桑丙玉1，陶以彬1，鄭高2，胡金杭1，俞斌1

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京210003；2.福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福建 福州350000）

摘要：以超級(jí)電容和蓄電池為例，分析了功率型和能量型混合儲(chǔ)能不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)出混合儲(chǔ)能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選取的一般原則。基于二級(jí)低通濾波，提出根據(jù)頻譜圖確定濾波時(shí)間常數(shù)的混合儲(chǔ)能控制方法，并考慮電池充放電功率限制，對(duì)濾波輸出功率進(jìn)行修正。用Matlab對(duì)算法平滑實(shí)際光伏出力進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果證明該算法能夠滿足光伏并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率要求，并使電池充放電功率不越限。

0引言

能源危機(jī)的日趨緊張以及低碳能源的發(fā)展需求促進(jìn)了可再生能源的利用，應(yīng)用最多的是風(fēng)電和光伏。這些發(fā)電系統(tǒng)的電能具有間歇性，對(duì)大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定、可靠性及電能質(zhì)量造成了影響[1]。在這種情況下，微網(wǎng)被認(rèn)為是解決問(wèn)題的可行措施，儲(chǔ)能在分布式發(fā)電與微網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)、削峰填谷、平抑新能源出力波動(dòng)以及緊急備用等功能，是分布式發(fā)電與微網(wǎng)中必不可少的環(huán)節(jié)[2-4]。常見(jiàn)的儲(chǔ)能設(shè)備可分為功率型和能量型。前者具有功率密度大，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但能量密度較小，如超級(jí)電容器、超導(dǎo)儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等；后者具有能量密度大，但功率響應(yīng)較慢不適于頻繁充放電，如蓄電池和抽水蓄能等。由于缺點(diǎn)的限制，單一的儲(chǔ)能設(shè)備將很難滿足分布式發(fā)電與微網(wǎng)的要求，因此，必須結(jié)合兩種或更多的儲(chǔ)能組成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，充分發(fā)揮兩種儲(chǔ)能設(shè)備技術(shù)上的互補(bǔ)性。

單一儲(chǔ)能設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用研究已經(jīng)很成熟[5-6]，兩種以上不同類型混合儲(chǔ)能應(yīng)用的研究還較少。混合儲(chǔ)能中，不同的儲(chǔ)能設(shè)備通過(guò)不同方式連接到公共母線上，可以交流側(cè)并聯(lián)或直流側(cè)并聯(lián)。

能量轉(zhuǎn)換裝置控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率雙向流動(dòng)及最佳運(yùn)行，該裝置的能量損耗及成本是限制其應(yīng)用的因素，要考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)之間的平衡[7]。因此，在相同的應(yīng)用場(chǎng)合下，可以采用不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲(chǔ)能。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略在許多文獻(xiàn)中都進(jìn)行了研究[8-12]，混合儲(chǔ)能的優(yōu)化配置、協(xié)調(diào)控制以及能量管理[13-14]是目前應(yīng)用中的熱點(diǎn)問(wèn)題，直接影響儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本、壽命周期和效率等，但目前還沒(méi)有較成熟的方法。

本文以超級(jí)電容（SC）和蓄電池(Battery)組成的混合儲(chǔ)能為例，分析比較了幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選取的一般原則。在二級(jí)低通濾波原理的基礎(chǔ)上，提出了基于電池充放電功率限

制的混合儲(chǔ)能平滑波動(dòng)功率控制方法，并進(jìn)行了Matlab仿真驗(yàn)證，結(jié)果證明該方法可以滿足光伏并網(wǎng)功率波動(dòng)要求，并使電池充放電功率不越限。

1混合儲(chǔ)能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1交流側(cè)并聯(lián)

超級(jí)電容和蓄電池通過(guò)DC/AC變流器在交流側(cè)并聯(lián)。該拓?fù)渲忻糠N儲(chǔ)能設(shè)備需要單獨(dú)的雙向DC/AC變流器，如圖1所示，對(duì)網(wǎng)側(cè)的電壓、頻率變化響應(yīng)較快，通過(guò)DC/AC變流器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)參考功率的快速、準(zhǔn)確追蹤，可以使各個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)微網(wǎng)的輸出功率進(jìn)行集中控制和調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)與大電網(wǎng)連接點(diǎn)的電壓穩(wěn)定；超級(jí)電容的DC/AC變流器和蓄電池的DC/AC變流器可以獨(dú)立配置，滿足各自的功率需求。適應(yīng)于兆瓦級(jí)及以上的大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)，可以直接并聯(lián)擴(kuò)容；但對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器控制要求較高，DC/AC的成本較高。

1.2直流側(cè)并聯(lián)

超級(jí)電容和蓄電池在直流側(cè)并聯(lián)可以共用DC/AC變流器，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的連接，通過(guò)對(duì)直流母線電壓的控制進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，控制上較簡(jiǎn)單。需要加大DC/AC變流器的功率，以滿足超級(jí)電容的功率需求。直流側(cè)并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2(a)超級(jí)電容和蓄電池直接并聯(lián)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、系統(tǒng)效率高、響應(yīng)速度快。但儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量不能被完全利用。電流在兩種儲(chǔ)能裝置之間自動(dòng)分配，分流的大小取決于各自的內(nèi)阻，因此每種儲(chǔ)能的功率無(wú)法控制。另外，超級(jí)電容的電壓與電池電壓相同，該電壓不受控，變化取決于電池的SOC，這就限制了超級(jí)電容的最優(yōu)利用，也限制了超級(jí)電容單元的選擇，為了達(dá)到相同的電壓，需要串聯(lián)更多的電容單元。適應(yīng)于直流母線電壓變化范圍不大，電池沒(méi)有嚴(yán)格的充放電要求的場(chǎng)合。

圖2(b)超級(jí)電容和蓄電池通過(guò)DC/DC功率變換器并聯(lián)。該拓?fù)涞募夹g(shù)優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的，DC/DC有變流、調(diào)壓的功能，因此，可以通過(guò)它來(lái)連接端電壓不同的兩種儲(chǔ)能元件，對(duì)每種儲(chǔ)能設(shè)備直接控制，同時(shí)維持直流母線電壓恒定；并優(yōu)化蓄電池的放電電流，延長(zhǎng)其使用壽命；電池和超級(jí)電容可以深度放電因此其儲(chǔ)能量可以充分利用，可以優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的額定容量。使用DC/DC還可以使能量管理系統(tǒng)更加靈活配置。但是和直接并聯(lián)相比，使用DC/DC產(chǎn)生功率損耗并使系統(tǒng)成本增加、效率降低。因此，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本增加之間必須折中考慮。

圖2(c)蓄電池接DC/DC，超級(jí)電容直接并聯(lián)在直流母線上。該拓?fù)湫铍姵毓β士煽兀梢詢?yōu)化控制電池的充放電電流，延長(zhǎng)其壽命周期；超級(jí)電容直接根據(jù)直流母線電壓的變化出力，反應(yīng)速度較快。缺點(diǎn)是超級(jí)電容需要很多單元串聯(lián)以獲得高的母線電壓。另外，在脈沖負(fù)荷電流區(qū)間，超級(jí)電容的端電壓會(huì)下降，如果相連的逆變器需要一個(gè)穩(wěn)定的或正常工作的最小電壓以生成正確的交流側(cè)電壓，則電壓下降太多會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，所以必須把直流電壓控制在合適的范圍內(nèi)。

圖2(d)超級(jí)電容接DC/DC，蓄電池直接并聯(lián)在直流母線上。該拓?fù)涑?jí)電容儲(chǔ)能量能夠充分利用，可以優(yōu)化設(shè)計(jì)其額定容量。但電池功率不可控，無(wú)法優(yōu)化其充放電電流，直流母線電壓取決于電池的SOC變化，該變量不能直接控制，必須維持在一個(gè)給定的范圍內(nèi)，因此系統(tǒng)的運(yùn)行受到限制。

因此，混合儲(chǔ)能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇取決于不同因素，在每個(gè)應(yīng)用下都必須進(jìn)行全面的分析以便能夠確定最佳的選擇。

2混合儲(chǔ)能功率控制策略

2.1平滑波動(dòng)的功率控制方法

混合儲(chǔ)能和分布式電源構(gòu)成的微網(wǎng)系統(tǒng)如圖3所示。以儲(chǔ)能放電功率為正，充電功率為負(fù)，圖中變量關(guān)系如式（1）。

圖3的微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，為減少風(fēng)電、光伏等間歇式分布式電源對(duì)配網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，要對(duì)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線輸出功率進(jìn)行平滑。首先對(duì)分布式電源輸出功率進(jìn)行傅里葉變換，得到功率波動(dòng)頻譜圖。分布式電源出力波動(dòng)的頻譜分布如圖4所示[4]。超級(jí)電容功率密度大能量密度小，循環(huán)壽命長(zhǎng)，用來(lái)補(bǔ)償波動(dòng)頻率大但幅值小的分量，電池功率密度小能量密度大，用來(lái)補(bǔ)償波動(dòng)頻率小但幅值較大的分量。

根據(jù)分布式電源出力的頻譜分析圖，結(jié)合分布式電源并網(wǎng)功率波動(dòng)要求和混合儲(chǔ)能配置的容量，可確定電池和超級(jí)電容分別需要平抑的波動(dòng)頻率段，從而確定低通濾波對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)，得到各自的輸出功率參考值。由圖5可得超級(jí)電容和電池的參考功率分別為

將低通濾波得到的參考功率作為儲(chǔ)能系統(tǒng)恒功率控制的參考值，即可達(dá)到平滑波動(dòng)的控制效果。

2.2考慮電池功率限制的改進(jìn)方法

由式（2）、式（3）可知，濾波時(shí)間常數(shù)確定后，儲(chǔ)能的參考功率只和分布式電源的出力有關(guān)。若分布式電源出力出現(xiàn)較大波動(dòng)，儲(chǔ)能補(bǔ)償?shù)膮⒖脊β室矔?huì)出現(xiàn)波動(dòng)。電池的充放電電流要求比較嚴(yán)格，為保障電池的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行，通常要考慮電池的充放電狀態(tài)和充放電功率限制。文獻(xiàn)[11-12]分別提出了蓄電池平滑光伏并網(wǎng)功率波動(dòng)的控制方法，對(duì)于只采用電池儲(chǔ)能的系統(tǒng)，能夠平滑光伏出力并有效管理電池充放電。實(shí)際應(yīng)用中通常在電池SOC達(dá)到嚴(yán)重限值時(shí)，禁止其充放電；在SOC未達(dá)到嚴(yán)重限值時(shí)，根據(jù)電池的額定功率和容量將其充放電功率限制在一定范圍內(nèi)。

因此，在滿足并網(wǎng)功率波動(dòng)要求的情況下，對(duì)二級(jí)低通濾波后的參考功率進(jìn)行修正，根據(jù)電池充放電要求設(shè)置功率限值，超出電池充放電功率限值的由超級(jí)電容來(lái)補(bǔ)償。修正框圖如圖6所示。

利用上述限值修正方法，能在滿足并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率控制要求的情況下，使電池充放電功率不越限，并充分利用超級(jí)電容大功率充放電特點(diǎn)，吸收尖峰波動(dòng)功率。

3控制策略的Matlab仿真驗(yàn)證

3.1仿真模型

以132kW屋頂光伏電站為功率平滑對(duì)象，其典型的日發(fā)電曲線如圖7所示，最大輸出功率84kW，最小輸出功率1kW，平均功率33.7kW。利用Matlab將原始數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行仿真，濾波及修正模型如圖8所示。

（2）儲(chǔ)能補(bǔ)償功率

對(duì)超級(jí)電容和電池分別補(bǔ)償不同頻段波動(dòng)分量進(jìn)行仿真，經(jīng)平滑后的聯(lián)絡(luò)線功率以及超級(jí)電容和電池的參考功率如圖10所示。由圖10(a)和圖10(b)可知，Tbat不變，TSC變小時(shí)，超級(jí)電容補(bǔ)償?shù)牟▌?dòng)頻段變窄，功率峰值變小，主要在0值上下正負(fù)切換，適合超級(jí)電容反應(yīng)快、循環(huán)壽命長(zhǎng)的特性；由圖10(b)和圖10(c)可知，TSC不變，Tbat變小時(shí)，電池補(bǔ)償?shù)念l段變窄，聯(lián)絡(luò)線功率峰值變大，且電池充放電功率切換過(guò)于頻繁，不利于保護(hù)電池壽命。因此，適合取圖10(b)中的參數(shù)，即使聯(lián)絡(luò)線功率較平滑，超級(jí)電容補(bǔ)償容量不需太大，電池充放電切換頻率又較低。

（3）考慮電池功率限制的改進(jìn)方法

由圖10可知，在光伏功率波動(dòng)較大的地方，電池參考功率有較大的尖峰波動(dòng)，對(duì)電池是不利的。利用圖10(b)的參數(shù)，假設(shè)電池的充放電功率限值為40kW，經(jīng)限值后的各功率波形如圖11所示。由圖可知，電池的參考功率變得更加平滑，被平滑處對(duì)應(yīng)的超級(jí)電容參考功率變大，由超級(jí)電容補(bǔ)償尖峰波動(dòng)功率。

4結(jié)語(yǔ)

本文分析了功率型和能量型混合儲(chǔ)能不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)出混合儲(chǔ)能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇的一般原則。基于二級(jí)低通濾波，提出根據(jù)頻譜圖確定濾波時(shí)間常數(shù)的混合儲(chǔ)能控制方法，并結(jié)合超級(jí)電容和電池各自的儲(chǔ)能特點(diǎn)，設(shè)置電池充放電功率限值，對(duì)濾波輸出功率進(jìn)行修正，由超級(jí)電容補(bǔ)償波動(dòng)尖峰，充放利用超級(jí)電容反應(yīng)快、循環(huán)壽命長(zhǎng)及瞬間大電流充放電的特點(diǎn)，有效延長(zhǎng)電池使用壽命。用Matlab對(duì)算法平滑實(shí)際光伏出力進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果證明該算法對(duì)平滑波動(dòng)、改善電池充放電具有明顯效果。研究?jī)?nèi)容對(duì)混合儲(chǔ)能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇及協(xié)調(diào)控制有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]梁才浩，段獻(xiàn)忠.分布式發(fā)電及其對(duì)電力系統(tǒng)的影響[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2001，25(12): 53-56.

[2]周林，黃勇，郭珂，等.微電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)研究綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(7): 147-152.

[3]吳晉波，文勁宇，孫海順，等.基于儲(chǔ)能技術(shù)的交流互 聯(lián)電網(wǎng)穩(wěn)定控制方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(6): 262-267.

[4]張步涵，曾杰，毛承雄，等.電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在改善并網(wǎng) 風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量和穩(wěn)定性中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(15): 54-58.

[5]李軍徽，朱昱，嚴(yán)干貴，等.儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略及主電 路參數(shù)設(shè)計(jì)的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(7): 7-12.

[6]Li W，Joós G.A power electronic interface for a battery supercapacitor hybrid energy storage system for wind applications[C]// Power Electronics Specialists Conference IEEE，2008: 1762-1768.

[7]Etxeberria A，Vechiu I，Vinassa J M.Hybrid energy storage systems for renewable energy sources integration in microgrids: a review[C]// Power Electronics Conference IEEE，2010: 532-537.

[8]趙坤，王椹榕，王德偉，等.車載超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)間 接電流控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(9): 124-129.

[9]張坤，毛承雄，陸繼明，等.基于儲(chǔ)能的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電 系統(tǒng)的功率控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(7): 7-14.

[10]張坤，吳建東，毛承雄，等.基于模糊算法的風(fēng)電儲(chǔ)能 系統(tǒng)的優(yōu)化控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(10): 235-241.

[11]邱培春，葛寶明，畢大強(qiáng).基于蓄電池儲(chǔ)能的光伏并 網(wǎng)發(fā)電功率平抑控制研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(3): 29-33.

[12]張野，郭力，賈宏杰，等.基于電池荷電狀態(tài)和可變?yōu)V 波時(shí)間常數(shù)的儲(chǔ)能控制方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36(6): 36-38.

[13]楊珺，張建成，周陽(yáng)，等.針對(duì)獨(dú)立風(fēng)光發(fā)電中混合儲(chǔ) 能容量?jī)?yōu)化配置研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41(4): 38-44.

[14]張野，郭力，賈宏杰，等.基于平滑控制的混合儲(chǔ)能系 統(tǒng)能量管理方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36(16): 36-42.