独立直流微网中混合储能系统的改进多滞环控制策略

华北电力大学（保定）电力工程系的研究人员刘志博、刘兴杰，在2018年第3期《电工技术学报》上撰文，在传统的基于母线电压值的多滞环控制策略下，母线电压必须达到对应的阈值才能触发较高的电流参考值，因此在某些条件下会出现母线电压持续偏离额定值较多的情况。

为解决这一问题，提出了一种改进的多滞环控制策略，在传统控制策略的基础上，定义了电压等级信号，并对其进行积分，从而可根据积分值的大小来辅助切换蓄电池电流参考值，使蓄电池能够在母线电压未达到对应阈值的情况下也能根据需要进行大电流充放电，从而使母线电压更接近额定值。

为避免反向积分值延长母线电压正向偏离时参考电流值的自动切换时间，使用两个积分器分别控制正、负向参考电流值的切换。仿真结果验证了所提出的控制策略在维持母线电压、提升供电质量方面的优越性。

在某些偏远地区、深山以及海岛，当地用户用电量不大，采用常规的大电网供电，需要很长的线路，经济性很差，而这些地区往往是风能和太阳能蕴藏丰富的地区，推广独立运行的风光储微网是经济可行的[1-7]。而相对于交流微网，直流微网供电效率更高，控制更方便，稳定性也更高[8-10]。

由于脱离大电网独立运行，储能系统就承担起了维持母线电压的任务。为同时满足对功率密度和能量密度的要求，将功率型储能设备和能量型储能设备结合起来，形成混合储能系统，成为当今储能技术的必然要求[11]。而针对不同场合的不同要求，混合储能系统的不同拓扑结构各有其优势。

文献[12]介绍了混合储能系统的5种拓扑结构的优缺点，其中超级电容器和蓄电池分别通过DC-DC变换器接直流母线和蓄电池接DC-DC、超级电容器直接连直流母线的两种拓扑结构对于小型微网，尤其直流微网较为实用：前者能够分别控制两种储能设备，蓄电池和超级电容都可以深度放电因此其储能量可以充分利用，可以优化设计系统的额定容量，缺点是成本高，损耗高；后者控制方式较为简单，成本较低，超级电容直接根据直流母线电压的变化出力，反应速度较快，缺点是超级电容需要很多单元串联以获得高的母线电压。

不同的拓扑结构各有其适用的控制策略，而控制策略的具体形式决定着储能系统维持独立微网电压的能力[13-15]。多滞环控制策略可以根据系统实际情况，灵活多层次地设定蓄电池充放电电流及其相互之间的转换过程，具有较高的实际应用价值[16]。

文献[17]提出一种改进的多滞环控制策略，根据负载与电源输出功率的差值来确定蓄电池充放电电流，根据直流母线电压值与给定值的差值来确定超级电容器的充放电电流，避免了蓄电池在大电流高电压的情况下充放电，及长期在充电与放电状态间转换对蓄电池造成的损害。

该控制策略虽然反应较快，但需要使用远距离通信设备和两个DC-DC变换器，增加了系统成本，且降低了系统可靠性。文献[18]采用超级电容器直接连接直流母线的结构，根据直流母线电压值来确定蓄电池的参考电流值，由于母线电压必须达到对应阈值才能触发较高的电流参考值，所以某些条件下会出现母线电压持续偏离额定值较多的情况，而储能系统对此无能为力。

考虑到超级电容器的响应速度，同时为了节省成本，简化控制，提高可靠性，本文的混合储能系统选用蓄电池接DC-DC变换器、超级电容器直接连直流母线的拓扑结构。在直流微网中不需要考虑电压相角和频率，系统的稳定可靠工作取决于母线电压幅值，而DC-DC变换器的控制策略就成为储能系统维持母线电压的关键。

针对混合储能系统多滞环控制策略存在的问题，本文提出了一种改进的控制策略，在传统控制策略的基础上，定义了电压等级信号，并使用积分器对电压等级信号进行积分，从而可根据积分值的大小来辅助切换蓄电池电流参考值，使蓄电池能够在母线电压未达到对应阈值的情况下也能根据需要进行大电流充放电。

同时，为了避免反向积分值延长母线电压正向偏离时参考电流值的自动切换时间，使用两个积分器分别控制正负向参考电流值的切换。基于Matlab/Simulink建立了仿真模型，对提出的改进控制策略进行了仿真分析。

图1  风光储微网结构示意图

结论

本文首先介绍了所采用的风光储独立微网的结构和各单元的模型，然后针对蓄电池接DC-DC变换器、超级电容器直接连接直流母线的拓扑结构提出了改进的多滞环控制策略，最后在Matlab/Simulink软件环境下建立了风光储直流微网的仿真模型。

通过特定环境下对所提出的控制策略的仿真分析，可以看出在预设的三种情况下，电压等级信号的积分值能够较好地辅助控制系统切换电压等级，比起原有的控制策略，本文提出的改进多滞环控制策略能够更快地恢复母线电压，并能将母线电压维持在更接近额定值的水平，各项电压指标均优于原有控制策略，提高了微电网的系统稳定性和供电质量。