光儲微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)的儲能控制策略

李 斌，寶海龍，郭 力

（天津大學 智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津 300072）

0 引言

微電網(wǎng)可以與常規(guī)電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可以獨立運行［1-2］。近年來由于可再生能源發(fā)電裝機容量不斷增加，微電網(wǎng)孤島運行時功率波動對電能質(zhì)量與安全穩(wěn)定的影響越來越受到重視。利用儲能裝置雖然可在一定程度上起到抑制功率波動的作用，但是單一的儲能裝置很難同時滿足功率與能量兩方面要求，而利用超級電容與蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)對于微電網(wǎng)的穩(wěn)定控制、電能質(zhì)量的改善和不間斷供電具有非常重要的作用［3-6］。

文獻［7］介紹了儲能技術(shù)在分布式發(fā)電中的應(yīng)用，以及各種儲能方式的原理及其優(yōu)缺點；文獻［8］詳細介紹了超級電容器作為儲能方式在微電網(wǎng)中的應(yīng)用；文獻［9］針對超級電容與電池混合儲能系統(tǒng)，在平滑控制與傳統(tǒng)限值管理的基礎(chǔ)上，提出了一種新的能量管理方法；文獻［10］從理論上證明了混合儲能可以充分利用蓄電池和超級電容器的互補特性，提高儲能的功率輸出能力；文獻［11］利用超級電容器功率密度高和循環(huán)壽命長的優(yōu)點，通過雙向DC/DC變換器的多滯環(huán)控制，優(yōu)化了蓄電池的充放電過程，延長了其使用壽命；文獻［12］提出了利用超級電容與蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)來實現(xiàn)微電網(wǎng)孤島運行時的功率平衡；文獻［13］針對包含海水淡化負荷的風光柴儲孤立微電網(wǎng)，設(shè)計了協(xié)調(diào)運行控制策略，該策略可以保證孤立系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行，并且能夠提高系統(tǒng)全壽命周期經(jīng)濟性?；谝陨涎芯浚梢园l(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外關(guān)于混合儲能的研究多是考慮儲能設(shè)備在并網(wǎng)運行情況下，如何利用混合儲能的互補特性而得到較為平滑和穩(wěn)定的功率輸出，避免由于分布式電源和儲能設(shè)備的接入造成系統(tǒng)的功率波動。但在微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行的動態(tài)過程中，如何盡可能滿足負荷的功率需求和可再生能源的最大功率輸出，同時優(yōu)化混合儲能單元的工作特性以達到良好的技術(shù)經(jīng)濟性仍然是值得深入研究的重要課題之一。

但在以往的研究成果中，對于微電網(wǎng)孤島運行情況下混合儲能的控制策略一般需要實時采集微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的分布式電源出力及負荷需求，再由能量管理系統(tǒng)對儲能設(shè)備進行功率分配，這種傳統(tǒng)方式對于微電網(wǎng)覆蓋面小、分布式電源種類少以及負荷分布集中的場合具有更好的可行性，但仍依賴于通信系統(tǒng)。

本文針對光伏發(fā)電單元與混合儲能所構(gòu)成的微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)，分析研究了微電網(wǎng)孤島穩(wěn)定運行對儲能系統(tǒng)的要求，提出了由超級電容與蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)的自適應(yīng)能量管理控制策略，以達到在微電網(wǎng)孤島運行模式下，功率波動時混合儲能系統(tǒng)具有快速的響應(yīng)能力，不僅滿足微電網(wǎng)運行的電能質(zhì)量要求，也最大限度地滿足負荷的功率需求。該控制策略對于微電網(wǎng)中功率和能量的頻繁快速變化，造成微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)內(nèi)功率缺額不停地正負變化時，不需通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集各種分布式電源的出力及負荷的需求來計算功率缺額，而是由超級電容直接實時補償功率缺額，再由混合系統(tǒng)自主地合理分配功率缺額給蓄電池和超級電容。本方法適用于微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源多樣以及負荷分布分散的情況，且有效地減少了蓄電池充放電次數(shù)，延長了其使用壽命，同時不需要額外的通信系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)全壽命周期經(jīng)濟性。

1 光伏與混合儲能所構(gòu)成的微電網(wǎng)系統(tǒng)

1.1 微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

本文研究的微電網(wǎng)系統(tǒng)采用建筑并網(wǎng)光伏電源。由于光伏電源出力具有間歇性和隨機性，輸出功率容易受到天氣影響，尤其在多云天氣，發(fā)電功率會出現(xiàn)快速劇烈變化，同時考慮到負荷的波動性，因此必須配備相應(yīng)的儲能單元［14-15］。

蓄電池是當前最常用的儲能單元，但由于其單體造價高，使用次數(shù)有限制，且單一的儲能單元無法同時滿足微電網(wǎng)系統(tǒng)對功率與能量的要求，所以本文采用超級電容與蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)，以滿足微電網(wǎng)運行的電能質(zhì)量要求和負荷的功率需求。

雙方共同構(gòu)成的微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of islanded microgrid

蓄電池與超級電容通過各自的DC/DC變換器連接到直流母線上，再通過統(tǒng)一的DC/AC變換器連接到交流母線上，光伏發(fā)電系統(tǒng)通過DC/AC變換器直接與交流母線相連，再與負荷相連組成整個微電網(wǎng)系統(tǒng)。當微電網(wǎng)孤島運行時，缺乏大電網(wǎng)供電，可能有負荷無法滿足，則需要切除負荷。為使微電網(wǎng)保持足夠的靈活性和可靠性，將微電網(wǎng)中的負荷分為重要負荷和次要負荷（可中斷負荷）。

忽略系統(tǒng)各部分的能量損耗，由能量守恒可得上述系統(tǒng)各進線功率之間的關(guān)系式如下：

其中，Pbat為蓄電池功率；Psc為超級電容功率；Ppv為光伏系統(tǒng)功率；Pload為負荷功率；Pnet-load為微電網(wǎng)孤島凈負荷功率（微電網(wǎng)孤島運行時，凈負荷功率等于微電網(wǎng)內(nèi)負荷需求功率減去可再生能源的輸出功率）。

1.2 混合儲能系統(tǒng)

蓄電池屬于能量型儲能裝置，輸出功率變化范圍小、變化速率慢，且充放電循環(huán)次數(shù)少（如鉛酸蓄電池的滿充放電循環(huán)次數(shù)僅為 600～1000 次［16］）；超級電容屬于功率型儲能裝置，輸出功率變化范圍大、變化速率快，且充放電循環(huán)次數(shù)多［17-18］。

本文采用的蓄電池模型由一個受控電壓源和常值內(nèi)阻串聯(lián)組成［19-21］，在此模型中將蓄電池的充放電狀態(tài)作為狀態(tài)變量，蓄電池的參數(shù)均是根據(jù)放電特性曲線得到，并且也完全適用于充電特性。

受控源端電壓的表達式為：

其中，Ubat為蓄電池的空載電壓（V）；Ubat0為蓄電池的恒定電壓（V）；Ibat為蓄電池的出口電流（A）；K 為極化電壓（V）；Q 為蓄電池的容量（A·h）；A為指數(shù)區(qū)域幅值（V）；B 為指數(shù)區(qū)域時間常數(shù)的倒數(shù)（A/h）。

超級電容模型由一個受控電壓源和常值電容并聯(lián)組成。受控源端電壓的表達式為：

其中，Usc為超級電容的端電壓（V）；Usc0為超級電容的初始電壓（V）；Isc為超級電容的出口電流（A）；C 為超級電容的電容值（F）；R為超級電容的內(nèi)阻（Ω）。

2 光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)孤島運行的自適應(yīng)控制

2.1 微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)儲能單元的功率變換器控制方式

光伏發(fā)電單元并網(wǎng)逆變器有單級式和雙級式2種模型，均通過逆變控制實現(xiàn)光伏陣列的功率控制及輸出?；旌蟽δ芟到y(tǒng)的雙級式變流器主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。前級DC/DC模塊允許能量的雙向流動，為減小開關(guān)損耗，這里采用獨立PWM控制方式，即當下橋臂進行PWM、上橋臂關(guān)斷時，電路處于Boost放電狀態(tài)；當上橋臂進行PWM、下橋臂關(guān)斷時，電路處于Buck充電狀態(tài)。后級DC/AC為三相電壓源型雙向變流器，最后經(jīng)LCL濾波器與負荷相連。

DC/DC模塊和DC/AC模塊通過直流母線電容解耦，2級模塊之間的功率變化將直接導(dǎo)致直流母線電容電壓出現(xiàn)波動，其電容電壓動態(tài)方程為：

其中，udc、io和idc分別為直流母線電壓、直流側(cè)輸出電流及DC/AC側(cè)輸入電流，如圖2所示。

忽略變流器損耗，直流側(cè)輸出功率為：

圖2 雙級變流器主電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Main circuit of two-stage converter

其中，pdc、ubat、ibat、usc和 isc分別為直流側(cè)功率、蓄電池端電壓、蓄電池輸出電流、超級電容端電壓及超級電容輸出電流。

微電網(wǎng)孤島運行時要保證微電網(wǎng)系統(tǒng)的功率動態(tài)平衡和系統(tǒng)電壓質(zhì)量滿足負荷要求。各分布式電源的控制及配合應(yīng)實現(xiàn)2個主要控制目標：

a.分布式電源和儲能系統(tǒng)的輸出功率控制；

b.微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓控制。

鑒于超級電容的快速響應(yīng)能力和蓄電池的能量儲備容量，微電網(wǎng)在孤島運行時不同儲能設(shè)備應(yīng)具有不同的控制策略并補償相應(yīng)的系統(tǒng)凈負荷功率缺額?；陔p級式變流器蓄電池和超級電容等儲能裝置孤島運行時，蓄電池DC/DC變換器采用功率控制，對系統(tǒng)功率輸出進行控制，超級電容DC/DC變換器控制直流母線電壓。蓄電池和超級電容通過各自的DC/DC功率變換單元并聯(lián)到直流母線上，再通過DC/AC功率變換單元連接到交流母線上。

蓄電池的電流參考值ibat_ref可根據(jù)功率參考指令直接得到，其變流器功率控制框圖如圖3所示。蓄電池DC/DC模塊在ibat_ref為正時工作于Boost放電狀態(tài)，在ibat_ref為負時運行在Buck充電模式。

圖3 蓄電池DC/DC模塊控制框圖Fig.3 Block diagram of DC /DC module control for battery

超級電容的電流參考值isc_ref可根據(jù)直流側(cè)母線電壓指令直接得到，其DC/DC電壓控制框圖見圖4。超級電容DC/DC支路的第一個PI控制環(huán)為無差調(diào)節(jié)，理想情況isc_ref等于0，即在直流側(cè)母線電壓穩(wěn)定后，超級電容器既不輸出功率也不吸收功率。

圖4 超級電容DC/DC模塊控制框圖Fig.4 Block diagram of DC /DC module control for supercapacitor

2.2 微電網(wǎng)孤島運行時混合儲能的自適應(yīng)控制策略

當微電網(wǎng)孤島運行時，由于缺少外部大電網(wǎng)的電壓和頻率支撐，就需要微電網(wǎng)自身保持其內(nèi)部電能的供求平衡，還需要保證電壓和頻率的質(zhì)量。常規(guī)的微電網(wǎng)控制方式分為主從控制和對等控制。以主從控制為例，其意味著微電網(wǎng)中多個分布式電源只有1個或者多個分布式電源作為主控單元，采用U/f控制方式，其余的分布式電源均為從控單元，從控的分布式電源的并網(wǎng)控制都采用PQ控制。例如圖2所示的混合儲能系統(tǒng)主電路中超級電容采用U/f控制策略，蓄電池采用PQ控制策略。這種控制方式需要采集負荷的實時狀態(tài)，計算出微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)的凈負荷，進而決定采用PQ控制的儲能系統(tǒng)的功率輸出。在微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的采集、計算和傳輸過程會造成一定的延時，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時這種控制方式也十分依賴通信設(shè)備，一旦發(fā)生通信異常情況，微電網(wǎng)的控制可能會失靈，甚至會導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。

為避免這種情況的發(fā)生，本文提出了一種新型超級電容與蓄電池混合儲能系統(tǒng)的功率自適應(yīng)控制策略。這種自適應(yīng)控制策略是在由圖3和圖4蓄電池和超級電容器組成的混合儲能系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行上層的功率控制?？刂瓶驁D如圖5所示。

當微電網(wǎng)系統(tǒng)孤島運行時，如果功率需求發(fā)生變化，超級電容器優(yōu)先動作補償功率缺額，則此時系統(tǒng)的功率缺額為Psc，如此便不需計算系統(tǒng)內(nèi)的功率缺額，而是實時保持系統(tǒng)能量供求平衡。但由于超級電容本身能量密度較小，其輸出功率越大或輸出時間越長時，超級電容的能量越容易達到最大 /最小限值，所以超級電容不能長時間對儲能系統(tǒng)輸出功率進行控制，本文通過自適應(yīng)控制策略將暫時由超級電容承擔的負荷缺額逐步轉(zhuǎn)移給蓄電池，由蓄電池來承擔功率缺額的補償，即圖5中所示Pss。在這種控制策略下，蓄電池的功率變化更為平滑，不會像常規(guī)控制那樣造成蓄電池功率變化過快，并減少了蓄電池充放電次數(shù)。當直流側(cè)母線電壓穩(wěn)定時，超級電容器不再輸出功率，此時微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)凈負荷的功率缺額由蓄電池全部補償，則微電網(wǎng)孤島凈負荷功率為：

圖5 超級電容與蓄電池功率控制框圖Fig.5 Block diagram of power control for supercapacitor and battery

如果蓄電池無法全部補償微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)的功率缺額，超級電容就需要承擔剩余的功率缺額，以保證系統(tǒng)的電能質(zhì)量要求和負荷的功率需求。如果功率缺額超出混合儲能系統(tǒng)所能承受的范圍，為保證主要負荷的正常工作，就需要切除部分或全部切除次要負荷以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

圖5中超級電容功率Psc（系統(tǒng)功率缺額）與參考值Psc_ref（初始為0）做差即為微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)的瞬時功率缺額，再通過PI控制環(huán)調(diào)節(jié)得到系統(tǒng)穩(wěn)定時的功率缺額Pss，如果Pss未超出蓄電池的功率限值，此時蓄電池輸出功率的參考值與Pss相等，如果Pss超出了蓄電池的功率限值，蓄電池輸出功率為上 /下限值。Pbat_ref為負表示充電，為正則表示放電。

微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)中超級電容輸出功率的參考值Psc_ref的大小取決于系統(tǒng)穩(wěn)定時的功率缺額Pss與蓄電池輸出功率的參考值Pbat_ref，即：

當Pbat_ref_min≤Pss≤Pbat_ref_max時，系統(tǒng)穩(wěn)定時的功率缺額Pss未超出蓄電池輸出功率的上下限值，即系統(tǒng)穩(wěn)定時的功率缺額由蓄電池全部供給，不存在剩余功率，超級電容不需要參與功率調(diào)節(jié)，即：

當 Pss＜Pbat_ref_min＜0 或者 Pss＞Pbat_ref_max＞0 時，系統(tǒng)穩(wěn)定時的功率缺額Pss超出蓄電池輸出功率的上下限值，蓄電池無法再進行充電或者放電，此時微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)存在剩余功率，需要超級電容參與功率調(diào)節(jié)，補償剩余功率，即：

Psc_ref為負表示充電，為正則表示放電。如果超級電容由于其儲能限制而不能滿足對功率缺額的補償，則必須采取相應(yīng)的切負荷措施。

3 PSCAD仿真驗證

為驗證本文所提出控制策略的正確性，根據(jù)圖1的微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，在PSCAD/EMTDC環(huán)境下搭建了一個含光伏發(fā)電系統(tǒng)和混合儲能系統(tǒng)（蓄電池與超級電容并聯(lián)）及不同負載的微電網(wǎng)孤島仿真平臺。其中光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率波動范圍為5～15 kW，假設(shè)實際微電網(wǎng)孤島中光伏和負荷的功率采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信時間為0.1 s。

蓄電池儲能系統(tǒng)額定功率為20 kW，按照其滿容量且以最大功率輸出時持續(xù)時間不小于10 h的原則，確定其容量為400 A·h，額定電壓為500 V；超級電容儲能系統(tǒng)額定功率為20 kW，按照其滿容量且以最大功率輸出時持續(xù)時間不小于30 s的原則，確定其電容值為10 F，額定電壓為400 V。

下面通過不同算例對本文提出的微電網(wǎng)自適應(yīng)控制策略和常規(guī)的微電網(wǎng)控制策略進行比較，以驗證負荷需求功率和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率在各種變化情況下本文提出的控制策略的有效性。

算例1：保持光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率固定，在0.2s時系統(tǒng)三相對稱負荷需求功率驟降，凈負荷由12 kW驟降為4 kW，具體仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 算例1的仿真驗證波形圖Fig.6 Simulative waveforms of case 1

通過對圖6中蓄電池輸出功率的對比，發(fā)現(xiàn)在負荷需求功率驟降時，在常規(guī)控制策略中蓄電池輸出功率變化劇烈，對蓄電池沖擊大；在自適應(yīng)控制策略下蓄電池輸出功率變化較平滑，對蓄電池起到保護作用。通過對孤島系統(tǒng)直流側(cè)母線電壓的對比，發(fā)現(xiàn)在負荷需求功率驟降時，具有自適應(yīng)控制策略的直流側(cè)母線電壓相對于常規(guī)控制策略的直流側(cè)母線電壓變化范圍小，恢復(fù)時間短，這有利于保證微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)運行的電能質(zhì)量。

算例2：保持光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率固定，在0.2 s時系統(tǒng)三相對稱負荷需求功率發(fā)生短時變化后又恢復(fù)到原值，即凈負荷由-4 kW升高到6 kW又迅速降落到-4 kW，具體仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 算例2的仿真驗證波形圖Fig.7 Simulative waveforms of case 2

通過對圖7中蓄電池輸出功率變化的對比可以發(fā)現(xiàn)，在負荷需求功率短時升高并迅速恢復(fù)到原值時，具有自適應(yīng)控制策略的混合儲能系統(tǒng)中蓄電池輸出功率基本不變，對蓄電池沖擊?。欢捎贸Ｒ?guī)控制時蓄電池輸出功率分別在t1和t22次穿越零點，意味著瞬時出現(xiàn)了1次放電和充電的過程，對蓄電池沖擊大。通過對孤島系統(tǒng)直流側(cè)母線電壓的對比，發(fā)現(xiàn)在負荷需求功率短時升高并迅速恢復(fù)到原值時，與負荷驟降時結(jié)果相同，具有自適應(yīng)控制的直流側(cè)母線電壓變化范圍小，恢復(fù)時間短，有利于保證微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)運行的電能質(zhì)量。

算例3：系統(tǒng)三相對稱負荷需求功率恒定，光伏電源出力分別在0.2 s和0.4 s時因光照強度的變化而發(fā)生變化，凈負荷在0.2 s時由6 kW降至-3 kW，在0.4 s時升高到2 kW，具體仿真結(jié)果如圖8所示。

通過對圖8中蓄電池輸出功率變化的對比發(fā)現(xiàn)，在負荷需求功率由6 kW降至-3 kW，運行一段時間又升至2 kW時，具有自適應(yīng)控制策略的混合儲能系統(tǒng)中由于超級電容對功率缺額的短時支撐作用，使蓄電池輸出功率平滑地由6 kW過渡到2 kW，并未對蓄電池進行充放電；而采用常規(guī)控制的蓄電池輸出功率在t1和t2分別穿越零點，進行了1次充放電，對蓄電池沖擊大，在實際應(yīng)用中，負荷需求功率的這種短時突變會造成蓄電池頻繁充放電，影響蓄電池的使用壽命，破壞了系統(tǒng)全壽命周期經(jīng)濟性。通過對孤島系統(tǒng)直流側(cè)母線電壓的對比，發(fā)現(xiàn)在負荷需求功率由6 kW降至-3 kW，運行一段時間又升至2 kW時，與負荷驟降時結(jié)果相同，具有自適應(yīng)控制的直流側(cè)母線電壓變化范圍小，恢復(fù)時間短，有利于保證微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)運行的電能質(zhì)量。

圖8 算例3的仿真驗證波形圖Fig.8 Simulative waveforms of case 3

算例4：保持光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率固定，在0.2 s時系統(tǒng)三相對稱負荷需求功率隨時間逐步增加，需求功率過零點之后發(fā)生一次跌落，凈負荷在-4 kW到12 kW之間變化，具體仿真結(jié)果見圖9。

通過對圖9中蓄電池輸出功率變化的對比發(fā)現(xiàn)，在凈負荷需求功率隨時間逐步增加并在過零點后發(fā)生一次跌落，在-4～12 kW間變化時，常規(guī)控制策略下的蓄電池輸出功率基本跟隨凈負荷需求功率的變化，會多次穿越零點進行充放電；而自適應(yīng)功率控制是跟隨凈負荷需求功率的變化趨勢，只穿越一次零點，很好地保護了蓄電池。通過對孤島系統(tǒng)直流側(cè)母線電壓的對比發(fā)現(xiàn)，由于PI控制環(huán)的存在，這種功率缺額不斷緩慢變化的情況，導(dǎo)致自適應(yīng)控制下的直流側(cè)母線電壓恢復(fù)存在幾十毫秒的延遲，這是在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)的，但對微電網(wǎng)系統(tǒng)而言卻避免了蓄電池的頻繁充放電，優(yōu)化了儲能系統(tǒng)的工作過程，達到了更好的技術(shù)經(jīng)濟效果。

算例5：保持光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率固定，蓄電池運行在滿功率輸出狀態(tài)（20 kW），在0.7 s時系統(tǒng)三相對稱負荷需求功率發(fā)生短時變化后又恢復(fù)到原值，即凈負荷由20 kW升高到25 kW又迅速降落到20 kW，具體仿真結(jié)果如圖10所示。

圖9 算例4的仿真驗證波形圖Fig.9 Simulative waveforms of case 4

圖10 算例5的仿真驗證波形圖Fig.10 Simulative waveforms of case 5

通過對圖10中蓄電池和超級電容輸出功率變化的對比發(fā)現(xiàn)，在0.7 s負荷需求功率短時升高并迅速恢復(fù)到原值，由于蓄電池運行在滿功率狀態(tài)下，蓄電池輸出功率不變，由超級電容補償瞬時功率缺額，直流側(cè)母線電壓波動在允許范圍內(nèi)，并在短時間內(nèi)能夠恢復(fù)到原值?？梢姡谛铍姵責o法補償微電網(wǎng)孤島的瞬時功率缺額從而啟動超級電容補償?shù)那闆r時，具有自適應(yīng)控制的混合儲能系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，當然，超級電容不能長時間輸出功率，需要配置相應(yīng)的保護措施以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

算例6：保持光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率固定，蓄電池和超級電容均運行在滿功率輸出情況（20 kW），在0.4 s時系統(tǒng)三相對稱負荷需求功率增加，此時已經(jīng)超出了光伏發(fā)電系統(tǒng)和混合儲能系統(tǒng)最大輸出范圍，必然導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定運行，需要切除次要負荷，具體仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 算例6的仿真驗證波形圖Fig.11 Simulative waveforms of case 6

通過對圖11中蓄電池和超級電容輸出功率變化的對比發(fā)現(xiàn)，在0.4 s負荷需求功率升高時，由于蓄電池和超級電容均運行在滿功率狀態(tài)下，超出了混合儲能系統(tǒng)的承受范圍，功率缺額無法被補償，根據(jù)孤島檢測原理，系統(tǒng)電壓降低，微電網(wǎng)孤島運行不穩(wěn)定，需切除次要負荷。在0.4s時直流側(cè)母線電壓驟降，超出系統(tǒng)允許運行范圍，微電網(wǎng)孤島保護裝置啟動，并在50 ms后切除次要負荷，蓄電池和超級電容輸出功率降低，微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)內(nèi)功率重新達到平衡狀態(tài)，直流側(cè)母線電壓恢復(fù)到750V，系統(tǒng)進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。

由上述仿真結(jié)果對比可知，本文提出的自適應(yīng)能量管理控制策略改善了系統(tǒng)運行的電能質(zhì)量要求，也最大限度地滿足了負荷的功率需求，同時優(yōu)化了蓄電池的工作過程，延長了蓄電池使用壽命。

4 結(jié)論

由于光伏、風電等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率具有間歇性和隨機性等缺點，當其在微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)中滲透率較大時，必將影響微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，因此微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)需要配備輸出功率更為穩(wěn)定的儲能系統(tǒng)，以維持微電網(wǎng)孤島的穩(wěn)定運行，并實現(xiàn)微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)內(nèi)部能量的瞬時平衡。本文提出了一種新型超級電容與蓄電池混合儲能系統(tǒng)的自適應(yīng)功率控制策略，利用超級電容的高功率密度特性，大幅提高了混合儲能系統(tǒng)對功率的實時響應(yīng)能力，有效實現(xiàn)了微電網(wǎng)的瞬時功率平衡。PSCAD/EMTDC仿真結(jié)果表明，所提控制策略能夠充分利用超級電容器功率密度高和循環(huán)壽命長的優(yōu)點來補償可再生能源輸出功率和負荷功率的瞬時波動，再逐步由蓄電池補償功率缺額，該控制策略優(yōu)化了蓄電池的工作過程，延長了蓄電池使用壽命，并且不需要數(shù)據(jù)采集和通信環(huán)節(jié)，提高了微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性，為光伏發(fā)電系統(tǒng)與混合儲能系統(tǒng)實現(xiàn)經(jīng)濟有效的微電網(wǎng)孤島運行提供了技術(shù)支持。