郭 亮，賈 彥，康 麗，王 燦

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一種蓄電池和超級電容器復(fù)合儲能系統(tǒng)

郭 亮1，賈 彥2，康 麗1，王 燦1

（1內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051；2風(fēng)能太陽能利用技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051）

在離網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)中，由于風(fēng)力和風(fēng)向的不斷變化，系統(tǒng)輸出功率會產(chǎn)生脈動的波動，進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。儲能系統(tǒng)能夠在一定程度上平滑系統(tǒng)輸出的功率波動，改善發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的穩(wěn)定性。簡要地敘述了應(yīng)用于離網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)中的儲能技術(shù)研究現(xiàn)狀，提出了一種使用超級電容器和蓄電池并聯(lián)的復(fù)合儲能系統(tǒng)，在PSIM軟件中建立了該系統(tǒng)的模型，同時進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的回路制作研究。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)對頻率為0.2～9 Hz的輸入波動具有很好的抑制效果。

功率波動抑制；復(fù)合儲能；電能質(zhì)量；雙向功率變換

全球范圍內(nèi)的能源危機(jī)、環(huán)境污染以及氣候變化等重大因素都極大地促進(jìn)了可再生能源的開發(fā)和利用?？稍偕茉窗ㄋ?、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿?，資源潛力大，對環(huán)境影響小，可持續(xù)使用，是有利于人與自然和諧發(fā)展的重要能源。當(dāng)前，在這幾種可再生能源中，最廣泛應(yīng)用的是風(fēng)能、太陽能。然而，由于風(fēng)能、太陽能具有隨機(jī)、時變的特點(diǎn)，其發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能也相應(yīng)具有隨機(jī)性、間歇性、不穩(wěn)定性的特點(diǎn)。儲能系統(tǒng)是提高風(fēng)能、太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出電能質(zhì)量的有效方式。儲能技術(shù)是電網(wǎng)運(yùn)行過程中的“采-發(fā)-輸-配-用-儲”六大環(huán)節(jié)組成部分之一。

1 復(fù)合儲能研究現(xiàn)狀簡介

復(fù)合儲能是根據(jù)不同種類儲能設(shè)備的不同特性，將它們應(yīng)用于同一系統(tǒng)內(nèi)，通過適當(dāng)?shù)目刂品绞?，使他們充分發(fā)揮儲能元件的優(yōu)點(diǎn)，最終使儲能系統(tǒng)工作于最優(yōu)狀態(tài)。蓄電池具有較大的能量密度，但是由于蓄電池是典型的化學(xué)儲能元件，其自身的特性使其無法在短時間內(nèi)進(jìn)行充放電循環(huán)。離網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)帶來的瞬時波動功率，會嚴(yán)重影響蓄電池的使用壽命。超級電容器是近幾年最新發(fā)展出來的儲能元件，其依靠電能和磁能的相互轉(zhuǎn)化，可以在短時間內(nèi)提供很大的瞬時電流，具有比較大的功率密度，超級電容器既彌補(bǔ)了蓄電池的不足，又可以改善風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率的平滑程度，保護(hù)蓄電池。由此，使用超級電容器和蓄電池組成的復(fù)合儲能系統(tǒng)無論是在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)還是復(fù)合動力汽車中都得到了廣泛的應(yīng)用。

在國外，日本學(xué)者最早將蓄電池和超級電容器組成復(fù)合電源并開展相關(guān)領(lǐng)域的研究，三重大學(xué)（Mie University）的HAYASHI等[1]將超級電容器和蓄電池組成復(fù)合儲能系統(tǒng)應(yīng)用于微電網(wǎng)中用來平滑脈動的風(fēng)能輸出。北見工業(yè)大學(xué)（Kitami Institute of Technology）的USHIWATA等[2]在Matlab軟件中建立含有蓄電池和超級電容器復(fù)合儲能系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型，通過仿真得出雖然風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速不斷變化，但是復(fù)合儲能系統(tǒng)可以平滑發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。Tohoku University的YOSHIDA等[3]結(jié)合使用蓄電池和超級電容器復(fù)合儲能系統(tǒng)可以有效改善離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)引起的負(fù)載頻率改變和穩(wěn)定電壓以此改善發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

在我國，中國科學(xué)院電工研究所的齊智平、唐西勝等[4]最先開展將超級電容器和蓄電池組成復(fù)合儲能系統(tǒng)的研究，其將組成的復(fù)合儲能系統(tǒng)應(yīng)用于光伏系統(tǒng)中，驗(yàn)證在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，復(fù)合儲能系統(tǒng)可以減少蓄電池單獨(dú)儲能時的充放電循環(huán)次數(shù)。中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所的葛智元等[5]通過實(shí)驗(yàn)測量了蓄電池和超級電容器組成的復(fù)合儲能系統(tǒng)在不同條件下的放電特性。華北電力大學(xué)的高巧云等[6]在搭建的復(fù)合儲能模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)得出了在復(fù)合儲能系統(tǒng)中超級電容器可以優(yōu)先完成充放電，并且超級電容器的容值越大，發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率對蓄電池的沖擊越小。

2 超級電容器與蓄電池復(fù)合儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理

2.1 復(fù)合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

上文介紹了當(dāng)前復(fù)合儲能系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，由于儲能系統(tǒng)自身的不利因素，目前，離網(wǎng)型分布式風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)大多數(shù)仍然采用蓄電池儲能方式。在實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)能、太陽能發(fā)電的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，對蓄電池的使用壽命造成非常大的影響。超級電容器具有使用壽命高、能量密度大、可以吸收短時大電流的特點(diǎn)，和蓄電池相比可以起到很好的互補(bǔ)作用。目前，超級電容器和蓄電池的連接方式有3種：被動式結(jié)構(gòu)：直接將超級電容器和蓄電池并聯(lián)；半主動式結(jié)構(gòu)：將超級電容器和蓄電池組通過DC-DC功率變換器并聯(lián)；全主動式結(jié)構(gòu)：將超級電容器和蓄電池組分別串聯(lián)功率變換器后并聯(lián)，這種結(jié)構(gòu)的靈活性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，但是控制復(fù)雜，成本較高[7]。

本文采用結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好的半主動式聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，通過提議的雙向Buck/Boost電路組成的雙向功率變換器控制超級電容器在適當(dāng)?shù)臅r機(jī)投切來提高電源系統(tǒng)的性能[8]。圖1所示為該復(fù)合儲能系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)框圖。圖中風(fēng)能、太陽能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能統(tǒng)稱為波動的功率輸入，輸入功率的一部分通過變換器由負(fù)載吸收，其余部分通過雙向功率變換器控制超級電容器適當(dāng)投切進(jìn)行波動成分的功率抑制，將平抑功率供給鉛酸蓄電池儲存。

2.2 復(fù)合儲能系統(tǒng)工作原理

在該復(fù)合儲能系統(tǒng)中由兩種工作狀態(tài)組成：通過低通濾波器傳輸過來的的信號bref與蓄電池電流b進(jìn)行比較得到誤差信號Δb，當(dāng)Δb>0時，由PWM發(fā)生器產(chǎn)生的控制信號，控制開關(guān)S1截止，S2導(dǎo)通，這時電感1先吸收能量，后釋放能量，系統(tǒng)先升壓（Boost）后降壓（Buck），超級電容器（EDLC）始終放電，釋放的能量給負(fù)載使用和蓄電池充電；當(dāng)Δb<0時，開關(guān)S1導(dǎo)通，S2截止，這時電感1先發(fā)出能量再吸收能量，系統(tǒng)先升壓（Boost）再降壓（Buck），超級電容器（EDLC）吸收波動的功率以完成充電狀態(tài)。整個系統(tǒng)一直保持這兩種狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化，保證蓄電池近似恒流充電狀態(tài)[9]。

控制電路部分：雙向功率變換器的控制電路如圖2中Controller部分所示，發(fā)電系統(tǒng)脈動的電流s通過低通濾波器LPF得到去除交流脈動后的直流分量bref。變換器中蓄電池的電流b與直流分量bref比較得到誤差信號Δb。誤差信號Δb經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器補(bǔ)償后，在通過高通濾波器HPF將無關(guān)的干擾信號過濾掉，過濾后的信號經(jīng)過PWM發(fā)生器產(chǎn)生頻率為40 kHz的控制信號，控制信號的占空比為0.5，將控制信號輸入IGBT驅(qū)動開關(guān)S1、S2，通過一個非門使得開關(guān)S1、S2的開關(guān)順序相反。雙向功率變換器通過控制驅(qū)動開關(guān)S1、S2實(shí)現(xiàn)超級電容器的充放電及電流的雙向流動控制。

表1 復(fù)合儲能系統(tǒng)中參數(shù)的定義

3 儲能系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率

如圖3所示，為400 W離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在某時0～200 s內(nèi)的輸出功率圖，圖3中數(shù)據(jù)經(jīng)過快速傅里葉變換可以得到如圖4所示的描述風(fēng)機(jī)輸出功率頻率波動范圍的頻譜圖。經(jīng)過快速傅里葉變換得出頻率范圍的下限值為0.1 Hz。

蓄電池通過化學(xué)反應(yīng)完成能量存儲與釋放的過程，而輸入到蓄電池的波動頻率要遠(yuǎn)大于蓄電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)速度，這種輸入一般不會對蓄電池的使用壽命造成影響。因此，本文把風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率波動頻率為0.1～100 Hz作為研究對象。

3.2 參數(shù)選取

在PSIM仿真軟件環(huán)境中，對超級電容器和蓄電池復(fù)合儲能系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，系統(tǒng)中各個參數(shù)選用見表2。系統(tǒng)中波動的輸入s=12sin(2p×)＋12(A)，其中頻率的變化范圍在0.1～100 Hz內(nèi)。

表2 復(fù)合儲能系統(tǒng)中各參數(shù)

在已查閱的有關(guān)文獻(xiàn)中尚未有衡量儲能系統(tǒng)對波動脈動輸入抑制效果的參考量，因此本文提出使用平穩(wěn)化衰減量（decrement）進(jìn)行衡量和評估，見式(1)。

20log(電流b的振幅/電流s的振幅) （1）

平穩(wěn)化衰減量，可以直觀表示在同一時刻中蓄電池中電流b與輸入電流s之間的關(guān)系，從而定量地顯示系統(tǒng)對脈動輸入功率的抑制效果。

在實(shí)際應(yīng)用的過程中平穩(wěn)化衰減量具有清楚，直觀，便于分析的優(yōu)點(diǎn)。在本研究中，規(guī)定同一時刻，蓄電池中電流b的值是輸入電流s的10%。即當(dāng)平穩(wěn)化衰減量在-20dB以下時具有很好的抑制效果。

3.3 仿真結(jié)果

仿真實(shí)驗(yàn)中通過改變波動輸入的頻率，在200 s內(nèi)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，顯示出不同的輸出特性。圖5是不同波動頻率輸入與衰減量的關(guān)系。從圖中可以看出功率平穩(wěn)化系統(tǒng)對頻率為0.2～9 Hz的輸入電流具有很好的抑制效果。其中當(dāng)輸入頻率為0.7 Hz時，系統(tǒng)對其抑制效果最好，此時節(jié)選60～80 s時變量s、c、b、l的變化量如圖6所示。從圖中可以看出，在此時系統(tǒng)基本穩(wěn)定，蓄電池基本處于恒流充電狀態(tài)，超級電容器連續(xù)進(jìn)行充放電動作，其充放電頻率與輸入波動頻率都為0.7 Hz。

4 儲能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電路的功率變換器回路制作

本節(jié)主要描述在復(fù)合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)電路中控制器的制作過程，根據(jù)圖2的復(fù)合儲能系統(tǒng)的基本框圖制作了應(yīng)用于該系統(tǒng)的功率變換器。該功率變換器由控制電路和驅(qū)動電路兩部分構(gòu)成，其中控制信號由三角波發(fā)生器和數(shù)字PI調(diào)節(jié)器兩部分比較產(chǎn)生。

4.1 控制電路圖及輸出波形

三角波發(fā)生器由方波發(fā)生器、電壓跟隨器、積分器和比較器幾部分構(gòu)成。三角波發(fā)生器部分和數(shù)字PI比較器模塊對比（數(shù)字PI控制器由TDS2812型DSP芯片編程后組成，比較器選用LF365N運(yùn)算放大器），產(chǎn)生應(yīng)用于驅(qū)動電路的驅(qū)動信號，其電路圖和最終輸出結(jié)果分別為圖8和圖9。圖7是使用PSIM軟件進(jìn)行仿真,當(dāng)脈動輸入頻率為0.7 Hz時，系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出控制信號波形圖。圖7和圖9進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，雖然實(shí)驗(yàn)制作輸出的信號每個上升沿都會產(chǎn)生階越，但其與仿真信號基本一致，頻率都為30 kHz，證明實(shí)驗(yàn)信號基本滿足實(shí)際需求。

4.2 驅(qū)動電路圖及輸出波形：

如圖10、圖11所示是IGBT的驅(qū)動電路模塊電路圖，由于儲能系統(tǒng)電路使用兩只IGBT開關(guān)，而這兩只IGBT的開關(guān)信號是大小相等、方向相反的，所以需要連接兩路結(jié)構(gòu)一樣、但輸出信號相反的電路。模塊主要由EXB840驅(qū)動芯片和光耦以及二極管幾部分構(gòu)成。具體電路和最終輸出IGBT的信號分別如圖10、圖11所示，功率變換器的最終電路如圖12所示。

5 結(jié) 論

本文簡要敘述了復(fù)合儲能技術(shù)的研究現(xiàn)狀，結(jié)合各自儲能裝置的優(yōu)缺點(diǎn)提出了使用超級電容器和蓄電池復(fù)合儲能系統(tǒng)，并在PSIM軟件中建立仿真模型并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)；本文還提出了平穩(wěn)化回路衰減量，驗(yàn)證了當(dāng)輸入電源的頻率在0.2～9 Hz范圍內(nèi)對波動的功率具有很好的抑制效果，將來會在仿真的基礎(chǔ)上把控制電路連接蓄電池和超級電容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

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The composite storage system using lead storage battery and EDLC

GUO Liang1, JIA Yan2, KANG Li1, WANG Can1

(1College of Energy and Power Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, Inner Mongolia, China;2Wind and Solar Energy Utilization Technology Key Laboratory, Hohhot 010051, Inner Mongolia, China)

In wind power generation system, the output power will occur pulse wave which will influence the stabilization of the whole system, due to the variation of the wind direction and wind power. The energy storages system can smooth the fluctuation of output power and improve the stabilization of the generate electricity system. This paper analyzed the development of the compose energy storage system in the wind power generation system, and then proposed a kind of the composite energy storage system, established the model of this composite energy storage system in the PSIM. Through simulation experiment, it is showed that the system can easily smooth the fluctuation, when the frequency of the input power is 0.2～0.9 Hz, and the reality control and drive circuit of the composite storage system was tested.

smooth power fluctuation; composite storage system; electricity quality; bi-directional chopper

10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0102

TQ 028.8

A

2095-4239（2017）02-296-06

2016-12-11。修改稿日期：2017-01-03。

內(nèi)蒙古自治區(qū)教育廳研究生科研創(chuàng)新資助項目“用于輸出功率平穩(wěn)化的復(fù)合儲能系統(tǒng)的設(shè)計制作”，內(nèi)蒙古自治區(qū)人社廳人才開發(fā)基金項目“超電容/蓄電池復(fù)合儲能系統(tǒng)中容量配置的研究”。

郭亮（1989—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電及其儲能系統(tǒng)功率波動抑制，E-mail：gl1998@163.com；

賈彥，副教授，從事可再生能源的利用開發(fā)技術(shù)方面的研究，E-mail：zequin520@hotmail.com