直流微电网中超级电容—蓄电池混合储能系统及其控制策略

冯玉斌，肖静，吴宁，杨艺云，孙乐平

（广西电网有限责任公司电力科学研究院，广西 南宁市 530023）

0 引言

由于能源危机和环境污染等问题日益严重，基于可再生能源的并网发电技术成为解决上述问题的有效措施之一[1]。将分布式电源以微电网的形式接入配电网，被普遍认为是利用分布式电源有效的方式之一[2]。以风电和太阳能光伏发电为主的微电网中，各分布式电源受制于能量来源的间歇性和随机性，其输出功率往往波动较大，难以保持稳定，而微电网中的负荷也在随机的发生变化，因此在微电网研究中，稳定性是一个绕不开的关键问题。储能系统控制灵活，使微网的电能质量、稳定性和供电可靠性都有很大的提升，是微网的重要组成部分[3]。

虽然现有的储能介质多种多样，但是每一种都或多或少的存在一些缺陷，例如能量型储能元件响应速度慢，功率型储能元件普遍容量不足等，因此难以单独应用在微网之中[4]。为了克服这个问题，国内外的学者们开展了相关的研究，使用两种不同的储能介质相互搭配、结合，做成混合储能系统。文献[5]中，作者采用一种并联的拓扑结构，超级电容器与蓄电池同时通过两个不同的DC—DC双向变换器分别连入直流母线，形成并联结构。这两种储能元件都可以得到控制，进而对蓄电池的工作过程做出了优化，缓解了蓄电池承受的压力。但是这种并联结构在超级电容电压过高或过低时，只能由蓄电池单独调节母线上的电压波动，此时混合储能系统对蓄电池的保护作用将会大幅下降。文献[6]中提出的混合储能系统，采用级联方式构成，通过配置一个DC—DC双向变换器，将超级电容器接在直流母线上，用于稳定直流母线电压，而同时以另一个DC—DC双向变换器连接蓄电池和超级电容器，用于调节超级电容器的电压大小。该拓扑结构可以评估超级电容器的荷电状态，并相应的改变蓄电池工作模式，也能起到减少其充放电次数的效果，从而保护蓄电池。

考虑到现有混合储能技术存在的缺陷，本文以采用双向变换器将混合储能系统与直流母线相连，选用锂电池搭配超级电容器为例，提出了一种基于直流母线电压和超级电容器荷电状态的控制策略，根据两者的变化情况自动做出响应，优化了储能元件的工作过程，进一步降低不必要的浪费，同时大幅减少蓄电池的动作次数，并通过仿真验证了该方法的有效性。

1 混合储能系统结构

直流微电网往往不可避免的会运行在孤网模式下。此时，微网中负荷所需能量主要依靠风力发电和光伏发电来提供，由于两者输出功率存在间歇性与波动性，输出与负荷之间或多或少会出现一些功率差额，在微网中接入储能系统可以对差额进行平衡。然而单一的储能形式并不能完全满足微网中的这一需求，因此设计以超级电容器为主，铅酸蓄电池为辅，通过电路拓扑将两种不同的储能元件结合在一起，构成的混合储能系统，比起将储能元件拆开单独使用，性能上有着很大幅度的提升。同时，针对所提出的拓扑结构，专门设计了一套与之相适应的控制策略。为了验证所提出的混合储能系统的结构及其控制策略的性能与效果，设计搭建了一个简单的直流微电网模型，如图1所示。

图1 风—光—储微电网简单模型

其中，混合储能的内部采用如图2所示的电路拓扑结构，主体是由蓄电池组、超级电容器组以及两个双向DC—DC双向变换器构成。首先配置一个DC—DC双向变换器（1号），将蓄电池模块两端与超级电容器模组（Super Capacitor,SC）的两端连接，然后再配置另外一个DC—DC双向变换器（2号），将超级电容器模组接入直流母线。

2 混合储能系统控制策略

混合储能系统的控制框图如图3所示。蓄电池与超级电容器以级联的方式构成，通过对两个DC—DC双向变换器的协调控制，调节储能元件的工作过程，并最终实现稳定母线电压的目的。

图2 混合储能系统拓扑结构

图3 混合储能系统控制框图

控制系统1全程控制1号DC—DC双向变换器动作：采集超级电容器电压Usc的值，与SC的中间电压进行比较，计算出偏差量的大小，并结合蓄电池的平均荷电状态（）共同计算得出一个输出电流给定值Ibat—ref，再与蓄电池实际放电电流Ibat相比较，计算并调制相应的PWM脉冲信号用以驱动1号DC—DC双向变换器运行，从而控制蓄电池和超级电容器两者之间电能量的流向与大小。

控制系统2全程控制DC—DC工作：首先采集直流母线电压Udc，与母线的额定电压值对比，计算得到偏差量的大小，再结合超级电容器的端电压（Usc）和的值，最终确定此时超级电容器应该选择哪一种工作状态，同时得出该状态下储能系统应输出到直流母线电流给定值IES_ref，将之与实际电流值IES进行对比，计算其差值并依此调制PWM脉冲信号，送至2号DC—DC双向变换器，从而控制整个混合储能系统对母线充放电模式及电流的大小。

3 仿真验证

为了求证上述混合储能单元能否有效平抑微电网中普遍存在的功率波动，仿真模型设置了若干不同的场景，首先分析微网模型中储能投入前与投入后两种工况，并进行对比，所有仿真场景中，直流母线电压等级均选择230V。其他具体设定如下：将直流母线上所有直流负荷与通过逆变器连接的交流负荷统一设置为一个150kW的等效负荷；风电、光伏电池模型均工作在最大功率点跟 踪 (Maximum Power Point Tracking，MPPT)模 式下，此时假设光照强度稳定，没有随时间发生变化，光伏电池对母线输入电流也保持稳定，其值约为530A；同时，设定风速不稳定，随时间变化而变化，风力发电的出力大小也随之波动。

图4 未投储能时微电源电流与母线电压

3.1 微电网未配置储能时的状况

首先断开储能元件与微电网之间的连接，实验开始后，混合储能系统输出的电流值恒定为零。观察图4不难看出，有且仅有在t=2～4s区间内，直流母线电压为230V左右，处在正常状态，此外的所有时间段中，母线电压都出现了过高或过低情况，这是实际运行过程中不允许的。这个仿真实验表明，微电网处在孤网运行模式下时，如果没有储能装置，且所有分布式电源都运行在MPPT模式时，直流母线电压将会完全失控。而如果为了母线功率平衡使微电源没有采用MPPT模式，太阳能与风能无法得到最大程度的利用，无异于弃风弃光，因此储能装置在微电网中是必不可少的。

3.2 微电网配置储能后的仿真结果

在一个完全相同的仿真场景下，特别地将上述混合储能系统连接进直流母线中，储能系统自动响应微电网的一系列电压波动，在这种情况下各微电源输入到直流母线的电流值的大小 、直流母线电压的波形图如图5所示。

仿真实验开始，储能系统随即开始调控母线电压。当t=0～2s区间时，风电与光伏总体的发电功率相对不足，此时储能系统自动开始工作，输出一个电流，其值为正，即正在为母线填补功率缺额，使母线电压提高到设置的225V以上； t=2～4s时，风力发电机出力提高，母线电压约为228V，达到正常工作电压，无需使用储能系统进行调节，这个时候储能系统没有输出电流，进入待机状态。

图5 投入储能后微电源电流与母线电压

当t=4～6s时，模拟风速又一次提高，母线电压随之上升，由图5可见储能对母线输出的电流为负值，表示储能正处在充电状态，吸收微网中富余的能量，将母线电压控制在235V以下； t=6～8s风速下降，风力机发出的功率随之降低，母线电压依旧没有超过235V；t=8～10s时风速又一次降低，风力发电机提供不了足够的功率，母线电压开始下降，储能系统自动转换到放电状态，输出电流，补足微电网的电能缺额，使母线电压不至于掉落到正常工作范围以外。本次实验与3.1节相比，储能系统的存在使直流母线电压从始至终都能稳定在225V～235V这一范围内；而当微网中产生与消耗的功率趋于平衡，且母线电压相对稳定、未超出正常工作范围外的时候，混合储能系统保持待命状态，没有做任何无用功，优化了储能元件的工作过程，其寿命得到提高。

图6 蓄电池调节超级电容器电压

3.3 蓄电池与超级电容器协同工作仿真验证

在之前的实验中，混合储能主要使用超级电容器来平抑母线电压波动，该元件响应时间极短，速度极快，十分适用于针对微电网中的持续时间短、变化比较剧烈的高频波动。然而超级电容器的容量是一块短板，难以进行长时间、大功率的调节，应付不了持续时间较长、变化较慢的功率波动。因此，采用功率型储能元件如蓄电池，对超级电容器进行辅助，形成混合系统是一种可行的方案。

以上实验主要侧重于体现储能平抑母线电压波动这一功能的有效性，仿真持续的时间不长，尚未能观察到两种不同储能介质之间的能量交换过程。鉴于此，需要进行一个新的实验，设置如下：仿真开始时，设置超级电容已有165V的电压，此时风速不足，风力发电功率始终为零；设定直流母线的等效负荷的值恒为95kW，整个过程只有光伏电池供电。仿真结果如图6所示。

图6中，当t=0～15s时，将光照强度设定为650W/m2，光伏阵列的发电量未能满足微电网的等效负荷需求，出现功率缺额，混合储能系统首先使用SC对其进行补偿，蓄电池与SC之间的电流为零；当t≈6s时，SC容量下降，使电压降至147V以下，满足蓄电池的动作条件，控制系统开始工作，令蓄电池一起进行功率补偿，此时蓄电池模块输出电流为正值，其中小部分电流供给SC维持电压，其余部分输入直流母线；当t=15s时，设置光照强度改变，达到并稳定在1100W/m2，光伏电池出力增加使得微电网功率趋于富裕，储能系统自动开始充电，吸收富裕的电能。此时，SC两端电压处在正常范围内，控制系统首先使用SC调节母线功率，储能系统对母线输出的电流为负值，同时将蓄电池切换到待命状态，蓄电池模块输出电流为零；到t≈20s时， Usc提升到170V，达到蓄电池动作阈值，蓄电池自动切换到充电状态，将超级电容器富余的电能吸收，蓄电池模块的输出电流为负值。在蓄电池的调节作用下， Usc不再继续上升，稳定在正常工作范围内，观察蓄电池荷电状态曲线，不难看出꿺变化的值非常小，这是因为蓄电池的容量远胜SC，做为一种能量型储能元件，蓄电池的存在也使得混合储能系统整体的容量远大于单一的超级电容器储能。

4 结语

混合储能系统兼具超级电容器大功率充放电、使用寿命长以及蓄电池容量大等优点，两种储能元件相辅相成，扬长避短，很好的针对了微电网中同时存在的高、低频波动情况，并具有以下优点：

4.1 优化了两种储能元件协同工作的过程；

4.2 使得蓄电池工作的次数得到减少，同时延长了其使用寿命；

4.3 更好的发挥了超级电容器的优势，补齐了该元件的短板。

本次设置了不同工况下的仿真实验，验证了文中提出的混合储能系统的有效性，为平抑直流微电网中的波动，稳定直流微电网直流母线电压提供了思路及方法。