基于混合储能的光伏微电网控制策略研究

陈若奇，钟建伟，罗春景，周 韵

（1.湖北民族大学 信息工程学院，湖北恩施 445000；2.国网湖北省电力有限公司巴东县供电公司，湖北巴东 444300）

引言

随着能源技术的不断发展，可再生能源技术的使用越发重要。以太阳能为代表的可再生能源对环境友好，适合大力推广[1]。光伏发电对直流母线电压的影响主要体现在两个方面，一是受环境因素制约发电功率输出不稳定，二是负载多变，这会导致直流母线电压不稳定，降低了供电可靠性[2]。这时，储能的重要性就体现出来，储能可以用来平抑光伏的输出，吸收光伏发电产生的多余功率，同时在光伏发电无法供电时继续供电。

文献[3]采用单蓄电池供电来稳定直流母线电压。文献[4]提出只依靠蓄电池频繁充放电来弥补光伏供电的功率波动，这会对蓄电池的使用寿命产生较大影响。文献[5-7]采用混合储能技术解决单储能元件的缺点，采用飞轮加上蓄电池的组合，蓄电池负责负载变化的低频部分，飞轮用来平抑波动的高频部分和部分低频功率。飞轮储能的自放电率较高，采用超级电容与蓄电池的混合储能技术可缓冲能量[8～10]。

针对上述情况，本研究建立了光伏电池、超级电容与蓄电池共同连接至直流母线的光伏混合储能系统模型。提出了储能设备的阈值的控制策略，来稳定直流母线电压，平抑系统功率波动，合理利用储能设备。最后通过Matlab/Simulink平台仿真验证了策略的可行性。

1 系统拓扑与模型

1.1 系统拓扑

采用的光伏发电混合储能系统拓扑如图1所示，光伏模块通过Boost升压电路连接至直流母线供能，储能模块通过双向DC/DC变换器连接至直流母线，主要供能模块是光伏电池与储能，负荷的变化以及光伏供能的变化引起的直流母线的电压波动主要依靠储能模块中的蓄电池与超级电容来平抑、吸收和提供功率[11,12]。

图1 光伏发电混合储能系统拓扑图

1.2 光伏电池模型

对光伏电池的原理分析可以得出光伏电池的等效电路图[13]。从而得出光伏电池的输出特性方程为：

式中：Iph为光伏电池受到光照产生的电流；ID、I0分别为等效二极管VD上通过的正、反向饱和电流；Ish为并联电阻Rsh上的泄漏电流；Rs为小值串联电阻；V为输出电压；其余量均为常数q=1.6×10-19C；K=1.38×10-23J/K；T为标准绝对温度；m为电池的系数。

光伏电池数学模型公式如下：

当上面3个式子中的电池固有参数Vmef，Vostef，Iscere，Imiref已知时就可以得到光伏电池的输出，而光伏电池的输出不仅仅依靠这些元素的计算，还需要考虑外界环境因素的影响，环境因素的参数的计算公式见式（5）。

2 混合储能控制策略分析

利用超级电容可以快速充放电的特性，对电力系统中的高频功率进行补偿，让蓄电池能够平滑输出功率提高蓄电池的寿命。控制策略如图2所示。蓄电池的控制策略与超级电容相似，利用低通滤波器滤出的低频电流与蓄电池的实际电流差来控制双向DC/DC电路的脉冲信号。

图2 双向DCDC控制框图

3 仿真分析

在MATLAB/Simulink的仿真环境下搭建光伏混合储能系统，具体仿真结构见图3。

图3 光伏储能系统仿真结构图

仿真参数如下：（1）光伏电池的开路电压为45.8 V，短路电流为9.28 A，最大功率点电压为37.1 V，最大功率点电流为8.77 A，初始光照辐射度为1000 W/m2，环境温度为25℃，串联数7，并联数13；（2）储能蓄电池采用额定电压300 V的锂电池，容量为96 A时，初始荷电状态为65%；（3）超级电容额定电压300 V，容量100 F，初始电压250 V。（4）滤波环节PI参数Kp取0.85，Ki取40；储能控制回路PI参数Kp取0.5，Ki取5。

根据上述参数建立的模型进行仿真，直流母线电压变化见图4。由图4可以看出，初始直流母线电压稳定在Udcref的设定值600 V，在1.2 s时负荷增加，直流母线电压瞬间下降，通过储能设备的调节后在短时间内恢复到600 V的设定值，在1.7 s时负荷减少，通过储能设备吸收功率使得直流母线电压很快恢复到指定值600 V。

图4 负荷变化直流母线电压

图5为负载变化时蓄电池和超级电容的输出功率的变化，初始状态蓄电池处于充电状态，超级电容初始状态输出与吸收功率均为0，在1.2 s时负载突增，从图5(a)可以看出，超级电容快速反应，补充功率缺口；从图5(b)中可以看出，在超级电容快速响应，系统进入平稳状态后由蓄电池放电来维持系统的功率平衡。

图5 储能设备功率曲线

图6为负载变化时蓄电池和超级电容的容量变化情况，在负荷突变时刻，也就是1.2 s与1.7 s时超级电容的容量会有一个突变，但是在突变之后容量变化就会趋于平稳，而蓄电池的变化在超级电容的平衡之下就比较平稳。

图6 储能设备容量变化曲线

4 结语

通过仿真可以看出超级电容的响应速度快，有效地减轻了蓄电池在负载突变时承担的压力，有利于延长蓄电池的寿命，同时在相应控制策略的控制下可以在负荷突变时有效地稳定直流母线电压，保证系统稳定。