含超级电容的混合储能技术在微电网中的应用

杨洋，谭久俞

(东北电力大学，吉林 吉林 132012)

含超级电容的混合储能技术在微电网中的应用

杨洋，谭久俞

(东北电力大学，吉林 吉林 132012)

为了调节微电网中微电源输出功率的不稳定性和避免储能元件的单一性，将超级电容与蓄电池的混合储能模块加入微电网中各微电源的出口环节。理论分析并搭建该混合储能模块的模型。在MATLAB/Simulink模块中对其在保证微电网内敏感负载供电稳定性方面所起的作用进行验证。

微电源；超级电容；混合储能

1 引言

近几年，超大规模电网事故频发、远距离输电成本过大、用户用电需求多样化增加制约着大规模电力系统的发展[1]。过多的去研究超大规模电网已不能满足需求，研究发现分布式电源将会对大电网的运行起着强有力的支撑辅助作用。而分布式电源对于大电网来说是不可控的，它的应用会加大对大电网的冲击。所以微电网应运而生，微电网从系统方面统筹将发电机、负荷储能装置及控制装置结合，借助于电力电子器件，向用户供给电能和热能，它对大电网而言是一个单一的可控单元[2-3]。

微电网中的微电源大多含风机、光伏电池，这类微电源受风力大小、光照强度影响很大，输出功率并不稳定，因此需要借助储能环节来缓冲输出功率的不稳定性[4]。蓄电池储能、抽水储能、飞轮储能、超级电容储能均可以作为其储能环节[5]，但是为了避免储能单一化带来的缺陷，本文以超级电容和蓄电池混合储能来探究其在用户供电可靠性方面的作用。

2 微电网的结构及关键技术

虽然各国对微电网的定义表述不尽相同，但是其功能叙述却是一致的，如保障用户用电安全性、改善电能质量、提高能源利用率等等。

2.1 微电网的基本结构

美国电力可靠性技术解决方案协会(CERTS)给出的微电网基本结构[6]如图1所示。

图1 微电网基本结构

微电网网络是由A、B、C三条馈线组成的放射性网络，微电网通过静态开关与大电网相。负载A、B为重要负载，必须通过各微电源对其进行不间断供电，同时A还可以实现热—电连供；负载C为非敏感负责，微电网孤岛运行模式下，必要时可切断对系统其供电，以保证对重要负载的供电。同时各个微电源的出口都有潮流控制器，在能量系统管理下，控制各自的出力[7]。

2.2 微电网的关键技术

微电网的两种典型运行模式为并网模式和孤岛模式。并网模式下微电网通过PCC点与大电网相连，自身电量多余时向大电网提供电量，自身电量缺额时由大电网补充电量；由于特殊原因，微电网与大电网断开，进入孤岛运行模式，此时由微电网中的各微电源向自身负载供电[8]。

由于光伏、风力发电受环境影响很大，其功率波动性很强。为了平抑其功率波动，保证对重要负载的稳定供电，在其出口添加储能装置。微电网能够安全运行的关键技术在于如何在运行模式切换时，通过控制电力电力器件，保证对自身负载的不间断供电。目前微电网主要的控制方法有基于电力电子技术的即插即用和对等控制、基于功率管理系统的控制、基于多代理技术的微电网控制[9]。

3 含超级电容的混合储能环节

微网中的储能环节作为一个能量缓冲装置，能提供短时间的电力供应，在平抑各微电源功率波动方面发挥着不可或缺的作用。目前可作为储能元件的有蓄电池、飞轮、超导、超级电容等等。目前酸铅蓄电池储能技术比较成熟、成本低、可靠性高，但是其功率密度低，受工作温度影响大。而超级电容功率密度高，受工作温度影响不大，可产生较大的脉冲功率。本文采用超级电容和酸铅蓄电池混合储能，探究其在微电网切换运行状态时，它在负载供电稳定性方面的影响。

3.1 酸铅蓄电池模型

所采用的蓄电池模型既能准确模拟电池性能，又兼具反复充放电的快速反应能力，决定采用的蓄电池模型[10]如图2所示。

该模型中，E为电池端电压；E0为开路电压；K为极化电压；Q为电池容量；A为指数增益电压；B为指数增益容量。图中所有参数均可由酸铅蓄电池的特性得到，同时为了避免蓄电池在使用过程中的过充和过放问题，应该让其工作在荷电状态为20%～80%的区域。

图2 酸铅蓄电池模型

3.2 超级电容模型

超级电容器内部结构比较复杂，必须根据其应用环境对其进行建模。本文拟用超级电容与蓄电池一起作为储能元件，只考虑其充放电特性[11]，所以采用如图3(a)所示模型。

图3 超级电容模型

图3(a)中，U为超级电容端电压；C表示超级电容容量；R1为等效并联电阻；R2为等效串联电阻。电阻R1主要表示通电时超级电容内部压降和内部发热现象，通常比较小，随温度变化小，一般将其当作常数；电阻R2主要表征自然放电现象，通常很大，可忽略不计。那么简化的超级电容模型如图3(b)所示。

超级电容的容量C和等效串联电阻R均为充放电电流I和电解液温度TC的函数，表示如下：

(1)

充放电时，超级电容端电压与理想电容电压为：

(2)

式中，I表示放电电电流；IL表示泄露电流；t表示充电时间；U0表示放电开始前电容两端的电压。

超级电容的荷电状态SOCC表征了超级电容正常工作时存储电能的多少。计算方法如下：

(3)

式中，Umax表示最高工作电压；Umin表示最低工作电压；Q表示超级电容器剩余电量；QC表示超级电容器额定容量。

4 混合储能结构及性能仿真

超级电容与蓄电池在微电网中均为储能元件，主要功能为平抑各微电源输出功率的不稳定性，所以必有兼具超级电容充放电速度快和蓄电池放电时间长、能量密度高的特点。故采用蓄电池与超级电容通过功率变化装置并联的方式[12]如图4所示。

图4 混合储能结构

4.1 微电网运行模式切换仿真

在MATLAB/Simulink仿真平台中搭建含超级电容的混合储能模型，并将其并联到各微电源的出口处。设置0.1s前微电网处于并网运行状态，0.1s时微电网与大电网脱离进入孤岛运行模式，1s时微电网重新再并网运行。对应的仿真结果如图5所示。

图5 微电网联网、脱网、再并网敏感负载特性

图中，敏感负荷1、2的电压、电流波动性比较小，均在可接受范围内。说明含超级电容的混合储能系统在微电网联网、脱网、再并网的过程中，能够很好的平抑微电源的输出功率，保证对负荷的可靠供电。

4.2 孤岛运行模式下微电网切/增负载仿真

微电网处于孤岛运行模式，0.5s时切掉非敏感负载，1s时重新给非敏感负载供电[13]，母线电压及微电网频率变化如图6所示。

由仿真结果可知，微电网在切负载以及再增负载时，母线电压和系统频率始终能满足敏感负荷电能质量的需求。

图6 微电网母线电压与频率变化

5 结论

本文微电网储能模块的功能进行说明，同时基于用户用电多样性增加，为了避免单一储能方式存在的缺陷，决定采用超级电容和酸铅蓄电池混合储能的方式。并对其模型进行搭建。

经仿真验证，含超级电容的混合储能模块能够在微电网脱网再并网过程中，稳定敏感负载的电压和电流，确保敏感负载供电的稳定性；同时在微电网孤岛运行模式下切/增负载时，稳定微电网的母线电压及系统频率。由此验证了该含超级电容的混合储能模块在微电网中的有效性和实用性。

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Application of Mixed Storage Technology Containing Super Capacitor in a Micro-grid

YANGYang,TANJiu-yu

(Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)

In order to adjust the instability of micro power sources′ output power and avoid the unicity of storage,mixed storage unit(MSU)of super capacitor and battery will be put in outputs of micro power sources.Analyzing and establishing the model of MSU in theory.Proving its effects in ensuring the stability of power supply for sensitive loads in MATLAB/Simulink.

micro power sources;super capacitor;mixed storage

1004-289X(2016)03-0097-03

TM71

B

2015-05-03

杨洋(1991-)，男，汉，山东省滨州市邹平县，东北电力大学电气工程专业在读研究生，研究方向为交流微电网综合控制。