蓄電池與超級電容器混合儲能在風光互補微網中的控制

袁麗堅

【摘 要】本文主要闡述超級電容器與蓄電池的混合儲能技術在微電網中對風力發電的功率進行平抑與補償的應用，對超級電容器與蓄電池的混合儲能技術在電網當中所解決的問題、運用的策略、和產生的效果進行歸納。混合儲能技術將會是未來電網的重要組成部分，和新能源發電以及電動汽車發展不可或缺的部分。

【關鍵詞】蓄電池；超級電容器；混合儲能；風光互補微網

一、前言

近年來，隨著能源危機與環境污染日益嚴峻，太陽能、風能等分布式可再生能源以其資源豐富、污染小等優點將在未來能源格局中扮演重要角色。由于太陽能、風能等的隨機性和波動性，儲能系統是必不可少的，超級電容器和蓄電池混合儲能系統綜合了功率型儲能元件和能量型儲能元件的優勢，避免了單一儲能技術的不足，是儲能技術的重要發展方向之一。

二、超級電容器和蓄電池混合儲能概述

混合動力儲能技術是儲能技術的一個重要發展方向。它結合了動力型儲能裝置和能源儲能裝置的優點，在新能源生產中具有很強的實用性。作為能量型儲能器件，電池具有能量密度高，電能長期儲存等特點，但其功率密度小，充放電效率低，循環壽命短權力和頻繁的充電和放電。作為動力型儲能裝置，超級電容器具有功率密度大，充放電速度快，儲能效率高，循環壽命長的特點，能夠有效抑制系統中的短時能量波動和瞬態能源系統平穩，但能源密度不均衡。

在超級電容器和電池之間使用混合能量儲存可以將電池的能量密度與超級電容器的功率密度相結合，并且成功地解決了單獨使用電池儲能和超級電容器儲能的缺點。國內外許多專家提出使用超級電容器和電池混合系統來解決微電網可再生能源發電不穩定的問題。應用于微電網的混合儲能結構圖如圖1所示。

三、蓄電池與超級電容器混合儲能在風光互補微網中的控制

（一）風光互補微網基本結構

圖2顯示了一個典型的風光互補微電網結構。主要組成部分為：異步風力發電機組（主要由風力發電機組，變速器，異步發電機和變槳控制系統組成），光伏單元（主要由光伏陣列，BOOST電路，LC濾波器及其控制系統組成），一個儲能單元（由超級電容器和電池組成的混合儲能系統）和負載。同時，微電網通過公共連接點上的靜態開關連接到配電網。光伏單元和風能單元參與了最大功率點控制問題，本文將不再詳細描述，并著重討論微電網系統中儲能單元的控制策略。混合儲能系統單元的存在增加了微電網系統的慣性：當微電網系統連接到電網時，該單元負責吸收系統中用于儲存的多余能量；當它獨立運行時，該單元可以改善系統的動態，響應速度和運行穩定性。

混合儲能系統采取的是雙極式變流器結構，如圖3所示。該雙極性轉換器電路由前級DC/DC轉換器和后級DC/AC轉換器組成。該DC/DC轉換器允許雙向能量流動，由PWM控制，在充電期間工作在降壓模式下，在放電時工作在升壓模式下，并且DC/AC轉換器是三相功率型雙向轉換器VSC。通過LCL濾波器連接負載。

圖中，Lf為濾波電感，Cf為濾波電容，Rf為濾波電阻，Udc為直流母線電壓，Usc為超級電容器電壓，Ubat為蓄電池電壓，ua、ub、uc為濾波電容三相電壓，ia、ib、ic為濾波電感三相電流。

（二）蓄電池儲能單元控制策略

為了避免高深度發電給蓄電池帶來的損傷，延長蓄電池的壽命，在混合儲能系統中，蓄電池主要用于承擔發電系統與負載不匹配的低頻能量，其與直流母線的連接結構如圖3所示，蓄電池通過DC/DC變換器與直流母線相連。本文提出以電感電流為控制變量的變換器控制策略，如圖4所示。

這里，通過計算參考功率Pbat（ref）和實際測量電壓Ubat（即，電感器電流參考值Ibat（ref））獲得的計算電流。電流可以通過滑模變結構控制器對變流器的開關信號進行控制，從而達到控制變流器的目的。由于滑動模式可變結構控制器本身是一種開關控制方法，因此它是控制轉換器開關信號的理想選擇。根據滑模變結構的工作原理，在此儲能單元控制中，可以選取實際電感電流Ibat為被控量，建立下切換函數S=Sbat-Ibat（ref）（取u=sign（S）為約束條件）。其意義為，實際電感電流與電感電流參考值的差值經由sign函數判斷得到控制量u，從而控制變換器開關管的通斷。

（三）超級電容器儲能單元控制策略

為了彌補單體電池儲能不足，延長電池壽命，提高系統穩定性，充分利用超級電容在混合儲能系統中的作用，根據自身特點，使其承擔發電系統與能源消費系統。無與倫比的高頻能量，從圖2可以看出，超級電容器和電池通過DC/DC變換器連接到直流母線上，變換器的控制策略如圖5所示。

通過參考功率Psc（ref）與實際電壓Usc得到計算電流，即電流參考值Isc（ref），并且將其與實際電流Isc的差值經PID控制器后，與特定值的重復序列進行比較運算，從而得到開關量，對開關管進行驅動，達到控制變換器通斷的目的。

四、仿真與分析

利用Matlab/simulink建立相關控制策略模型，對本文提出的混合儲能系統進行仿真驗證。

如圖6（a）所示的波形是通過仿真平臺模擬的風光互補發電波形，而負載則是為了實驗簡化而模擬的一個階躍負載波形。

1.電池在無負載情況下進行功率分析，無波動。圖6（a）中的風力發電系統的輸出波形由仿真軟件模擬。由于實驗條件的限制，實際數據未被使用，而是為實驗結果而模擬，并代表風力發電系統的輸出功率。圖6（b）顯示了仿真平臺模擬的階躍負載功率波形。此時相對穩定，沒有波動。圖6（c）顯示了在沒有階躍負載波動的情況下，只有電池被使用時電池所采用的功率波形。

2.在有波動的階躍負載下，蓄電池承擔的功率分析。

圖8（a）顯示了一個包含更嚴重波動的階躍負載功率波形。當階躍負載頻繁發生并頻繁波動時，如果沒有超級電容，則電池所需的功率波形如圖8（b）所示。可以看出，波形頻繁波動，這對于電池維護來說是一個相對不利的條件。而且，由于電池的等效內阻較大，所以不能太頻繁地提升端電壓，難以實現這種快速的輸出功率變化。

3.下面顯示的是波動階躍負載。當添加超級電容器時，兩者都假設波形發生變化。圖8（a）和圖8（b）是在滑動窗口常數T=1.0的情況下蓄電池和超級電容器的波形。比較圖7（b）可知，超級電容器加入后，超級電容器具有階躍負載波動頻繁的部件使電池配電更順暢。

根據Matlab仿真，當階躍負荷波動頻繁時，反映了混合儲能結構的優點和合理性。它可以更好地調和系統產生的能量與負載消耗的能量之間的矛盾，彌補矛盾。電源與系統功耗的時間差意味著可以節省電源，提高系統的穩定性。因此，在添加超級電容器之后，電池曲線的曲線變得更小且更平滑，而超級電容器的曲線波動很大，這意味著超級電容器的高功率密度特性使得可以快速地執行該部分假定的功率波動。

五、結束語

本文分析了微網的基本結構及儲能系統，由此構建了由模擬的配電網系統、儲能系統、風光互補發電系統及負荷構成的模擬微網系統，并提出了一種由超級電容器與蓄電池構成的混合儲能系統在其中的應用。

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