储能超级电容动态响应优化自适应控制策略

浙江网新联合工程有限公司、诺基亚通信系统技术有限公司的研究人员陈威、叶少士、刘冬撰文指出，微电网储能系统中的超级电容器组主要用于满足系统对快速动态响应的要求，因此其在不同工况下的响应需要保持一致性，以保证后级用电负荷的匹配度。

本文提出了一种以动态响应一致性为最优目标的自适应控制策略。根据系统的小信号模型，在保持稳定性的前提下，可借助系统的阶跃响应分别求出不同工作状态下的合适控制参数。

在运行时，即可根据系统当前所处的工作状况，由微处理器在线自动选择最优的控制参数组合，从而达到任何情况下的输出动态响应一致化。在给出了原理分析和设计方法后，实验样机证明了该新颖自适应控制策略的有效性，具有应用价值。

作为可再生清洁新能源技术的典型应用，微电网将在未来智慧城市供能、交通以及保障工商业活动等各项主要市政功能建设中起到支撑作用，在我国已被列入“十三五”相关规划。

为了保证微电网稳定可靠运行，其内部的储能系统需要兼具高能量密度和高功率密度的特性，以抑制负荷突变带来的功率波动并改善电能质量[1]-[5]。

该储能系统一般采用电池组和超级电容器两种储能元件混合的形式，其中电池组可满足高能量密度要求，维持稳态母线电压；而超级电容器可改善系统动态响应，缓冲负荷波动带来的功率冲击，延长储能装置寿命[6]-[8]。

超级电容器组通常是经过后级DC-DC变流器实现和母线间的功率和能量传递。在设计上，由于超级电容器组的端压在充放电的过程中一直处于变化状态，不会保持相对恒定，这就对后级的变流器的控制带来了挑战：因该变流器的主功率增益中包含超级电容器端压VUC项，故变流器输出的暂态过程特征也是随VUC变化的[9]，很难通过一套固定的PI或PID反馈环节参数加以优化。

而这些随外部条件变化的超调量及调整时间等动态响应指标，不利于后级用电负荷的匹配设计。在极端情况下，易造成储能系统和负荷之间的时序失配或电压超限，影响微电网的稳定运行并降低可靠性。

本文提出的新颖自适应控制方案，以保证在各种条件下DC-DC变流器的输出动态响应特征一致性为优化目标，通过检测输入输出状态，在线选取适应的控制参数，从而达到输出动态响应和变流器外部工作状况解耦，便于后级用电负荷的电气配合。

图1 超级电容器组储能单元

结论

本文提出一种针对储能系统中超级电容器组动态响应一致性最优的自适应控制策略。通过系统的小信号模型，以各种情况下的阶跃响应一致性为目标，可求得当前工作条件下最优化的控制参数。

经由微处理器根据实际情况加以动态选择上述控制参数，达到输出动态响应一致的设计目的，以简化后级负荷的设计难度，增加系统匹配性。

实验样机和结果证明了自适应控制策略的正确性和所提控制策略的可行性，具有实际应用价值。