蓄電池與超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能在風(fēng)光互補(bǔ)微網(wǎng)中的控制

袁麗堅(jiān)

【摘 要】本文主要闡述超級(jí)電容器與蓄電池的混合儲(chǔ)能技術(shù)在微電網(wǎng)中對(duì)風(fēng)力發(fā)電的功率進(jìn)行平抑與補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用，對(duì)超級(jí)電容器與蓄電池的混合儲(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)當(dāng)中所解決的問題、運(yùn)用的策略、和產(chǎn)生的效果進(jìn)行歸納。混合儲(chǔ)能技術(shù)將會(huì)是未來電網(wǎng)的重要組成部分，和新能源發(fā)電以及電動(dòng)汽車發(fā)展不可或缺的部分。

【關(guān)鍵詞】蓄電池；超級(jí)電容器；混合儲(chǔ)能；風(fēng)光互補(bǔ)微網(wǎng)

一、前言

近年來，隨著能源危機(jī)與環(huán)境污染日益嚴(yán)峻，太陽能、風(fēng)能等分布式可再生能源以其資源豐富、污染小等優(yōu)點(diǎn)將在未來能源格局中扮演重要角色。由于太陽能、風(fēng)能等的隨機(jī)性和波動(dòng)性，儲(chǔ)能系統(tǒng)是必不可少的，超級(jí)電容器和蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合了功率型儲(chǔ)能元件和能量型儲(chǔ)能元件的優(yōu)勢(shì)，避免了單一儲(chǔ)能技術(shù)的不足，是儲(chǔ)能技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

二、超級(jí)電容器和蓄電池混合儲(chǔ)能概述

混合動(dòng)力儲(chǔ)能技術(shù)是儲(chǔ)能技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。它結(jié)合了動(dòng)力型儲(chǔ)能裝置和能源儲(chǔ)能裝置的優(yōu)點(diǎn)，在新能源生產(chǎn)中具有很強(qiáng)的實(shí)用性。作為能量型儲(chǔ)能器件，電池具有能量密度高，電能長(zhǎng)期儲(chǔ)存等特點(diǎn)，但其功率密度小，充放電效率低，循環(huán)壽命短權(quán)力和頻繁的充電和放電。作為動(dòng)力型儲(chǔ)能裝置，超級(jí)電容器具有功率密度大，充放電速度快，儲(chǔ)能效率高，循環(huán)壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，能夠有效抑制系統(tǒng)中的短時(shí)能量波動(dòng)和瞬態(tài)能源系統(tǒng)平穩(wěn)，但能源密度不均衡。

在超級(jí)電容器和電池之間使用混合能量?jī)?chǔ)存可以將電池的能量密度與超級(jí)電容器的功率密度相結(jié)合，并且成功地解決了單獨(dú)使用電池儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能的缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外許多專家提出使用超級(jí)電容器和電池混合系統(tǒng)來解決微電網(wǎng)可再生能源發(fā)電不穩(wěn)定的問題。應(yīng)用于微電網(wǎng)的混合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

三、蓄電池與超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能在風(fēng)光互補(bǔ)微網(wǎng)中的控制

（一）風(fēng)光互補(bǔ)微網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

圖2顯示了一個(gè)典型的風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。主要組成部分為：異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，變速器，異步發(fā)電機(jī)和變槳控制系統(tǒng)組成），光伏單元（主要由光伏陣列，BOOST電路，LC濾波器及其控制系統(tǒng)組成），一個(gè)儲(chǔ)能單元（由超級(jí)電容器和電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)）和負(fù)載。同時(shí)，微電網(wǎng)通過公共連接點(diǎn)上的靜態(tài)開關(guān)連接到配電網(wǎng)。光伏單元和風(fēng)能單元參與了最大功率點(diǎn)控制問題，本文將不再詳細(xì)描述，并著重討論微電網(wǎng)系統(tǒng)中儲(chǔ)能單元的控制策略?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)單元的存在增加了微電網(wǎng)系統(tǒng)的慣性：當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)連接到電網(wǎng)時(shí)，該單元負(fù)責(zé)吸收系統(tǒng)中用于儲(chǔ)存的多余能量；當(dāng)它獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，該單元可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，響應(yīng)速度和運(yùn)行穩(wěn)定性。

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)采取的是雙極式變流器結(jié)構(gòu)，如圖3所示。該雙極性轉(zhuǎn)換器電路由前級(jí)DC/DC轉(zhuǎn)換器和后級(jí)DC/AC轉(zhuǎn)換器組成。該DC/DC轉(zhuǎn)換器允許雙向能量流動(dòng)，由PWM控制，在充電期間工作在降壓模式下，在放電時(shí)工作在升壓模式下，并且DC/AC轉(zhuǎn)換器是三相功率型雙向轉(zhuǎn)換器VSC。通過LCL濾波器連接負(fù)載。

圖中，Lf為濾波電感，Cf為濾波電容，Rf為濾波電阻，Udc為直流母線電壓，Usc為超級(jí)電容器電壓，Ubat為蓄電池電壓，ua、ub、uc為濾波電容三相電壓，ia、ib、ic為濾波電感三相電流。

（二）蓄電池儲(chǔ)能單元控制策略

為了避免高深度發(fā)電給蓄電池帶來的損傷，延長(zhǎng)蓄電池的壽命，在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中，蓄電池主要用于承擔(dān)發(fā)電系統(tǒng)與負(fù)載不匹配的低頻能量，其與直流母線的連接結(jié)構(gòu)如圖3所示，蓄電池通過DC/DC變換器與直流母線相連。本文提出以電感電流為控制變量的變換器控制策略，如圖4所示。

這里，通過計(jì)算參考功率Pbat（ref）和實(shí)際測(cè)量電壓Ubat（即，電感器電流參考值Ibat（ref））獲得的計(jì)算電流。電流可以通過滑模變結(jié)構(gòu)控制器對(duì)變流器的開關(guān)信號(hào)進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制變流器的目的。由于滑動(dòng)模式可變結(jié)構(gòu)控制器本身是一種開關(guān)控制方法，因此它是控制轉(zhuǎn)換器開關(guān)信號(hào)的理想選擇。根據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)的工作原理，在此儲(chǔ)能單元控制中，可以選取實(shí)際電感電流Ibat為被控量，建立下切換函數(shù)S=Sbat-Ibat（ref）（取u=sign（S）為約束條件）。其意義為，實(shí)際電感電流與電感電流參考值的差值經(jīng)由sign函數(shù)判斷得到控制量u，從而控制變換器開關(guān)管的通斷。

（三）超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元控制策略

為了彌補(bǔ)單體電池儲(chǔ)能不足，延長(zhǎng)電池壽命，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，充分利用超級(jí)電容在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中的作用，根據(jù)自身特點(diǎn)，使其承擔(dān)發(fā)電系統(tǒng)與能源消費(fèi)系統(tǒng)。無與倫比的高頻能量，從圖2可以看出，超級(jí)電容器和電池通過DC/DC變換器連接到直流母線上，變換器的控制策略如圖5所示。

通過參考功率Psc（ref）與實(shí)際電壓Usc得到計(jì)算電流，即電流參考值Isc（ref），并且將其與實(shí)際電流Isc的差值經(jīng)PID控制器后，與特定值的重復(fù)序列進(jìn)行比較運(yùn)算，從而得到開關(guān)量，對(duì)開關(guān)管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，達(dá)到控制變換器通斷的目的。

四、仿真與分析

利用Matlab/simulink建立相關(guān)控制策略模型，對(duì)本文提出的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

如圖6（a）所示的波形是通過仿真平臺(tái)模擬的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電波形，而負(fù)載則是為了實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化而模擬的一個(gè)階躍負(fù)載波形。

1.電池在無負(fù)載情況下進(jìn)行功率分析，無波動(dòng)。圖6（a）中的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出波形由仿真軟件模擬。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，實(shí)際數(shù)據(jù)未被使用，而是為實(shí)驗(yàn)結(jié)果而模擬，并代表風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。圖6（b）顯示了仿真平臺(tái)模擬的階躍負(fù)載功率波形。此時(shí)相對(duì)穩(wěn)定，沒有波動(dòng)。圖6（c）顯示了在沒有階躍負(fù)載波動(dòng)的情況下，只有電池被使用時(shí)電池所采用的功率波形。

2.在有波動(dòng)的階躍負(fù)載下，蓄電池承擔(dān)的功率分析。

圖8（a）顯示了一個(gè)包含更嚴(yán)重波動(dòng)的階躍負(fù)載功率波形。當(dāng)階躍負(fù)載頻繁發(fā)生并頻繁波動(dòng)時(shí)，如果沒有超級(jí)電容，則電池所需的功率波形如圖8（b）所示。可以看出，波形頻繁波動(dòng)，這對(duì)于電池維護(hù)來說是一個(gè)相對(duì)不利的條件。而且，由于電池的等效內(nèi)阻較大，所以不能太頻繁地提升端電壓，難以實(shí)現(xiàn)這種快速的輸出功率變化。

3.下面顯示的是波動(dòng)階躍負(fù)載。當(dāng)添加超級(jí)電容器時(shí)，兩者都假設(shè)波形發(fā)生變化。圖8（a）和圖8（b）是在滑動(dòng)窗口常數(shù)T=1.0的情況下蓄電池和超級(jí)電容器的波形。比較圖7（b）可知，超級(jí)電容器加入后，超級(jí)電容器具有階躍負(fù)載波動(dòng)頻繁的部件使電池配電更順暢。

根據(jù)Matlab仿真，當(dāng)階躍負(fù)荷波動(dòng)頻繁時(shí)，反映了混合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和合理性。它可以更好地調(diào)和系統(tǒng)產(chǎn)生的能量與負(fù)載消耗的能量之間的矛盾，彌補(bǔ)矛盾。電源與系統(tǒng)功耗的時(shí)間差意味著可以節(jié)省電源，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，在添加超級(jí)電容器之后，電池曲線的曲線變得更小且更平滑，而超級(jí)電容器的曲線波動(dòng)很大，這意味著超級(jí)電容器的高功率密度特性使得可以快速地執(zhí)行該部分假定的功率波動(dòng)。

五、結(jié)束語

本文分析了微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)及儲(chǔ)能系統(tǒng)，由此構(gòu)建了由模擬的配電網(wǎng)系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)及負(fù)荷構(gòu)成的模擬微網(wǎng)系統(tǒng)，并提出了一種由超級(jí)電容器與蓄電池構(gòu)成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在其中的應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]計(jì)長(zhǎng)安，張秀彬，趙興勇，等.基于模糊控制的風(fēng)光互補(bǔ)能源系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，22（10）：178-184..

[2]周林，黃勇，郭珂，等.微電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)研究綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2016，39（7）：147-152.