流值。双闭环系统选择母线输出电压作为外环电压给定，与实际母线电压作差后通过电压调节器(调节器1)作为燃料电池的电流内环的给定，然后与燃料电池的实际电流比较后输入至电流调节器(调节器2)，并将电流调节器输出作为驱动信号驱动燃料电池DC/DC控制器。

根据图1所示三端口的功率平衡，限制母线输出功率，通过超级电容储能单元双向DC/DC变换器控制负载母线电容的吸收或发出功率，则燃料电池DC/DC变换器会自主的实现功率的增大或减小，从而达到间接控制超级电容储能单元荷电状态的目的。例如，当超级电容器电压小于给定荷电电压状态时，双向DC/DC变换器会从母线负载缓慢吸收能量，母线电压将有下降趋势，则燃料电池DC/DC变换器会提高输出功率以抵消母线电压的下降趋势，从而使燃料电池，母线负载和超级电容器的三端功率出现新的平衡，直到超级电容器电压达到给定荷电电压时，双向DC/DC变换器停止工作，燃料电池和输出母线达到两端功率平衡状态。

3 仿真验证

在PSIM电力仿真软件中搭建系统仿真模型，对多端口电源系统的控制策略进行仿真分析。仿真系统相关参数如表1所示。其中:ufu为燃料电池的输出电压；usc为超级电容器等效电容的初始电压；输出给定电压设为DC100 V；fPWM为功率器件的开关频率；Ts为采样时间。

表1 多端口电源系统仿真参数

图5为多端口电源系统的仿真波形，其中图5(a)为从上电到稳态的运行过程，图5(b)为稳态过程中的局部放大波形。uo为负载电压波形；usc为超级电容器电压波形；io为负载电流，动态变化；isc为超级电容器的电流；ifu为燃料电池输出电流。从仿真波形可以看出，uo等于给定设定值100 V，且保持稳定；usc也稳定在给定值55 V左右，局部放大波形说明在负载波动时usc略有波动。在整个运行过程中，负载处于高频变化状态，燃料电池输出电流iF维持恒定输出；也就是说，负载的波动是通过超级电容器储能单元在缓冲能量的，这从超级电容器的电流isc的变化情况也可看出。仿真结果说明多端口电源系统的控制策略能够实现稳定输出，且能迅速跟踪负载变化，满足能量的快速传递控制要求。

图5 多端口电源系统仿真波形

4 结束语

针对基于储能的多端口电源系统，设计了系统结构和能量管理方案，并对超级电容器储能单元进行了容量配置。系统中的两组DC/DC变换器均以电压电流双闭环控制为基础，提出了相应的控制策略，实现了负载电压的稳定控制和能量的快速传递控制。系统仿真分析表明，负载波动时超级电容器单元能够有效调节，维持负载电压稳定，验证了系统控制策略的可行性。