潘聰，王春明，劉松，李乾，石朝泓

（解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院，南京 210007）

0 引言

分布式微電網(wǎng)是可再生能源的主要應(yīng)用型式，但可再生能源在運(yùn)行中存在一定限制，如燃料電池響應(yīng)速度慢，而風(fēng)能、太陽能等發(fā)電受自然資源條件制約，隨機(jī)性和波動性大，電能質(zhì)量調(diào)節(jié)困難，限制了其大規(guī)模應(yīng)用[1]。

研究發(fā)現(xiàn)，在新能源發(fā)電系統(tǒng)中配置一定量的儲能裝置能夠加大系統(tǒng)慣性，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，是解決上述問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。儲能可分為能量型儲能和功率型儲能，能量型儲能（如蓄電池）能夠大規(guī)模存儲電力，但受循環(huán)壽命和功率限制難以承擔(dān)系統(tǒng)中高頻和沖擊性的功率波動[2]；功率型儲能（如超級電容器）充放電速度快、功率輸出能力強(qiáng)，卻因能量密度低而難以承擔(dān)對大幅度功率的調(diào)節(jié)[3]。將兩者結(jié)合使用，能最大程度發(fā)揮不同儲能的特性，解決單獨(dú)使用能量型或功率型儲能系統(tǒng)時所受的制約。為充分發(fā)揮混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)越性，一個合理的結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。本文以典型的蓄電池-超級電容器混合儲能系統(tǒng)為研究對象，探討了混合儲能系統(tǒng)在接入分布式電網(wǎng)時的結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計，為下一步混合儲能的應(yīng)用研究提供理論支撐。

1 超級電容器與蓄電池混合儲能特性

1.1 單一儲能方式存在的問題

蓄電池是目前最成熟的儲能形式。但存在以下缺陷：①蓄電池長期處于充放電小循環(huán)過程，過沖和過放現(xiàn)象時有發(fā)生，導(dǎo)致蓄電池適用壽命大大縮短；②蓄電池功率密度小，在沖擊性負(fù)荷投切時往往承擔(dān)大電流的沖擊，功率輸出能力不足且影響其壽命；③蓄電池由于其電化學(xué)反應(yīng)速率的限制，響應(yīng)速度慢，無法適應(yīng)高頻、快速的能量變換場合。

功率型儲能器件超級電容器內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。其基本工作原理是將電荷存儲于內(nèi)部多孔電極和電解液形成的雙電層內(nèi)。由于多孔電極的表面積非常高（如活性炭電極可達(dá)3000 m2/g以上），則根據(jù)電容容量計算式（1）可知，其電容量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電容器[4]。

式中，C為電容值；ε0為真空介電常數(shù)；ε為相對介電常數(shù)；A為雙電層面積；d為雙電層厚度。

圖1 超級電容器原理結(jié)構(gòu)圖

同時，超級電容器的等效串聯(lián)內(nèi)阻低，功率釋放能力強(qiáng)，而且使用過程不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此其充放電過程可認(rèn)為是完全可逆的，循環(huán)壽命非常高，理論上可達(dá)105次。憑借其功率密度大、充放電速度快、循環(huán)壽命長等無可替代的優(yōu)良特性，超級電容器很快受到人們的青睞并迅速發(fā)展，在電動汽車、能量制動回收、電能質(zhì)量改善等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，在大規(guī)模電力儲能方面，超級電容器能量密度小和價格較高的缺陷成為其推廣應(yīng)用的瓶頸，單獨(dú)應(yīng)用于功率平抑時效果欠佳[5]。盡管近年來石墨烯、導(dǎo)電聚合物等高表面積電極材料研究取得較大進(jìn)展[3]，但仍無法在短時間內(nèi)使其能量密度有較大幅度提升。

因此，單獨(dú)使用蓄電池或者超級電容器都無法滿足新能源發(fā)電系統(tǒng)對于儲能裝置高能量密度、高功率密度、長循環(huán)壽命、免維護(hù)等要求。

1.2 混合儲能的優(yōu)勢

通過對蓄電池和超級電容器儲能特性的對比（見表 1）可以發(fā)現(xiàn)，兩者在性能上各有特點(diǎn)并且形成很好的互補(bǔ)，若能將兩者配合使用，理論上能夠得到兼具兩者優(yōu)點(diǎn)的新型儲能裝置。

相關(guān)研究已經(jīng)表明，使用蓄電池和超級電容器混合儲能可以大大改善系統(tǒng)性能，比如提高峰值功率輸出能力，減小內(nèi)部損耗，延長工作時間等[9-10]。

2 混合儲能方式研究現(xiàn)狀與分析

分布式電網(wǎng)有交流、直流和交直流混合等幾種組網(wǎng)形式，因此，儲能系統(tǒng)有多種不同的接入型式，以適應(yīng)不同的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

表1 超級電容器與蓄電池性能對比

2.1 交流側(cè)并聯(lián)接入

在交流微網(wǎng)系統(tǒng)中，混合儲能系統(tǒng)于交流側(cè)并聯(lián)[6-7]，有利于儲能系統(tǒng)直接參與電能調(diào)節(jié)，其典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。在具體應(yīng)用中，兩個并網(wǎng)逆變器之間可以協(xié)調(diào)配合，完成能量的內(nèi)部分配，控制方法靈活，可靠性高。

但是，蓄電池和超級電容器都是直流儲能設(shè)備，使用逆變器并網(wǎng)時電能變換環(huán)節(jié)增多，損耗大、成本較高，在控制設(shè)計方面涉及耦合因素多、較復(fù)雜。

圖2 蓄電池和超級電容器交流側(cè)并聯(lián)結(jié)構(gòu)

2.2 直流側(cè)并聯(lián)接入

隨著光伏、燃料電池等直流新電源的廣泛應(yīng)用，基于直流母線的分布式電網(wǎng)迅速發(fā)展。在直流電網(wǎng)中，蓄電池和超級電容器可以直接與直流母線連接，避免了能量形式的多次變換，是當(dāng)前的一個研究熱點(diǎn)。目前，直流側(cè)接入型式主要可以分為無源并聯(lián)結(jié)構(gòu)和有源并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

2.2.1 蓄電池與超級電容器無源并聯(lián)結(jié)構(gòu)

蓄電池和超級電容器直接并聯(lián)結(jié)構(gòu)主要有以下兩種：

1）蓄電池和超級電容直接并聯(lián)結(jié)構(gòu)

這是最簡單的混合儲能結(jié)構(gòu)，如圖3所示。在直接并聯(lián)電路中，由于超級電容器內(nèi)阻小，響應(yīng)速度快，在功率突變時，能夠大幅度減小蓄電池的最大輸出電流，提高混合春泥更系統(tǒng)功率輸出能力，減小內(nèi)部損耗，延長工作時間[8]。直接并聯(lián)系統(tǒng)具有較好的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，有一定的使用價值。

圖3 蓄電池和超級電容直接并聯(lián)

但是直接并聯(lián)結(jié)構(gòu)未考慮兩者之間特性的明顯差異，在運(yùn)行中存在以下問題[9]：蓄電池端電壓變化較小，具有鉗位作用，因此超級電容器組電壓必須與它保持一致，導(dǎo)致其能量利用率較高和串并聯(lián)組合方式受限；負(fù)載端電壓隨著蓄電池組端電壓的變化而變化，電壓紋波較大，影響負(fù)載工作性能；系統(tǒng)的功率輸出能力只取決于蓄電池和超級電容器的自身參數(shù)，能量流動不可控，在實際應(yīng)用中靈活性不夠。

2）蓄電池和超級電容器通過電感并聯(lián)

針對直接并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的問題，提出了蓄電池通過電感與超級電容器并聯(lián)的結(jié)構(gòu)[13]，如下圖 4所示。并聯(lián)電感能夠?qū)π铍姵氐妮敵鲭娏鬟M(jìn)行濾波，減小輸出電流紋波，降低內(nèi)部能量損耗。該結(jié)構(gòu)能優(yōu)化蓄電池的充放電過程，提高了儲能系統(tǒng)效率，但仍存在著系統(tǒng)配置不靈活。負(fù)載端電壓紋波大等缺陷。

圖4 蓄電池通過電感與超級電容器并聯(lián)

2.2.2 有源并聯(lián)結(jié)構(gòu)并聯(lián)

蓄電池與超級電容器的直接并聯(lián)存在問題的關(guān)鍵在于混合儲能系統(tǒng)的輸入輸出不可控，僅依靠并聯(lián)電路的自身參數(shù)調(diào)節(jié)，并不能完全發(fā)揮兩者的性能優(yōu)勢。同時，也只能在一定程度上減小蓄電池的電流沖擊，對其工作過程的優(yōu)化能力不足。雙向直流變換器的發(fā)展為解決此問題提供了思路，將雙向DC/DC變換器應(yīng)用與混合儲能中，能通過變換器不同的工作模式實現(xiàn)靈活的控制，最大限度地提高能量利用率，優(yōu)化蓄電池工作過程，具有較好的發(fā)展前景，主要有以下幾種結(jié)構(gòu)類型：

1）超級電容器通過雙向變換器與直流母線并聯(lián)結(jié)構(gòu)

在此結(jié)構(gòu)中，蓄電池直接并聯(lián)直流母線，超級電容通過雙向 DC-DC變換器向直流母線提供瞬時功率，保護(hù)蓄電池免受沖擊，如圖5所示[10]。正常工作時，主要由蓄電池提供和吸收能量。蓄電池與超級電容器得到解耦控制。該結(jié)構(gòu)通過雙向變換器的恒壓輸出控制解決了超級電容器端電壓變化較大帶來的問題，但蓄電池電壓需與直流母線電壓在同一等級，仍需承擔(dān)一定的高頻電流波動，無法最很好地解決蓄電池的壽命問題。

2）蓄電池通過雙向DC/DC變換器與母線并聯(lián)

蓄電池與直流母線間加入雙向 DC-DC變換器，超級電容器則與直流母線直接并聯(lián)。該結(jié)構(gòu)便于超級電容器對直流母線能量進(jìn)行快速補(bǔ)充和動態(tài)存儲，可以減小蓄電池承擔(dān)的功率波動，有利于延長蓄電池壽命。

圖5 超級電容器經(jīng)雙向變換器與蓄電池并聯(lián)結(jié)構(gòu)

但這樣就要求配置較大容量的超級電容器，儲能成本增加。同時，超級電容電壓變化范圍寬，對其他發(fā)電單元接口設(shè)計要求高，且不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3）蓄電池和超級電容分別經(jīng)雙向變換器與直流母線并聯(lián)結(jié)構(gòu)[11-14]

為了得到更好的能量分配和管理性能，提出了蓄電池和超級電容分別經(jīng)兩個雙向直流變換器與直流母線相連的結(jié)構(gòu)。這樣就可以根據(jù)系統(tǒng)對儲能裝置功率輸出的要求，通過合理設(shè)計變換器的控制策略，控制兩個儲能設(shè)備輸入/輸出功率的大小，高效靈活，是目前主流的研究方向。

但是采用了兩個變換器，功率變換器的損耗較大，能量管理和協(xié)調(diào)控制也變得復(fù)雜，這也是目前混合儲能系統(tǒng)應(yīng)用需解決的核心問題。

4）蓄電池經(jīng)雙向變換器與超級電容并聯(lián)

最新的研究中有文獻(xiàn)提出一種基于兩級變換器的混合儲能結(jié)構(gòu)[22]，蓄電池經(jīng)過雙向 DC-DC變換器與超級電容器并聯(lián)后，再通過雙向DC-DC變換器與直流母線相連，如圖6所示。通過兩級變換器控制儲能設(shè)備的充放電情況，且蓄電池能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)超級電容的荷電狀態(tài)，以保證超級電容器能夠及時響應(yīng)直流母線的波動。該結(jié)構(gòu)的問題在于蓄電池與直流母線間的能量傳遞需經(jīng)兩個變換器單元，損耗及成本增加，而且對初級變換器的功率等級和響應(yīng)速度要求極高，比較適用于小功率場合。

圖6 蓄電池與超級電容器通過兩級雙向變換器并聯(lián)

5）蓄電池和超級電容器通過多端口變換器接入

針對常規(guī)變換器接入型式存在的問題，一些學(xué)者開始研究多端口變換器[15-17]，希望采用具有多端口的雙向 DC-DC變換器將蓄電池、超級電容和直流母線結(jié)合在一起，如圖7所示。該結(jié)構(gòu)更易于實現(xiàn)混合儲能系統(tǒng)的集中控制和能量管理，但是存在可靠性和容易造成環(huán)流等問題，并且對變換器的參數(shù)設(shè)計要求較高，目前應(yīng)用較少。

圖7 蓄電池和超級電容器通過多端口變換器接入結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

從以上對超級電容器-蓄電池混合儲能系統(tǒng)接入型式的分析可知，不同的接入型式適用的場合也不一樣。并聯(lián)接入型式的控制性能和控制復(fù)雜度是一對矛盾，應(yīng)在滿足應(yīng)用需求的前提下，選擇一個實現(xiàn)代價最小的方式?，F(xiàn)階段通過雙向DC/DC變換器并聯(lián)是較高效的做法，從長遠(yuǎn)的發(fā)展來看，為提高混合儲能系統(tǒng)的效率和控制靈活性、延長儲能設(shè)備的使用壽命，采用多端口一體變換器接入母線是發(fā)展前景較好的方式。

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