蓄電池超級電容混合儲能系統(tǒng)研究

摘要：本文主要針對蓄電池超級電容混合儲能體系進(jìn)行研究，針對蓄電池與超級電容不同的特點，采用適合的混合儲能交流的模式進(jìn)行控制，保證蓄電池與超級電容混合體系之間的協(xié)同，并運用軟件對控制策略進(jìn)行其有效性的驗證針對兩種不能的儲能元件之間的具體的功率的分配以及其符合情況進(jìn)行研究工作的開展，更好的對其進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：蓄電池;超強(qiáng)電容;混合儲能

目前正是“十四五”開局之年，我國也邁入到全面建設(shè)現(xiàn)代化國家的關(guān)鍵階段，能源行業(yè)也進(jìn)入到了轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，比如可再生能源并網(wǎng)、智慧電網(wǎng)的直流系統(tǒng)等都進(jìn)行了改造升級。而混合儲能可以將蓄電池與超級電容的優(yōu)點進(jìn)行聯(lián)合使用，可以最大的發(fā)揮儲能的技術(shù)性能，適應(yīng)時代的發(fā)展。

1 混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制方式

鋰電池與超級電容所構(gòu)成的混合儲能系統(tǒng)其組成的陣列是由儲能單體進(jìn)行串并聯(lián)所組成的，并通過儲能變流器以及單體串并聯(lián)構(gòu)成的。儲能變流器是通過必要的電子設(shè)備所構(gòu)成，其最主要的作用是通過對開關(guān)的開通與關(guān)閉來進(jìn)行儲能系統(tǒng)的充電與放電，并且利用系統(tǒng)的濾波功能來實現(xiàn)外部因素對于混合儲能系統(tǒng)的一些影響。

1.1 超級電容儲能系統(tǒng)的控制

超級電容是功率型的儲能，其具有相應(yīng)速度快、循環(huán)壽命長的優(yōu)點，并且可以用來響應(yīng)外界的高頻率波動。其一般是通過PQ的控制方式來對外界中頻繁變動的功率的波動進(jìn)行吸收。因為超級電容的能量密度相對較小，其電壓的范圍又相對較廣，一般情況下應(yīng)該選擇三重化雙向的DC/DC以及雙向的DC/AC的變流器作為超級電容儲能系列的控制接收。

對于遠(yuǎn)程運行過程中蓄電池超級電容儲能系統(tǒng)的控制主要是分為兩個部分，雙向的變向器主要采用的是跟蹤有功功率的控制方式，通過并網(wǎng)變流器的使用，對直流母線電壓進(jìn)行更好的控制。對于開關(guān)而言，其需要在時序上面相差120度，從而減小電流文波，不斷的將動態(tài)性能進(jìn)行改善，并起到一定的備用作用，從而大幅度的減少波動頻繁而導(dǎo)致的功能需求不足。

1.2 蓄電池儲能的系統(tǒng)控制

蓄電池是較為常用的能量型的儲能方式，其可以用來制定功率進(jìn)行充電或者是放電，從而將其作為整個系統(tǒng)中的一個平衡點，對系統(tǒng)功率的平衡以及整體穩(wěn)定的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足功能平穩(wěn)的需求。對于蓄電池儲能系統(tǒng)的控制主要是采取PQ控制的運行方式。在蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行整體功率調(diào)節(jié)的過程中，其雙向并網(wǎng)變流器主要就是由PQ進(jìn)行控制的，其具體的控制過程如圖1所示。在圖1當(dāng)中，Pref_ib，Qref_1b分別代表有功功率以及無功功率，但其表示的是超級電容器儲能的相關(guān)數(shù)據(jù)，同樣的Plb、Qlb、Ud_ 1b、UcLlb、Id 1b、也都是代表的超級電容中的有功功率、無功功率、直軸電壓、膠州電壓、直軸電流等，w代表的是具體的角速度。

如果是蓄電池作為整個系統(tǒng)的主要電源的時候，那么雙向并網(wǎng)并流器的控制采用的是V/f進(jìn)行，從而保證蓄電池在為整個系統(tǒng)提供能量的時候的電壓頻率是恒定的，為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的交流電壓。V/f控制作為蓄電池系統(tǒng)方式的框架圖如圖2所示。

1.3 混合儲能系統(tǒng)的控制策略

在針對蓄電池超級電容的混合儲能系統(tǒng)的特點進(jìn)行具體分析之后，主要采用濾波器對混合儲能的體系進(jìn)行濾波等操作，從而可以對超級電容的儲能進(jìn)行有效的指令，再將其剩下的功率進(jìn)行轉(zhuǎn)化并進(jìn)行集中的分配。

2 蓄電池超級電容混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及建模

本文主要針對蓄電池超級電容混合儲能系統(tǒng)進(jìn)行研究，要向針對其進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計控制策略的研究，首先需要對其具體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解，再此基礎(chǔ)之上進(jìn)行建模。并且要根據(jù)不同的應(yīng)用場景與需求，對儲能元件中的電路模型以及母線的介入方式進(jìn)行改變。

2.1 儲能元件母線介入方式

在直流微電網(wǎng)當(dāng)中，蓄電池超級電容混合儲能體系母線的接入方式主要有四種方式。第一種是儲能元件直接流入母線，第二種是鏡超級電容流入母線，第三種是經(jīng)蓄電池流入母線，最后一種是分別經(jīng)過蓄電池超級電容之后流入到母線當(dāng)中。

2.2 蓄電池超級電容混合體系直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

一般情況下，蓄電池超級電容的混合體系主要是應(yīng)用在直流微網(wǎng)當(dāng)中，這一網(wǎng)絡(luò)分別還是由電源、混合儲能、直流負(fù)載以及相應(yīng)的功率變化器所組成的，其可以實現(xiàn)功率與儲能之間的雙向流動。

2.3 儲能元件以及電路模型

2.3.1 蓄電池充放電以及電路模型

蓄電池是運用最多的一種能量型的儲能元件，在相同的體積之下，蓄電池的儲能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過超級電容。在蓄電池充放電的過程中，電池在開路的過程中電壓還是相對比較平穩(wěn)的，除了在放電的初期以及在電量即將耗盡的時候，曲線有著相對較大的波動之外，在其他時間都是相對穩(wěn)定的，從中可以得知蓄電池的放電性能在外界的影響下變化相對較小。在以蓄電池作為主電源的過程中，整個系統(tǒng)處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，但其具有相對較低的緊急性，在對其進(jìn)行設(shè)計的過程中，一般是采用最為簡單的蓄電池的等效模型。

2.3.2 超級電容的放電特性以及電路模型

伴隨著近些年來固態(tài)離子技術(shù)的不斷發(fā)展，電容器的體積不斷的縮小，在這種情況下，新型的電力儲能元件也就是超級電容出現(xiàn)，其電容容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通電容，其在保留了原本電容的放電速率的基礎(chǔ)之上，電荷的儲存量也得到了大大的提高。

超級電容具有電化學(xué)電容以及雙電層電容兩種類型，采用雙電層電容具有原料易得、成本較低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，使得其成為了當(dāng)前使用最多的超級電容類型。蓄電池發(fā)生的是復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，而超級電容發(fā)生的是物理反應(yīng)。因此，超級電容發(fā)生變化的速度要快得多，這也就決定了超級電容的放電速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蓄電池的充放電的速率。超級電容作為一種非常復(fù)雜的阻容網(wǎng)絡(luò)，采用分布式描述的數(shù)學(xué)模型是更加準(zhǔn)確的。

3 基于下垂法改進(jìn)的功率分頻控制策略

傳統(tǒng)的下垂法具有即插即用、無需通信的分布控制策略的諸多優(yōu)點，但其不能改變頻率問題。蓄電池超級電容混合體系可以改變這一問題，從而使得蓄電池超級電容分別發(fā)揮其自身的優(yōu)勢，為此提出了一種虛擬電阻、電容的功率自主分配的策略。

3.1 基于虛擬電容的改進(jìn)下垂控制

傳統(tǒng)情況下的下垂控制與并聯(lián)分流類似，但其并不會伴隨著頻率發(fā)生變化。在虛擬電阻得到確定之后，那么儲能模塊分配的功率也就得到了確定。將傳統(tǒng)下垂控制看成是雙向的變換器輸出側(cè)串接的一個虛擬電阻，將虛擬電阻轉(zhuǎn)化為超級電容，那么其等效電路如圖4所示。

這種改進(jìn)下垂控制策略主要是利用了電容“隔直通交”的特性，當(dāng)系統(tǒng)趨向于高頻的時候，儲能單元也會參與到母線功率的波動中。

3.2 蓄電池超級電容混合儲能體系分頻控制策略

在進(jìn)行分頻控制策略的設(shè)置時將母線電壓的額定值設(shè)置為變化器的輸出電壓的參考值，在系統(tǒng)正常運行的情況下，這一混合儲能體系中的具體公式如下式所示。為了更好的對混合體系進(jìn)行控制，其還應(yīng)該對參數(shù)值進(jìn)行設(shè)置，并且不斷的提高響應(yīng)的速度。

3.3 仿真驗證

在對本文中的混合儲能體系功率自主配置策略的研究中采用的是Simulink進(jìn)行系統(tǒng)仿真模型的設(shè)計，其中包含超級電容、蓄電池電阻負(fù)載以及變換器等。首先對混合系統(tǒng)采用的是下垂控制策略，通過電阻的模擬值的設(shè)置。在負(fù)載功率發(fā)生突變的情況下，蓄電池變化器的輸出電流以及超級電容都會瞬間響應(yīng)功率的需求。電流的變化速度也是十分迅速的，超級電容一段的電壓也是始終在發(fā)生變化，蓄電池與超級電容都是按照下垂的比例進(jìn)行負(fù)載電流的分配。

4 總結(jié)

伴隨著對可再生能源的不斷深入研究，用于緩沖微網(wǎng)內(nèi)功率不平衡的波動的儲能設(shè)置也成為了當(dāng)前人們研究過程中的熱點問題。本文在經(jīng)過對蓄電池超級電容進(jìn)行研究之后證明了混合儲能系統(tǒng)在利用超級電容提供的負(fù)載比率的運行方式之后，其對電流的突變量進(jìn)行了緩沖，穩(wěn)定了系統(tǒng)中的交流母線的輸出電壓以及電流的波形，充分的利用蓄電池以及超級電容的優(yōu)點，保證了整體系統(tǒng)的高效率。

參考文獻(xiàn)

[1]張勤進(jìn)，孫小童，劉彥呈，莊緒州，許晨，蓄電池/超級電容混合儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略[J].電源技術(shù)，2020，44 （09）：1345-1347+1365.

[2]孫小童，蓄電池與超級電容混合儲能系統(tǒng)控制研究[D].大連海事大學(xué)，2020.

[3]白潔，蓄電池與超級電容混合儲能系統(tǒng)功率控制研究[D].燕山大學(xué)，2019.

作者簡介

何鴻天，男，江蘇省南京市人。碩士學(xué)位，畢業(yè)于南京工程學(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè)。