光伏發(fā)電系統(tǒng)中混合儲(chǔ)能技術(shù)研究

壽瑜江

浙江天地環(huán)?？萍加邢薰驹O(shè)計(jì)研究院

光伏發(fā)電系統(tǒng)中混合儲(chǔ)能技術(shù)研究

壽瑜江

浙江天地環(huán)?？萍加邢薰驹O(shè)計(jì)研究院

光伏發(fā)電等分布式能源應(yīng)用越來越廣泛。但光伏發(fā)電自身存在隨機(jī)性與間歇性，需要配置儲(chǔ)能系統(tǒng)來維持穩(wěn)定。如今適合于微電網(wǎng)的電池種類很多，但各自均存在一定的不足。提出一種良好的環(huán)境能量型鉛酸蓄電池與循環(huán)壽命長的功率型超級(jí)電容組合而成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，并進(jìn)行闡述和分析。

光伏發(fā)電；儲(chǔ)能系統(tǒng)；電容組合

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)

1.1 儲(chǔ)能技術(shù)的種類與特征

儲(chǔ)能技術(shù)可分為電化學(xué)儲(chǔ)能、物理儲(chǔ)能以及電磁儲(chǔ)能、相變儲(chǔ)能等。

（1）電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)

電化學(xué)儲(chǔ)能具有的能量為轉(zhuǎn)換載體電池，通過化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能與電能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化來儲(chǔ)存能量。蓄電池模塊為二次電池，其具有的化學(xué)反應(yīng)是可逆的，從而實(shí)現(xiàn)了與電能互相轉(zhuǎn)化達(dá)到可以充放電的能力。蓄電池儲(chǔ)能是如今最為成熟與可靠的儲(chǔ)能技術(shù)，依據(jù)其所利用的化學(xué)物質(zhì)不同分為鉛酸電池、鈉硫電池與鋰電池的幾種類型。

（2）物理儲(chǔ)能技術(shù)

物理儲(chǔ)能技術(shù)主要含有抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能德國，最為成熟與應(yīng)用最廣的技術(shù)為抽水儲(chǔ)能，主要是應(yīng)用在電力系統(tǒng)的消峰填谷、調(diào)頻與緊急事故備用等。

（3）電磁儲(chǔ)能技術(shù)

超級(jí)電容器是德國的物理學(xué)家Helmholz發(fā)現(xiàn)的，利用雙電層原理的儲(chǔ)能裝置。超級(jí)電容具有的功率密度高、可以快速放電、循環(huán)壽命長的優(yōu)勢(shì)，充放電效率一般可以達(dá)到95%以上。

1.2 混合儲(chǔ)能的選擇

混合儲(chǔ)能利用蓄電池與超級(jí)電容器兩個(gè)不同的類型儲(chǔ)能具有的互補(bǔ)模式，可以使得儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率輸出能力得以提升、降低損耗、增加系統(tǒng)的充放電時(shí)間，同時(shí)還可以減少蓄電池模塊的充放電次數(shù)，延長電池的利用壽命。

本文對(duì)于蓄電池與超級(jí)電容的混合儲(chǔ)能改善供電系統(tǒng)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了深入的研究。

2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)

2.1 混合儲(chǔ)能的模型

蓄電

池與超級(jí)電容器兩種儲(chǔ)能并聯(lián)在一起構(gòu)成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)模塊，現(xiàn)在具有很多的并聯(lián)模式，具有直接并聯(lián)、通過電感并聯(lián)以及功率變換器并聯(lián)的模式 。本文通過利用雙向的DC/DC變換器使得蓄電池與超級(jí)電容并聯(lián)，含有的混合儲(chǔ)能模型如圖1所示。

圖1 通過雙向 DC/DC 變換器并聯(lián)的混合儲(chǔ)能

蓄電池具有的參數(shù)為，輸出恒定電流為1 A，額定電壓為12 V，等效串聯(lián)內(nèi)阻為Rb=0.2Ω；超級(jí)電容的參數(shù)為初始電壓為40 V，容量為200 F，最高的工作電壓為60 V，等效內(nèi)阻為RSC=0.01 Ω；在系統(tǒng)內(nèi)部加入脈動(dòng)功率負(fù)載，電阻為R=10Ω，頻率為0.1，占空比25%，功率變換器電感為L=1mH。最后得出混合儲(chǔ)能在負(fù)載脈動(dòng)時(shí)候響應(yīng)如圖2。

如圖2所示，在負(fù)載產(chǎn)生脈動(dòng)，蓄電池輸出的電流恒為1 A，超級(jí)電容器來保證剩余脈動(dòng)電流，同時(shí)負(fù)載沒有脈動(dòng)接受蓄電池。利用這樣的模式，可以顯示超級(jí)電容器利用功率變換器與蓄電池并聯(lián)的結(jié)構(gòu)之中分析具有的所有優(yōu)勢(shì)。

圖2 有源式混合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)中負(fù)載脈動(dòng)下輸出電流波形

2.2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以完成儲(chǔ)存電能與供電系統(tǒng)，含有雙向的DC/AC變換器構(gòu)成。利用并聯(lián)控制器超級(jí)電容器來調(diào)節(jié)蓄電池的能量運(yùn)行，對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能進(jìn)行濾波，優(yōu)化蓄電池充電的過程，如果出現(xiàn)脈動(dòng)的時(shí)候，提供峰值功率來削減蓄電池輸出電流峰值，進(jìn)而優(yōu)化蓄電池放電的過程。在接入微電網(wǎng)的時(shí)候，超級(jí)電容器與蓄電池利用雙向DC/DC變換器聯(lián)機(jī)的DC/AC變換器母線上面，之后DC/AC變換器在連接到微電網(wǎng)交流母線，結(jié)構(gòu)如圖3。

利用與微電網(wǎng)之間的有功功率與無功功率的交換，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)功率與控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 雙向DC/AC變換器結(jié)構(gòu)與控制策略

3.1 雙向DC/AC變換器的結(jié)構(gòu)

本文研究分析的雙向DC/AC變換器混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的直流電變?yōu)榻涣麟娊尤氲奈㈦娋W(wǎng)內(nèi)部，同時(shí)通過控制混合儲(chǔ)能充放電，雙向的DC/AC變換基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

選擇狀態(tài)參數(shù)為電感的電流、電阻與支路電壓，之后列出狀態(tài)方程為：

圖3 混合儲(chǔ)能接入微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 雙向 DC/AC 變換器的結(jié)構(gòu)圖

式（1）內(nèi)部電流與電壓的表示為：

將式（1）、式（2）合并得到：

通過式（3），如圖5所示為DC/AC變換器含有的結(jié)構(gòu)模型內(nèi)部，可以得到變換器dq輸出的電壓Ud、Uq同濾波電流Id、Iq，耦合電感電流量-ωLfId、ω LfIq與線路電壓Uldd、Uldq有關(guān)。變換器dq軸輸出的電流Id、Iq等同線路電壓Uldd、Uldq，耦合電感電壓量-ω LfUldd、ω LfUldq和輸出電流 Ilnd、Ilnq有關(guān)。所以控制d、q軸的輸出，需要控制些擾動(dòng)。

圖5 DC/AC 變換器模型結(jié)構(gòu)圖

3.2 恒定功率控制-PQ控制

PQ控制通常來控制并網(wǎng)運(yùn)行模式的微電源，是通過控制逆變器來輸出指定大小有功無功功率的控制模式。為此混合儲(chǔ)能接入微電網(wǎng)利用PQ控制為了實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)模塊向電網(wǎng)吸收指定數(shù)值的有功無功功率。在同步旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系下面，變換器輸出的功率表達(dá)式為：

在同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系模式下，Uq=0，式（4）簡化為：

因?yàn)閁d不變，在同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下面通過d軸與q軸的電流分別決定變換器有功功率與無功功率，這就是可以實(shí)現(xiàn)變換器功率的解耦控制?？刂频倪^程如圖6所示，圖中Pref，Qref表示設(shè)定參數(shù)有功與無功功率，Idref、Iqref表示通過功率解耦計(jì)算得出的d軸與q軸的電流參考數(shù)值。ω表示電網(wǎng)的頻率，Ud*、Uq

*表示電流環(huán)控制得到d、q軸的調(diào)節(jié)電壓信號(hào)。

圖6 PQ控制圖

‘

PQ控制利用實(shí)際得到的電感電流Id、Iq同參考的電流比較，其含有的誤差信號(hào)經(jīng)過瞬時(shí)電流環(huán)PI控制模塊，dq解耦以及電壓前饋補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)電壓信號(hào)，同時(shí)變換器開關(guān)管的導(dǎo)通、關(guān)斷通過調(diào)制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)變換器恒功率模塊來控制。建模如圖7所示。

3.3 電壓/頻率的控制V/f控制

V/f下垂具有的實(shí)質(zhì)為，微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部的儲(chǔ)能部分檢測(cè)自身的功率輸出，之后通過下垂控制得到輸出電壓頻率與幅值指令集，之后對(duì)其輸出的電壓頻率與幅值進(jìn)行反相微調(diào)來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)有功與無功的合理分配，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電壓與頻率的穩(wěn)定控制。在并網(wǎng)運(yùn)行之后，大電網(wǎng)具有穩(wěn)定頻率的功能，微電網(wǎng)僅僅需要跟隨。

通過混合儲(chǔ)能系統(tǒng)利用V/f控制達(dá)到對(duì)于微電網(wǎng)電壓、頻率的調(diào)節(jié)，維持微電網(wǎng)內(nèi)部的供電質(zhì)量。對(duì)于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析功率傳輸?shù)哪Ｐ?，如圖8所示。

在圖8中，U表示變換器輸出電壓，E為公共母線電壓幅值，δ表示輸出電壓相角，Z、θ為等效輸出阻抗的幅值相位。所以混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率為：

圖7 PQ 控制模型

圖8混合儲(chǔ)能系統(tǒng)到交流母線的功率傳輸

為此，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功功率與無功功率分別是：

在以往的V/f下對(duì)于高壓大電網(wǎng)同步發(fā)電機(jī)含有的接口特征，忽略了線路內(nèi)部電阻，內(nèi)部的有功功率傳輸與相角有關(guān)，無功功率的傳輸與電壓的幅度數(shù)值相關(guān)。不過主要用來低壓微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能模塊，低壓傳輸線路阻抗很大，電阻不能忽略。所以，在低壓電壓為電網(wǎng)傳輸下面控制測(cè)量不在適用。低壓線路電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于線路具有的阻抗，所以可以將電抗X忽略不計(jì)，則會(huì)有Z=R，θ =0o，所以上面的公式簡化為：

V/f下垂控制模塊含有功率的控制與電壓電流雙控制模塊：首先功率控制利用便于測(cè)量的頻率控制代替相角控制，同時(shí)儲(chǔ)能模塊輸出有功P無功W需要滿足0≤P≤Pmax以及-Qmax≤Q≤Qmax。將功率控制的輸出看作為電壓電流雙環(huán)控制參考的電壓，功率控制如圖9所示。

圖9 功率控制結(jié)構(gòu)框圖

其次為電壓電流雙環(huán)控制，含有的基本控制過程為，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)模塊輸出的電壓與功率得到參考電壓信號(hào)不強(qiáng)，經(jīng)過電壓PI控制器與前饋解耦控制得到電流內(nèi)環(huán)參考的電流。濾波電感電流與參考電流的差值經(jīng)過電流環(huán)PI控制器、前饋解耦與電壓前饋補(bǔ)償?shù)玫絊PWM調(diào)制電壓的信號(hào)。控制過程如圖10所示。

4 結(jié)語

蓄電池與超級(jí)電容的混合儲(chǔ)能，含有能量型與功率型儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)，延長了蓄電池的壽命，削減了運(yùn)行的成本，大大的提升了儲(chǔ)能利用效率。本文對(duì)于混合儲(chǔ)能的模型結(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行了研究分析，對(duì)于今后的研究應(yīng)用具有一定的幫助。

圖10 電壓電流雙環(huán)控制圖

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更正啟示

本刊第五期P 234頁刊登的副理事長名單：“上海三環(huán)節(jié)能科技發(fā)展有限公司”改為“上海三環(huán)節(jié)能科技發(fā)展股份有限公司”。P 237頁理事名單：“陶旭海 中國石油化工股份有限公司上海高橋分公司副總經(jīng)理”改為“周紀(jì)軍 中國石化上海高橋石油化工有限公司副總經(jīng)理”。特此更正，并向上述單位及讀者致歉。

本刊編輯部

Research on Hybrid Energy Storage in Photovoltaic Power Generation System

Shou Yujiang
Zhejiang Province Tian&Di Environment Protection Co.，Ltd Design Institution

Photovoltaic power generation works as distributed energy supply, which is applied in an extensive way. But photovoltaic power generation has randomness and intermittency, which needs energy storage system to make it stable. Nowadays there are many kinds of batteries for micro power grid, but all have shortcomings. The author puts forward one kind better environment energy type acid battery combined with long-life power type super capacitor as hybrid energy storage system. The author also introduces its principle and analyzes its function.

Photovoltaic Power Generation, Energy Storage System, Capacitor Combination

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.06.011

壽瑜江：（1981-），男，浙江浦江人，助理工程師，從事火力發(fā)電廠大氣環(huán)保電氣設(shè)計(jì)。