考慮母線電容儲能效果的混合儲能微電網研究

國網棗莊供電公司 馬運保 吳 丹 張 賽

1 直流微電網

1.1 直流微電網的結構

本文所研究的微電網是孤島運行，利用系統自身特性維持微電網穩定，其中風、光、微型燃氣輪機充當電源滿足負荷需求，默認微型燃氣輪機留有必要的調節余量。混合儲能系統參與系統出力調節，維持系統穩定。超級電容器儲能和蓄電池儲能負責平抑功率高中頻部分，微型燃氣輪機調節低頻部分，使得微電網系統電壓和頻率保持穩定。

1.2 光伏發電

光伏電池的工程用數學模型[1]：

上式中，Sref=1000W/m2為參考太陽輻射強度；Tref=25℃為參考電池溫度；ΔS=S-Sref為實際光強與參考光強的差值；ΔT=T-Tref為實際電池溫度與參考電池溫度的差值；e 為自然對數的底數，其值約為2.71828；補償系數a、b、c 為常數。根據試驗數據，典型值推薦：

A=0.0025/℃，b=0.0005（W/m2）-1，c= 0.00288 /℃。

1.3 風力發電

本文以永磁直驅風機為例，主要考慮風電場風速變化對永磁直驅風機出力的影響。

上式為風速和永磁直驅風機出力的關系，PR為額定功率，vCI為切入風速，vCO為切出風速，vR為額定風速。

1.4 直流微電網中的母線電容

直流微電網中的直流源包含風光電源、微型燃氣輪機，其中光伏陣列的輸出經最大功率跟蹤后，再經DC/DC 接入直流母線；風力發電機輸出經AC/DC 接入直流母線；微型燃氣輪機輸出經AC/DC 接入直流母線，微型燃氣輪機既充當基荷電源，也留有必要的余量，用于微電網出力調節[2]。

2 混合儲能系統

目前，最常用的混合儲能方式，超級電容器和蓄電池聯合運行。并網運行時，平抑功率的高中頻分量，低頻并網。離網運行時，則需要利用混合儲能滿足負荷需求，維持微電網穩定，有必要利用蓄電池平抑功率的中低頻分量，或者引入其他裝置出力（如微型燃氣輪機）參與低頻部分調節。

2.1 超級電容器結構和工作原理

超級電容器的荷電狀態（SOC）指的是在允許的工作電壓范圍內其存儲電量的程度：

荷電狀態：

2.2 蓄電池儲能結構和工作原理

圖1 鉛酸蓄電池三階動態模型圖

Em為電動勢、Im為主反應電流、Cw為擴散電容、Rp為歐姆極化電阻、Rd為電荷轉移電阻。Egas、Rgas和Igas為輔反應支路參數。UB為蓄電池端電壓、IB為蓄電池運行電流。

蓄電池荷電狀態：

蓄電池剩余容量：

蓄電池充電深度：

SOC0為初始荷電狀態；Qe為剩余容量；SOC為荷電狀態；C（I,θ）為蓄電池在參考電流I 和電解液參考溫度θ 下放電時的容量；Q0為初始容量；DOC 為蓄電池充電深度。

3 母線電容聯合混合儲能系統運行

3.1 母線電容儲能

母線電容C 的端電壓為Um時，母線電容存儲的能量為W。

3.2 母線電容聯合混合儲能系統控制策略

超級電容器控制器通過采集母線功率高頻部分和母線電容的儲能響應部分，從而控制超級電容器DC/DC 響應儲能需求。蓄電池控制器通過采集母線功率中頻部分和超級電容器控制器輸出，從而控制蓄電池DC/DC 響應儲能需求。

4 仿真分析

所研究的離網運行微電網系統參數見表1，風光電源滲透率為50%。從一天的白天和晚上選擇兩個有代表性的場景，分別為場景一和場景二，每個場景下通過實測數據隨機選擇2000s 進行分析研究。微電網負荷通過負荷預測得到。場景一為白天中午，此時風光出力較大，微電網負荷優先由風光電源供應，混合儲能系統和燃氣輪機進行調節。場景二為晚上，此時光伏發電為0，風機裝機容量無法滿足負荷需求，所以燃氣輪機承擔一定的基荷需求。

表1 微電網系統各項參數

圖2 場景一負荷-風電場-光伏出力對比圖

圖3 場景二負荷-風電場出力對比圖

下文以場景二為例分析母線電容儲能對微電網中混合儲能系統出力的影響。

圖4 場景二風電場風速

圖5 場景二儲能需求

圖6 場景二超級電容器出力

圖7 母線電容儲能下的超級電容出力

圖8 場景二蓄電池出力

圖9 母線電容儲能下的微型燃氣輪機出力

重復場景一的實驗仿真，綜合場景一和場景二的數據分析，見表2。場景一，超級電容器充放電切換次數減少了155次，蓄電池放電切換次數減少32次；場景二，超級電容器充放電切換次數減少了37次，蓄電池放電切換次數減少25次。試驗證明母線電容對混合儲能系統充放電切換次數的減小效果很明顯，選擇合適的母線電容容量，聯合混合儲能系統優化運行，可以延長混合儲能系統的使用壽命，保證微電網穩定運行。

表2 母線電容對混合儲能系統參數的影響

本文研究離網運行的直流微電網中母線電容的儲能效果，研究母線電容作為儲能元件，對混合儲能系統運行的積極作用。試驗證明：一是母線電容儲能減少了超級電容器和蓄電池的充放電切換次數，延長了混合儲能系統的使用壽命。二是當母線電容值較大，且直流電壓較高時，母線電容的儲能效果不容忽視，考慮其儲能效果對于微電網系統優化運行，混合儲能系統優化配置和經濟運行，有著積極作用。