基于混合储能荷电状态的直流微网能量管理策略研究

第 38 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.38 No.3Jun. 2023
电力学报
JOURNAL OF ELECTRIC POWER 文章编号：1005-6548（2023）03-0163-10 中图分类号：TM615 文献标识码：A 学科分类号：47040
DOI ：10.13357/j.dlxb.2023.018开放科学（资源服务）标识码（OSID ）：
基于混合储能荷电状态的直流微网能量管理策略研究
刘智，汤赐，罗敏，邝栩仪，王佳怡
（长沙理工大学 电气与信息工程学院，长沙 410114）
摘要：针对直流微网源-荷功率差值的变化所产生的直流母线电压变化，采用集中式控制的方式，以超级电容与
锂电池构成的混合储能系统完成源荷功率波动的平抑，达到维持电压稳定的目的。

针对传统基于超级电容荷电状
态的混合储能能量管理策略的不足，根据两储能荷电状态划分工作区域，同时设置不同的滤波时间常数从而动态
实现混合储能的功率分配。

在此基础上对两种储能的所有荷电状态下的控制方式进行分析研究，并根据源-荷差
值功率变化以及混合储能的荷电状态，将直流微网运行状态划分为六种运行模式，提出一种源-储-荷三者协调控
制策略，实时调控储能功率达到总功率平衡从而保证电压稳定。

最后，在MATLAB/Simulink 中搭建了典型的直
流微网模型，并验证了该能量管理策略的可行性和有效性。

关键词：直流微网；能量管理；混合储能功率分配；荷电状态
Energy Management Strategy for DC Microgrid Based on
Hybrid Energy Storage State of Charge
LIU Zhi ，TANG Ci ，LUO Min ，KUANG Xuyi ，WANG Jiayi
（School of Electrical & Information Engineering ， Changsha University of Science & Technology ， Changsha 410114， China ）Abstract ：Aiming at the change of DC bus voltage caused by the change of source -load power difference of DC microgrid ， centralized control is adopted ， and the hybrid energy storage system composed of super capacitor and lithium battery is used to stabilize the fluctuation of source -load power ， so as to maintain the voltage stability.In view of the shortcomings of the traditional hybrid energy storage energy management strategy based on the state of charge of supercapacitors ， the work area is divided according to the two states of charge of energy storage ， and different filtering time constants are set at the same time to dynamically realize the power distribution of hy⁃brid energy storage.On this basis ， the control modes of the two kinds of energy storage under all state of charge are analyzed and studied ， and according to the change of the difference between the source and the load and the state of charge of the hybrid energy storage ， the DC
microgrid operation state is divided into six operation modes ， and a coordinated control strategy of the source and the storage is proposed ， which can control the ener⁃· 电力系统 ·
＊ 收稿日期：2023-03-05
基金项目：国家自然科学基项目（51977013）；湖南省自然科学基金项目（2017JJ2265）；长沙理工大学研究生科研创新项
目（CXCLY2022081）；长沙理工大学创新训练项目（2022037）。

作者简介：刘
智（1998—），男，硕士研究生，研究方向为直流微网能量管理，1640684678@ ；汤
赐（1978—），男，博士，副教授，研究方向为能量管理、变流器优化，tangci2679@ ；罗敏（1999—），女，硕士研究生，研究方向为直流微网能量管理；
邝栩仪（2002—），女，本科生，研究方向为电气工程及其自动化；
王佳怡（2000—），女，硕士研究生，研究方向为电动汽车能量管理。

引文格式：刘智，汤赐，罗敏，等.基于混合储能荷电状态的直流微网能量管理策略研究［J ］.电力学报，2023，38（03）：
163-172.DOI ：10.13357/j.dlxb.2023.018.
第 38 卷电力学报gy storage power to achieve the total power balance in real time to ensure the voltage stability.A typical DC mi⁃crogrid model is built in MATLAB/Simulink ， and the feasibility and effectiveness of the energy management strategy is verified.Key words ：DC microgrid;energy management;hybrid energy storage power distribution;state of charge 0 引言
电力行业的高速发展伴随着化石能源的大量消耗，为了满足可持续发展的需求，发展新能源非常必要。

太阳能作为一种容易获取、清洁无污染、可供长时间使用的新能源，获得了各国极大的关注。

然而光伏发电具有间歇性和随机性，光电大规模接入电网将给电网的稳定性造成极大的挑战。

因此需要通过微电网对光伏所发电能进行合理的管控，实现稳定持续的能量流动。

与常规交流微电网相比，直流微电网使用的是直流电，并不存在相位、频率的问题，但是仍存在与交流配电网一样的源荷功率不平衡的问题，因此需要配置混合储能系统［1-2］对源荷波动进行平抑处理。

混合储能作为离网运行稳定直流母线电压的核心，合理的功率分配策略不仅可以降低蓄电池的寿命损耗，而且有利于保证正常的荷电状态，实现混合储能稳定可靠运行。

现有的混合储能功率分配策略大体包括：基于分频技术方法、基于优化理论方法、基于智能理论的方法、基于规则的方法，以及其组合的控制方法。

文献［3］提出基于模糊控制理论的功率分配策略进行不同微源的功率分配，但并未充分发挥不同储能的工作特性。

文献［4］将风电功率通过经验模态分解，将需求功率分为低中高三种频率并分配给并网变流器、蓄电池、超级电容。

文献［5］通过小波包进行一次功率分解，并采取二阶滤波时间常数使功率分配更为平滑，上述方法均充分发挥了储能不同的特性，但未考虑储能的荷电状态。

文献［6］针对传统荷电状态管理方法的不足，通过自适应调整滤波时间常数，以超级电容荷电状态的优化为目标进行控制，不仅发挥了不同储能的特性，也考虑到了超级电容的工作状态。

但其只考虑到了超级电容的荷电状态，增加了蓄电池的负担，只适用于超级电容储能非常小的情况。

因此，本文在微网稳定运行的基础上，为了更全面地实现混合储能功率分配的优化，引入超级电容和蓄电池的荷电状态两方面信息对滤波常数进行分析优化，并在此基础上配合微电网协调控制策略减少蓄电池的充放电次数，提高其运行寿命。

最后在MATLAB/Simulink 上搭建模型进行了仿真试验，结果显示了其准确性与有效性。

1 直流微电网架构及其控制目标
1.1　系统模型　
直流微网系统的结构如图1所示，该系统由光伏电
源、混合储能系统和交直流负荷构成。

图1中，
P pv 为光伏阵列发电功率，
P bat 为锂电池的放电功率，P sc 为超级电容的放电功率，
P l1为负荷1吸收功率，P l2为负荷2吸收功率。

P sc 、P bat 根据放电或充电为正或为负。

光伏阵列通过单向BOOST 电路接入直流母线，向直
流母线输入光伏发电所产生的电能；交直流负荷可以单向
从直流母线侧吸收电能。

蓄电池和超级电容作为储能装
置可以利用双向DC/DC 变换器实现与直流母线的功率
交换。

当发电功率比总负荷功率大的时候，多余的功率会
供给混合储能装置用来稳定直流母线电压；同理发电远不
及负荷需求的时候，混合储能装置会根据需要补充所需
功率。

图1　直流微网结构图Fig.1　DC microgrid structure diagram 164
第 3 期刘智，等：基于混合储能荷电状态的直流微网能量管理策略研究1.2　系统协调控制目标　
直流微网稳定的前提是光储荷三者功率时刻处于动态平衡的状
态，唯一判断依据是直流母线电压稳定情况。

微网系统功率架构如图
2所示。

图2可以通过基尔霍夫第一定律（KCL）计算得到直流母线电压与
各功率源的关系服从式（1）：
C dc d U dc
d t=
P pv+P bat+P sc-P l1-P l2
U dc
.（1）
式中，C dc为直流母线电容，U dc为直流母线电压。

通过各微元电流的关系看出母线电压的变化是受系统母线侧等
效电容的输入电流决定的，若流入母线电容的功率为零，则流入母线电容电流为零，母线电压变化也将为零。

因此，为达成直流母线电压稳定的目的，需要保证各微元功率动态守恒，可得式（2）：
P pv+P bat+P sc-P l1-P l2=0 .（2）根据光伏模型的特点，光伏输出功率是由输入的光照和温度决定的，而直流微网中光伏发电的输入光照、温度是不固定的，这也造成了光伏的输出功率P pv并不固定。

负荷吸收功率是用电侧决定的，由于用户需求负荷只可能是范围值，而非固定值。

为了保证功率动态守恒，需要控制混合储能系统将源荷两侧的功率差值补充，可以由式（2）求得式（3）：
P hess=P bat+P sc=-(P pv-P l1-P l2) .（3）
由式（3）可知，P hess是储能系统需要输出，为了确保直流微网的稳定运行，混合储能功率分配通过一阶低通滤波环节将高频电流参考值分配给超级电容，低频电流参考值分配给蓄电池，完成对功率的一次分配。

功率分配图如图3所示。

P bat=P hess1
Ts+1
.（4）
P sc=P hess-P bat .（5）式中，T为低通滤波时间常数。

2 混合储能的能量管理策略
2.1　基于超级电容SOC的一次功率分配方法　
如图4所示，传统的考虑超级电容荷电状态（State
of Charge，SOC）的功率分配策略［7］，根据输入已知的超
级电容的荷电状态S SOC，sc，判断S SOC，sc所处的区域（充放
电限制区、上下限区、工作区等区域），通过判断结果进
行滤波常数的调整，达到超级电容在放电限制区少放电
多充电、充电限制区少充电多放电的目的。

然而该功率
分配策略一方面只考虑了超级电容的荷电状态，并未结
合蓄电池的荷电状态，忽略了蓄电池荷电状态可能并不
适合处理超级电容所未处理的部分功率的状况；另一方
面传统策略功率二次分配的目的是保证超级电容健康，
其本质是将超级电容本该充/放电的功率移交给蓄电池
处理，长时间运行会导致两储能荷电状态不均衡，造成
控制失效，影响系统稳定性。

图4中，S SOC，sc_high、S SOC，sc_low
分别表示超级电容器的过度充/放电的限制值；S SOC，
sc_max
图3　混合储能一次功率分配
Fig.3　Hybrid energy storage
power distribution
图2　直流母线等效电路
Fig.2　
DC bus equivalent circuit
图4　考虑超级电容SOC功率分配策略Fig.4　Power allocation strategy considering
supercapacitor SOC
165
第 38 卷电力学报表示充电时超级电容器S SOC ，sc 的最大值，S SOC ，sc_min 表示放电时超级电容器S SOC ，sc 的最小值。

2.2　考虑混合储能SOC 的一次功率分配方法　
针对传统问题的不足，本文将蓄电池的荷电状态S SOC ，bat 纳入考虑范围，
在经过一次功率分配后，针对实时采样的两储能的荷电状态对滤波时间常数T 进行自适应调整，从而对蓄电池、超级电容的参考功率进行一次调节。

滤波时间常数T 的范围为［T dmin ，T dmax ］，以滤波
时间常数为最大值工况为例，此时瞬时功率需求由
超级电容提供，蓄电池充放较为平滑，超级电容处
于大量充放电的状态。

如表1所示，根据两储能荷电状态S SOC ，i （i =
sc ，bat ）将蓄电池、超级电容的工作区域划分为过
度放电区、工作区、过度充电区。

如图5所示，两储能S SOC ，i 在过充区、过放区的
分频控制采用正常工作区的滤波常数。

若在
［S SOC ，i _min ，S SOC ，i _max
］（i =sc ，bat ）范围内时将该区域分为正常工作区和两个限制工作区，其中S SOC ，i_high 、
S SOC ，i_low
（i =sc ，bat ）分别为蓄电池、超级电容接近过充、过放的警戒值。

如图5所示，其中左上角、右下角是限制工作
区，中间区域为正常工作区。

当两储能荷电状态位于中间区域时，正常实现
充放电：
T =T min +T max 2
.（6）当两储能荷电状态位于左上角时，此时超级电容多放少充、蓄电池多充少放。

可以求得左上角蓝色线段大小为：
a =||||||||S SOC ，sc_max -S SOC ，sc_low S SOC ，bat_high -S SOC ，bat_min ⋅S SOC ，bat -S SOC ，sc +S SOC ，sc_max -S SOC ，sc_max -S SOC ，sc_low S SOC ，bat_high -S SOC ，bat_min ⋅S SOC ，bat_high () .（7）红色线段大小为：
b =2min (S SOC ，bat -S SOC ，bat_min ，S SOC ，sc_max -S SOC ，s
c ) .
（8）放电时：T =T max -T max -T min 2⋅b a +b .（9）
充电时：
T =T min +T max -T min 2⋅b a +b
.（10）
当两储能荷电状态位于右下角时，此时超级电容多充少放、蓄电池多放少充。

可以按式（11）求得右下角蓝色线段的大小。

表1　蓄电池、超级电容工作区域Tab.1　Working area of battery and super capacitor 蓄电池、超级电容荷电状态S SOC ，i 0≤S SOC ，i <S SOC ，i _min S SOC ，i _min ≤S SOC ，i ≤S SOC ，i _max S SOC ，i_max <S SOC ，i ≤1工作区域过度放电区
正常工作区过度充电区图5　混合储能滤波常数分配图Fig.5　Hybrid energy storage filter constant distribution diagram 166
第 3 期刘智，等：基于混合储能荷电状态的直流微网能量管理策略研究
c=
|
|
|
|
|
|
|
|S SOC，sc_high-S SOC，sc_min
S SOC，bat_max-S SOC，bat_low⋅S SOC，bat-S SOC，sc+S SOC，sc_min-
S SOC，sc_high-S SOC，sc_min
S SOC，bat_max-S SOC，bat_low⋅S SOC，bat_low
() .（11）
红色线段大小为：
d=2min(S SOC，bat_max-S SOC，bat，S SOC，sc-S SOC，sc_min) .（12）放电时：
T=T min+T max-T min
2⋅
d
c+d
.（13）
充电时：
T=T max-T max-T min
2⋅
d
c+d
.（14）
3 直流微电网的协调控制策略
3.1　光伏单元控制　
光伏单元的控制方式有两种，分别是MPPT控制和恒压控制［8-9］。

光伏阵列的MPPT控制的原理是通过改变BOOST电路的占空比，从而改变光伏电池的输出电阻，当输出电阻的大小等于输入电阻时，可获取最大输出功率。

现有的MPPT控制策略有4类：扰动观察法、电导增量法、定点压法和人工神经网络算法，各有优劣。

因为光伏单元主要作为扰动源使用，因此本文选用成本较低、准确度较高且通用性强的扰动观测法［10］作为MPPT控制策略从而实现最大功率跟踪。

光伏本身的输出特性是一个电压对应一个电流，因此本文光伏恒压控制采取电压单环控制。

3.2　混合储能单元控制　
混合储能控制方式分为集中式控制和分布式控制，其中集中式控制的代表是稳压分频控制［11］、分布式控制的代表是下垂控制。

下垂控制有即插即用的特点，但其存在电压偏差和电流分配精度的问题；稳压分频控制可以精准实现功率分配，但却依赖通信。

本文主要对分频控制滤波常数进行改进，因此主要采取恒压分频控制作为混合储能的控制策略。

考虑到混合储能存在荷电状态过充、过放的状态，也可让一储能处于双闭环恒压控制，另一储能处于待机模式。

储能恒压控制常采用双闭环结构［12］。

因此混合储能单元分为超级电容恒压控制、蓄电池恒压控制、混合储能分频控制等3种形式。

3.3　工作模式　
直流微网的稳定运行的关键在于储能系统的控制实现，而储能系统控制依托于各储能装置的荷电状态。

根据不同的荷电状态，选择合理控制方式，以达到了减少储能装置的寿命损耗的效果，又实现母线电压稳定的目的。

本文针对蓄电池、超级电容所有荷电状态，将直流控制模式划分为6种，并提出相应的控制策略。

当P hess为负时，混合储能单元处于充电状态，此时光伏除第9块区域均处于MPPT控制模式，混合储能控制策略如图6所示。

模式1：S SOC位于第3、6、7、8块区域时，让荷电状态处于过充状态的储能装置待机，另一储能装置采取恒压控制充电稳住直流母线电压。

模式2：S SOC位于第2、4、5块区域时，利用超级电容处理高频功率，蓄电池处理低频功率，使混合储能处于最优运行状态。

模式3：S SOC位于第1块特殊区域时，考虑到蓄电池的寿命，先对超级电容进行恒压充电、蓄电池待机；当S SOC位于第9块区域时，将光伏MPPT控制转为恒压控制，使混合储能处于待机模式。

当P hess为正时，混合储能单元处于放电状态，此时光伏均处于MPPT控制。

混合储能控制策略如图7所示。

167
第 38 卷电力学报模式4：S SOC 位于第2、3、4、7块区域时，让荷电状态处于过放状态的储能装置待机，另一储能装置采取恒压控制放电稳住直流母线电压。

模式5：S SOC 位于第5、6、8块区域时，利用超级电容处理高频功率，蓄电池处理低频功率，使混合储能处于最优运行状态。

模式6：S SOC 位于第9块特殊区域时，考虑到蓄电池的寿命，先对超级电容进行恒压放电、蓄电池待机；当S SOC 位于第1块区域时，此时混合储能基本已经失去了作用。

微网系统能做到的只有切除次要的负荷或者接入市电维持负荷正常工作。

本策略综合考虑各储能在不同荷电状态下的运行状态，根据设计的6个工作模式之间相互切换维持直流母线电压稳定。

4 系统仿真验证
为验证本文分析基于混合储能SOC 协调控制策略的有效性和可行性，在MATLAB/Simulink 中搭建了光伏、蓄电池、超级电容、负荷等架构模型进行仿真分析，分别采用了传统的定滤波时间常数［13-15］、基于超级电容SOC 控制的滤波时间常数以及本文的基于混合储能SOC 控制的滤波时间常数进行仿真分析。

仿真参数：直流母线参考电压U dc ，ref =400 V ，
蓄电池额定电压U bat =168 V ，超级电容最大电压U sc =192 V ，两储能S SOC ，i _min=20%、S SOC ，i _low =40%、S SOC ，i _high =60%、S SOC ，i _msx =80%，
时间滤波常数范围为［0，0.4］，由于本文是针对荷电状态的不同从而制定的控制策略，因此主要对代表性的区域1、5、9进行充放电仿真演示。

区域5：光伏初始光照强度和温度分别为800 W/m 2和25 ℃，功率为3 900 W ，初始能量型负荷为3 100 W 。

0.5 s 时光照强度下降200 W/m 2，并入了1 000 W 的能量型负荷；2 s 时光照强度回到800 W/m 2，同时切除了1 000 W 能量型负荷；3 s 时加入了800 W 能量型负荷，并且接入了频率200 Hz 、200 W 的功率型负荷；最后，4 s 时光照强度变为900 W/m 2、负荷升高1 000 W ，5 s 时光照强度、负荷分别回到800 W/m 2、3 900 W 。

区域5的源荷功率图以及电压波动图如图8所示。

可以明显看到图8中光伏工作在MPPT 状态下，光照的改变导致光伏功率改变。

负荷功率在3 s 之前因为并未投入功率型负荷，因此较为平滑，当3 s 后投入功率负荷后明显功率波动变得明显。

直流母线源荷变化的情况下，经混合储能稳定后维持到400 V ，波动小于5%，控制策略很好地实现了直流母线电压的稳定。

正常工作区的功率和S SOC 情况如图9所示，蓄电池、超级电容初始S SOC ，i 分别位于70%、
69.385%。

基于混合储能SOC 控制的滤波时间常数与定滤波常数控制策略类似，工作在正常工作区。

而相较之下基于超级电容SOC 控制下的混合储能一次功率令超级电容少充多放，使超级电容的S SOC ，sc 减少，
但这就给蓄电池的S SOC ，bat 造成了负担，
更接近于充电上限并不合理。

而本文相较而言以正常运行的状态分配功率更能减少蓄
电池的充放电。

图7　混合储能放电控制策略（P hess >0）Fig.7　Hybrid energy storage discharge control strategy （P hess >0
）
图6　混合储能充电控制策略（P hess <0）
Fig.6　Hybrid energy storage charging control strategy
（P hess <0）168
第 3 期刘智，等：基于混合储能荷电状态的直流微网能量管理策略研究右下角限制工作区的功率和S SOC 情况如图10所示，蓄电池、超级电容初始S SOC ，i 分别位于75%、
29.68%。

从图10可知，对于定滤波常数控制策略、基于超级电容SOC 的控制策略、基于混合储能SOC 控制策略传统策略，超级电容多充少放的力度依次递增，随着时间的延长，本文控制策略的超级电容的SOC 较其他两种控制策略更高、更均衡。

本文的控制策略更能维持荷电状态的健康运行。

左下角限制工作区的功率和S SOC 情况如图11所示，蓄电池、超级电容初始S SOC ，i 分别位于25%、
69.63%。

从图11可知，对于定滤波常数控制策略、基于超级电容SOC 的控制策略、基于混合储能SOC 控制策略传统策略，超级电容多放少充的力度依次递增，随着时间的延长，本文的两储能荷电状态越来越靠近。

本策略则根据两储能的荷电状态设计了三个工作区，控制超级电容充放电的力度，在外界光照、负荷不断变化的情况下，持续维持直流母线电压稳定，通过合理地分配瞬时功率，实现两储能荷电状态的均衡。

由仿真情况可知在长时间充放电的情况下，两储能的荷电状态会越来越均衡。

区域1微网功率变化如图12所示，光伏初始光照强度和温度分别为600 W/m 2和25 ℃，采取MPPT 控制，1 s 时光照上升300 W/m 2，3 s 下降为600 W/m 2。

蓄电池、超级电容初始S SOC ，i 分别为15%、
15%。

在0~5 s 蓄电池单元始终处于待机状态，其间光伏多发的能量都被超级电容吸收，维持功率平衡，在3 s 时，
光伏发
图8　区域5仿真结果
Fig.8　
Simulation results of area 5
图9　正常工作区
Fig.9　Normal working area 169
第 38 卷
电力学报电功率开始下降无法满足负荷需求，3.05 s 超级电容同样进入待机状态，经源荷功率反馈切除外置次级负荷开关，将负荷由3 600 W 切至1 800 W ，超级电容恢复恒压控制。

区域9的微网功率如图13所示。

蓄电池、超级电容初始S SOC ，i 分别为90%、90%。

负荷为固定大负
荷
图11　左上角限制工作区
Fig.11　
Upper left restricted workspace
图10　右下角限制工作区
Fig.10　Restricted workspace in the lower right corner 170
第 3 期刘智，等：基于混合储能荷电状态的直流微网能量管理策略研究3 600 W ，光伏在0~1 s 处于MPPT 控制状态下，发电远小于负荷，功率差额由超级电容处理，当光伏功率超过负荷功率时，这里由于混合储能均处于过充状态，这时需要将光伏转为恒压控制维持功率平衡，在2 s 时光伏功率回落初始状态时，超级电容迅速反应继续发挥稳压作用。

通过各个代表性区域的分析、仿真验证得到以下结论：
（1）混合储能装置无论混合使用或是单独使用都可以实现直流母线电压稳定在400 V 的目标。

（2）相较于传统的定滤波常数、基于超级电容SOC 功率分配的策略，本策略多考虑了蓄电池的荷电状态，可以很好地维持超级电容、蓄电池两储能SOC 均衡，适合实际应用。

5 结语
本文通过以光伏单元、混合储能单元、负载单元组成独立光储微网为研究对象，针对所有的荷电状态，将微网运行分为6种模式，根据不同的荷电状态合理分配功率，在此基础上将两储能工作区划分为两个限制工作区和一个正常工作区，通过自适应调节滤波时间常数以合理分配两储能的能量获取，可有效改善两储能均衡问题。

仿真结果验证了本策略的有效性。

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图12　区域1微网功率
Fig.12　
Microgrid power of area 1图13　区域9微网功率Fig.13　Microgrid power of area 9171
172
电力学报
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［责任编辑：王静］。