考虑母线电容储能效果的混合储能微电网研究

国网枣庄供电公司 马运保 吴 丹 张 赛

1 直流微电网

1.1 直流微电网的结构

本文所研究的微电网是孤岛运行，利用系统自身特性维持微电网稳定，其中风、光、微型燃气轮机充当电源满足负荷需求，默认微型燃气轮机留有必要的调节余量。混合储能系统参与系统出力调节，维持系统稳定。超级电容器储能和蓄电池储能负责平抑功率高中频部分，微型燃气轮机调节低频部分，使得微电网系统电压和频率保持稳定。

1.2 光伏发电

光伏电池的工程用数学模型[1]：

上式中，Sref=1000W/m2为参考太阳辐射强度；Tref=25℃为参考电池温度；ΔS=S-Sref为实际光强与参考光强的差值；ΔT=T-Tref为实际电池温度与参考电池温度的差值；e 为自然对数的底数，其值约为2.71828；补偿系数a、b、c 为常数。根据试验数据，典型值推荐：

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

1.3 风力发电

本文以永磁直驱风机为例，主要考虑风电场风速变化对永磁直驱风机出力的影响。

上式为风速和永磁直驱风机出力的关系，PR为额定功率，vCI为切入风速，vCO为切出风速，vR为额定风速。

1.4 直流微电网中的母线电容

直流微电网中的直流源包含风光电源、微型燃气轮机，其中光伏阵列的输出经最大功率跟踪后，再经DC/DC 接入直流母线；风力发电机输出经AC/DC 接入直流母线；微型燃气轮机输出经AC/DC 接入直流母线，微型燃气轮机既充当基荷电源，也留有必要的余量，用于微电网出力调节[2]。

2 混合储能系统

目前，最常用的混合储能方式，超级电容器和蓄电池联合运行。并网运行时，平抑功率的高中频分量，低频并网。离网运行时，则需要利用混合储能满足负荷需求，维持微电网稳定，有必要利用蓄电池平抑功率的中低频分量，或者引入其他装置出力（如微型燃气轮机）参与低频部分调节。

2.1 超级电容器结构和工作原理

超级电容器的荷电状态（SOC）指的是在允许的工作电压范围内其存储电量的程度：

荷电状态：

2.2 蓄电池储能结构和工作原理

图1 铅酸蓄电池三阶动态模型图

Em为电动势、Im为主反应电流、Cw为扩散电容、Rp为欧姆极化电阻、Rd为电荷转移电阻。Egas、Rgas和Igas为辅反应支路参数。UB为蓄电池端电压、IB为蓄电池运行电流。

蓄电池荷电状态：

蓄电池剩余容量：

蓄电池充电深度：

SOC0为初始荷电状态；Qe为剩余容量；SOC为荷电状态；C（I,θ）为蓄电池在参考电流I 和电解液参考温度θ 下放电时的容量；Q0为初始容量；DOC 为蓄电池充电深度。

3 母线电容联合混合储能系统运行

3.1 母线电容储能

母线电容C 的端电压为Um时，母线电容存储的能量为W。

3.2 母线电容联合混合储能系统控制策略

超级电容器控制器通过采集母线功率高频部分和母线电容的储能响应部分，从而控制超级电容器DC/DC 响应储能需求。蓄电池控制器通过采集母线功率中频部分和超级电容器控制器输出，从而控制蓄电池DC/DC 响应储能需求。

4 仿真分析

所研究的离网运行微电网系统参数见表1，风光电源渗透率为50%。从一天的白天和晚上选择两个有代表性的场景，分别为场景一和场景二，每个场景下通过实测数据随机选择2000s 进行分析研究。微电网负荷通过负荷预测得到。场景一为白天中午，此时风光出力较大，微电网负荷优先由风光电源供应，混合储能系统和燃气轮机进行调节。场景二为晚上，此时光伏发电为0，风机装机容量无法满足负荷需求，所以燃气轮机承担一定的基荷需求。

表1 微电网系统各项参数

图2 场景一负荷-风电场-光伏出力对比图

图3 场景二负荷-风电场出力对比图

下文以场景二为例分析母线电容储能对微电网中混合储能系统出力的影响。

图4 场景二风电场风速

图5 场景二储能需求

图6 场景二超级电容器出力

图7 母线电容储能下的超级电容出力

图8 场景二蓄电池出力

图9 母线电容储能下的微型燃气轮机出力

重复场景一的实验仿真，综合场景一和场景二的数据分析，见表2。场景一，超级电容器充放电切换次数减少了155次，蓄电池放电切换次数减少32次；场景二，超级电容器充放电切换次数减少了37次，蓄电池放电切换次数减少25次。试验证明母线电容对混合储能系统充放电切换次数的减小效果很明显，选择合适的母线电容容量，联合混合储能系统优化运行，可以延长混合储能系统的使用寿命，保证微电网稳定运行。

表2 母线电容对混合储能系统参数的影响

本文研究离网运行的直流微电网中母线电容的储能效果，研究母线电容作为储能元件，对混合储能系统运行的积极作用。试验证明：一是母线电容储能减少了超级电容器和蓄电池的充放电切换次数，延长了混合储能系统的使用寿命。二是当母线电容值较大，且直流电压较高时，母线电容的储能效果不容忽视，考虑其储能效果对于微电网系统优化运行，混合储能系统优化配置和经济运行，有着积极作用。