含超級(jí)電容的混合儲(chǔ)能技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用

楊洋，譚久俞

(東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012)

含超級(jí)電容的混合儲(chǔ)能技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用

楊洋，譚久俞

(東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012)

為了調(diào)節(jié)微電網(wǎng)中微電源輸出功率的不穩(wěn)定性和避免儲(chǔ)能元件的單一性，將超級(jí)電容與蓄電池的混合儲(chǔ)能模塊加入微電網(wǎng)中各微電源的出口環(huán)節(jié)。理論分析并搭建該混合儲(chǔ)能模塊的模型。在MATLAB/Simulink模塊中對(duì)其在保證微電網(wǎng)內(nèi)敏感負(fù)載供電穩(wěn)定性方面所起的作用進(jìn)行驗(yàn)證。

微電源；超級(jí)電容；混合儲(chǔ)能

1 引言

近幾年，超大規(guī)模電網(wǎng)事故頻發(fā)、遠(yuǎn)距離輸電成本過(guò)大、用戶(hù)用電需求多樣化增加制約著大規(guī)模電力系統(tǒng)的發(fā)展[1]。過(guò)多的去研究超大規(guī)模電網(wǎng)已不能滿足需求，研究發(fā)現(xiàn)分布式電源將會(huì)對(duì)大電網(wǎng)的運(yùn)行起著強(qiáng)有力的支撐輔助作用。而分布式電源對(duì)于大電網(wǎng)來(lái)說(shuō)是不可控的，它的應(yīng)用會(huì)加大對(duì)大電網(wǎng)的沖擊。所以微電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，微電網(wǎng)從系統(tǒng)方面統(tǒng)籌將發(fā)電機(jī)、負(fù)荷儲(chǔ)能裝置及控制裝置結(jié)合，借助于電力電子器件，向用戶(hù)供給電能和熱能，它對(duì)大電網(wǎng)而言是一個(gè)單一的可控單元[2-3]。

微電網(wǎng)中的微電源大多含風(fēng)機(jī)、光伏電池，這類(lèi)微電源受風(fēng)力大小、光照強(qiáng)度影響很大，輸出功率并不穩(wěn)定，因此需要借助儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來(lái)緩沖輸出功率的不穩(wěn)定性[4]。蓄電池儲(chǔ)能、抽水儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能均可以作為其儲(chǔ)能環(huán)節(jié)[5]，但是為了避免儲(chǔ)能單一化帶來(lái)的缺陷，本文以超級(jí)電容和蓄電池混合儲(chǔ)能來(lái)探究其在用戶(hù)供電可靠性方面的作用。

2 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

雖然各國(guó)對(duì)微電網(wǎng)的定義表述不盡相同，但是其功能敘述卻是一致的，如保障用戶(hù)用電安全性、改善電能質(zhì)量、提高能源利用率等等。

2.1 微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

美國(guó)電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(huì)(CERTS)給出的微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)[6]如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)是由A、B、C三條饋線組成的放射性網(wǎng)絡(luò)，微電網(wǎng)通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)與大電網(wǎng)相。負(fù)載A、B為重要負(fù)載，必須通過(guò)各微電源對(duì)其進(jìn)行不間斷供電，同時(shí)A還可以實(shí)現(xiàn)熱—電連供；負(fù)載C為非敏感負(fù)責(zé)，微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式下，必要時(shí)可切斷對(duì)系統(tǒng)其供電，以保證對(duì)重要負(fù)載的供電。同時(shí)各個(gè)微電源的出口都有潮流控制器，在能量系統(tǒng)管理下，控制各自的出力[7]。

2.2 微電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

微電網(wǎng)的兩種典型運(yùn)行模式為并網(wǎng)模式和孤島模式。并網(wǎng)模式下微電網(wǎng)通過(guò)PCC點(diǎn)與大電網(wǎng)相連，自身電量多余時(shí)向大電網(wǎng)提供電量，自身電量缺額時(shí)由大電網(wǎng)補(bǔ)充電量；由于特殊原因，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)斷開(kāi)，進(jìn)入孤島運(yùn)行模式，此時(shí)由微電網(wǎng)中的各微電源向自身負(fù)載供電[8]。

由于光伏、風(fēng)力發(fā)電受環(huán)境影響很大，其功率波動(dòng)性很強(qiáng)。為了平抑其功率波動(dòng)，保證對(duì)重要負(fù)載的穩(wěn)定供電，在其出口添加儲(chǔ)能裝置。微電網(wǎng)能夠安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)在于如何在運(yùn)行模式切換時(shí)，通過(guò)控制電力電力器件，保證對(duì)自身負(fù)載的不間斷供電。目前微電網(wǎng)主要的控制方法有基于電力電子技術(shù)的即插即用和對(duì)等控制、基于功率管理系統(tǒng)的控制、基于多代理技術(shù)的微電網(wǎng)控制[9]。

3 含超級(jí)電容的混合儲(chǔ)能環(huán)節(jié)

微網(wǎng)中的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)作為一個(gè)能量緩沖裝置，能提供短時(shí)間的電力供應(yīng)，在平抑各微電源功率波動(dòng)方面發(fā)揮著不可或缺的作用。目前可作為儲(chǔ)能元件的有蓄電池、飛輪、超導(dǎo)、超級(jí)電容等等。目前酸鉛蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)比較成熟、成本低、可靠性高，但是其功率密度低，受工作溫度影響大。而超級(jí)電容功率密度高，受工作溫度影響不大，可產(chǎn)生較大的脈沖功率。本文采用超級(jí)電容和酸鉛蓄電池混合儲(chǔ)能，探究其在微電網(wǎng)切換運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，它在負(fù)載供電穩(wěn)定性方面的影響。

3.1 酸鉛蓄電池模型

所采用的蓄電池模型既能準(zhǔn)確模擬電池性能，又兼具反復(fù)充放電的快速反應(yīng)能力，決定采用的蓄電池模型[10]如圖2所示。

該模型中，E為電池端電壓；E0為開(kāi)路電壓；K為極化電壓；Q為電池容量；A為指數(shù)增益電壓；B為指數(shù)增益容量。圖中所有參數(shù)均可由酸鉛蓄電池的特性得到，同時(shí)為了避免蓄電池在使用過(guò)程中的過(guò)充和過(guò)放問(wèn)題，應(yīng)該讓其工作在荷電狀態(tài)為20%～80%的區(qū)域。

圖2 酸鉛蓄電池模型

3.2 超級(jí)電容模型

超級(jí)電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，必須根據(jù)其應(yīng)用環(huán)境對(duì)其進(jìn)行建模。本文擬用超級(jí)電容與蓄電池一起作為儲(chǔ)能元件，只考慮其充放電特性[11]，所以采用如圖3(a)所示模型。

圖3 超級(jí)電容模型

圖3(a)中，U為超級(jí)電容端電壓；C表示超級(jí)電容容量；R1為等效并聯(lián)電阻；R2為等效串聯(lián)電阻。電阻R1主要表示通電時(shí)超級(jí)電容內(nèi)部壓降和內(nèi)部發(fā)熱現(xiàn)象，通常比較小，隨溫度變化小，一般將其當(dāng)作常數(shù)；電阻R2主要表征自然放電現(xiàn)象，通常很大，可忽略不計(jì)。那么簡(jiǎn)化的超級(jí)電容模型如圖3(b)所示。

超級(jí)電容的容量C和等效串聯(lián)電阻R均為充放電電流I和電解液溫度TC的函數(shù)，表示如下：

(1)

充放電時(shí)，超級(jí)電容端電壓與理想電容電壓為：

(2)

式中，I表示放電電電流；IL表示泄露電流；t表示充電時(shí)間；U0表示放電開(kāi)始前電容兩端的電壓。

超級(jí)電容的荷電狀態(tài)SOCC表征了超級(jí)電容正常工作時(shí)存儲(chǔ)電能的多少。計(jì)算方法如下：

(3)

式中，Umax表示最高工作電壓；Umin表示最低工作電壓；Q表示超級(jí)電容器剩余電量；QC表示超級(jí)電容器額定容量。

4 混合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)及性能仿真

超級(jí)電容與蓄電池在微電網(wǎng)中均為儲(chǔ)能元件，主要功能為平抑各微電源輸出功率的不穩(wěn)定性，所以必有兼具超級(jí)電容充放電速度快和蓄電池放電時(shí)間長(zhǎng)、能量密度高的特點(diǎn)。故采用蓄電池與超級(jí)電容通過(guò)功率變化裝置并聯(lián)的方式[12]如圖4所示。

圖4 混合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)

4.1 微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換仿真

在MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)中搭建含超級(jí)電容的混合儲(chǔ)能模型，并將其并聯(lián)到各微電源的出口處。設(shè)置0.1s前微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，0.1s時(shí)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)脫離進(jìn)入孤島運(yùn)行模式，1s時(shí)微電網(wǎng)重新再并網(wǎng)運(yùn)行。對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)、脫網(wǎng)、再并網(wǎng)敏感負(fù)載特性

圖中，敏感負(fù)荷1、2的電壓、電流波動(dòng)性比較小，均在可接受范圍內(nèi)。說(shuō)明含超級(jí)電容的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)、脫網(wǎng)、再并網(wǎng)的過(guò)程中，能夠很好的平抑微電源的輸出功率，保證對(duì)負(fù)荷的可靠供電。

4.2 孤島運(yùn)行模式下微電網(wǎng)切/增負(fù)載仿真

微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行模式，0.5s時(shí)切掉非敏感負(fù)載，1s時(shí)重新給非敏感負(fù)載供電[13]，母線電壓及微電網(wǎng)頻率變化如圖6所示。

由仿真結(jié)果可知，微電網(wǎng)在切負(fù)載以及再增負(fù)載時(shí)，母線電壓和系統(tǒng)頻率始終能滿足敏感負(fù)荷電能質(zhì)量的需求。

圖6 微電網(wǎng)母線電壓與頻率變化

5 結(jié)論

本文微電網(wǎng)儲(chǔ)能模塊的功能進(jìn)行說(shuō)明，同時(shí)基于用戶(hù)用電多樣性增加，為了避免單一儲(chǔ)能方式存在的缺陷，決定采用超級(jí)電容和酸鉛蓄電池混合儲(chǔ)能的方式。并對(duì)其模型進(jìn)行搭建。

經(jīng)仿真驗(yàn)證，含超級(jí)電容的混合儲(chǔ)能模塊能夠在微電網(wǎng)脫網(wǎng)再并網(wǎng)過(guò)程中，穩(wěn)定敏感負(fù)載的電壓和電流，確保敏感負(fù)載供電的穩(wěn)定性；同時(shí)在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式下切/增負(fù)載時(shí)，穩(wěn)定微電網(wǎng)的母線電壓及系統(tǒng)頻率。由此驗(yàn)證了該含超級(jí)電容的混合儲(chǔ)能模塊在微電網(wǎng)中的有效性和實(shí)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

楊洋(1991-)，男，漢，山東省濱州市鄒平縣，東北電力大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)在讀研究生，研究方向?yàn)榻涣魑㈦娋W(wǎng)綜合控制。