馮玉斌，肖靜，吳寧，楊藝云，孫樂平

（廣西電網有限責任公司電力科學研究院，廣西 南寧市 530023）

0 引言

由于能源危機和環(huán)境污染等問題日益嚴重，基于可再生能源的并網發(fā)電技術成為解決上述問題的有效措施之一[1]。將分布式電源以微電網的形式接入配電網，被普遍認為是利用分布式電源有效的方式之一[2]。以風電和太陽能光伏發(fā)電為主的微電網中，各分布式電源受制于能量來源的間歇性和隨機性，其輸出功率往往波動較大，難以保持穩(wěn)定，而微電網中的負荷也在隨機的發(fā)生變化，因此在微電網研究中，穩(wěn)定性是一個繞不開的關鍵問題。儲能系統(tǒng)控制靈活，使微網的電能質量、穩(wěn)定性和供電可靠性都有很大的提升，是微網的重要組成部分[3]。

雖然現有的儲能介質多種多樣，但是每一種都或多或少的存在一些缺陷，例如能量型儲能元件響應速度慢，功率型儲能元件普遍容量不足等，因此難以單獨應用在微網之中[4]。為了克服這個問題，國內外的學者們開展了相關的研究，使用兩種不同的儲能介質相互搭配、結合，做成混合儲能系統(tǒng)。文獻[5]中，作者采用一種并聯的拓撲結構，超級電容器與蓄電池同時通過兩個不同的DC—DC雙向變換器分別連入直流母線，形成并聯結構。這兩種儲能元件都可以得到控制，進而對蓄電池的工作過程做出了優(yōu)化，緩解了蓄電池承受的壓力。但是這種并聯結構在超級電容電壓過高或過低時，只能由蓄電池單獨調節(jié)母線上的電壓波動，此時混合儲能系統(tǒng)對蓄電池的保護作用將會大幅下降。文獻[6]中提出的混合儲能系統(tǒng)，采用級聯方式構成，通過配置一個DC—DC雙向變換器，將超級電容器接在直流母線上，用于穩(wěn)定直流母線電壓，而同時以另一個DC—DC雙向變換器連接蓄電池和超級電容器，用于調節(jié)超級電容器的電壓大小。該拓撲結構可以評估超級電容器的荷電狀態(tài)，并相應的改變蓄電池工作模式，也能起到減少其充放電次數的效果，從而保護蓄電池。

考慮到現有混合儲能技術存在的缺陷，本文以采用雙向變換器將混合儲能系統(tǒng)與直流母線相連，選用鋰電池搭配超級電容器為例，提出了一種基于直流母線電壓和超級電容器荷電狀態(tài)的控制策略，根據兩者的變化情況自動做出響應，優(yōu)化了儲能元件的工作過程，進一步降低不必要的浪費，同時大幅減少蓄電池的動作次數，并通過仿真驗證了該方法的有效性。

1 混合儲能系統(tǒng)結構

直流微電網往往不可避免的會運行在孤網模式下。此時，微網中負荷所需能量主要依靠風力發(fā)電和光伏發(fā)電來提供，由于兩者輸出功率存在間歇性與波動性，輸出與負荷之間或多或少會出現一些功率差額，在微網中接入儲能系統(tǒng)可以對差額進行平衡。然而單一的儲能形式并不能完全滿足微網中的這一需求，因此設計以超級電容器為主，鉛酸蓄電池為輔，通過電路拓撲將兩種不同的儲能元件結合在一起，構成的混合儲能系統(tǒng)，比起將儲能元件拆開單獨使用，性能上有著很大幅度的提升。同時，針對所提出的拓撲結構，專門設計了一套與之相適應的控制策略。為了驗證所提出的混合儲能系統(tǒng)的結構及其控制策略的性能與效果，設計搭建了一個簡單的直流微電網模型，如圖1所示。

圖1 風—光—儲微電網簡單模型

其中，混合儲能的內部采用如圖2所示的電路拓撲結構，主體是由蓄電池組、超級電容器組以及兩個雙向DC—DC雙向變換器構成。首先配置一個DC—DC雙向變換器（1號），將蓄電池模塊兩端與超級電容器模組（Super Capacitor,SC）的兩端連接，然后再配置另外一個DC—DC雙向變換器（2號），將超級電容器模組接入直流母線。

2 混合儲能系統(tǒng)控制策略

混合儲能系統(tǒng)的控制框圖如圖3所示。蓄電池與超級電容器以級聯的方式構成，通過對兩個DC—DC雙向變換器的協調控制，調節(jié)儲能元件的工作過程，并最終實現穩(wěn)定母線電壓的目的。

圖2 混合儲能系統(tǒng)拓撲結構

圖3 混合儲能系統(tǒng)控制框圖

控制系統(tǒng)1全程控制1號DC—DC雙向變換器動作：采集超級電容器電壓Usc的值，與SC的中間電壓進行比較，計算出偏差量的大小，并結合蓄電池的平均荷電狀態(tài)（）共同計算得出一個輸出電流給定值Ibat—ref，再與蓄電池實際放電電流Ibat相比較，計算并調制相應的PWM脈沖信號用以驅動1號DC—DC雙向變換器運行，從而控制蓄電池和超級電容器兩者之間電能量的流向與大小。

控制系統(tǒng)2全程控制DC—DC工作：首先采集直流母線電壓Udc，與母線的額定電壓值對比，計算得到偏差量的大小，再結合超級電容器的端電壓（Usc）和的值，最終確定此時超級電容器應該選擇哪一種工作狀態(tài)，同時得出該狀態(tài)下儲能系統(tǒng)應輸出到直流母線電流給定值IES_ref，將之與實際電流值IES進行對比，計算其差值并依此調制PWM脈沖信號，送至2號DC—DC雙向變換器，從而控制整個混合儲能系統(tǒng)對母線充放電模式及電流的大小。

3 仿真驗證

為了求證上述混合儲能單元能否有效平抑微電網中普遍存在的功率波動，仿真模型設置了若干不同的場景，首先分析微網模型中儲能投入前與投入后兩種工況，并進行對比，所有仿真場景中，直流母線電壓等級均選擇230V。其他具體設定如下：將直流母線上所有直流負荷與通過逆變器連接的交流負荷統(tǒng)一設置為一個150kW的等效負荷；風電、光伏電池模型均工作在最大功率點跟 蹤 (Maximum Power Point Tracking，MPPT)模 式下，此時假設光照強度穩(wěn)定，沒有隨時間發(fā)生變化，光伏電池對母線輸入電流也保持穩(wěn)定，其值約為530A；同時，設定風速不穩(wěn)定，隨時間變化而變化，風力發(fā)電的出力大小也隨之波動。

圖4 未投儲能時微電源電流與母線電壓

3.1 微電網未配置儲能時的狀況

首先斷開儲能元件與微電網之間的連接，實驗開始后，混合儲能系統(tǒng)輸出的電流值恒定為零。觀察圖4不難看出，有且僅有在t=2～4s區(qū)間內，直流母線電壓為230V左右，處在正常狀態(tài)，此外的所有時間段中，母線電壓都出現了過高或過低情況，這是實際運行過程中不允許的。這個仿真實驗表明，微電網處在孤網運行模式下時，如果沒有儲能裝置，且所有分布式電源都運行在MPPT模式時，直流母線電壓將會完全失控。而如果為了母線功率平衡使微電源沒有采用MPPT模式，太陽能與風能無法得到最大程度的利用，無異于棄風棄光，因此儲能裝置在微電網中是必不可少的。

3.2 微電網配置儲能后的仿真結果

在一個完全相同的仿真場景下，特別地將上述混合儲能系統(tǒng)連接進直流母線中，儲能系統(tǒng)自動響應微電網的一系列電壓波動，在這種情況下各微電源輸入到直流母線的電流值的大小 、直流母線電壓的波形圖如圖5所示。

仿真實驗開始，儲能系統(tǒng)隨即開始調控母線電壓。當t=0～2s區(qū)間時，風電與光伏總體的發(fā)電功率相對不足，此時儲能系統(tǒng)自動開始工作，輸出一個電流，其值為正，即正在為母線填補功率缺額，使母線電壓提高到設置的225V以上； t=2～4s時，風力發(fā)電機出力提高，母線電壓約為228V，達到正常工作電壓，無需使用儲能系統(tǒng)進行調節(jié)，這個時候儲能系統(tǒng)沒有輸出電流，進入待機狀態(tài)。

圖5 投入儲能后微電源電流與母線電壓

當t=4～6s時，模擬風速又一次提高，母線電壓隨之上升，由圖5可見儲能對母線輸出的電流為負值，表示儲能正處在充電狀態(tài)，吸收微網中富余的能量，將母線電壓控制在235V以下； t=6～8s風速下降，風力機發(fā)出的功率隨之降低，母線電壓依舊沒有超過235V；t=8～10s時風速又一次降低，風力發(fā)電機提供不了足夠的功率，母線電壓開始下降，儲能系統(tǒng)自動轉換到放電狀態(tài)，輸出電流，補足微電網的電能缺額，使母線電壓不至于掉落到正常工作范圍以外。本次實驗與3.1節(jié)相比，儲能系統(tǒng)的存在使直流母線電壓從始至終都能穩(wěn)定在225V～235V這一范圍內；而當微網中產生與消耗的功率趨于平衡，且母線電壓相對穩(wěn)定、未超出正常工作范圍外的時候，混合儲能系統(tǒng)保持待命狀態(tài)，沒有做任何無用功，優(yōu)化了儲能元件的工作過程，其壽命得到提高。

圖6 蓄電池調節(jié)超級電容器電壓

3.3 蓄電池與超級電容器協同工作仿真驗證

在之前的實驗中，混合儲能主要使用超級電容器來平抑母線電壓波動，該元件響應時間極短，速度極快，十分適用于針對微電網中的持續(xù)時間短、變化比較劇烈的高頻波動。然而超級電容器的容量是一塊短板，難以進行長時間、大功率的調節(jié)，應付不了持續(xù)時間較長、變化較慢的功率波動。因此，采用功率型儲能元件如蓄電池，對超級電容器進行輔助，形成混合系統(tǒng)是一種可行的方案。

以上實驗主要側重于體現儲能平抑母線電壓波動這一功能的有效性，仿真持續(xù)的時間不長，尚未能觀察到兩種不同儲能介質之間的能量交換過程。鑒于此，需要進行一個新的實驗，設置如下：仿真開始時，設置超級電容已有165V的電壓，此時風速不足，風力發(fā)電功率始終為零；設定直流母線的等效負荷的值恒為95kW，整個過程只有光伏電池供電。仿真結果如圖6所示。

圖6中，當t=0～15s時，將光照強度設定為650W/m2，光伏陣列的發(fā)電量未能滿足微電網的等效負荷需求，出現功率缺額，混合儲能系統(tǒng)首先使用SC對其進行補償，蓄電池與SC之間的電流為零；當t≈6s時，SC容量下降，使電壓降至147V以下，滿足蓄電池的動作條件，控制系統(tǒng)開始工作，令蓄電池一起進行功率補償，此時蓄電池模塊輸出電流為正值，其中小部分電流供給SC維持電壓，其余部分輸入直流母線；當t=15s時，設置光照強度改變，達到并穩(wěn)定在1100W/m2，光伏電池出力增加使得微電網功率趨于富裕，儲能系統(tǒng)自動開始充電，吸收富裕的電能。此時，SC兩端電壓處在正常范圍內，控制系統(tǒng)首先使用SC調節(jié)母線功率，儲能系統(tǒng)對母線輸出的電流為負值，同時將蓄電池切換到待命狀態(tài)，蓄電池模塊輸出電流為零；到t≈20s時， Usc提升到170V，達到蓄電池動作閾值，蓄電池自動切換到充電狀態(tài)，將超級電容器富余的電能吸收，蓄電池模塊的輸出電流為負值。在蓄電池的調節(jié)作用下， Usc不再繼續(xù)上升，穩(wěn)定在正常工作范圍內，觀察蓄電池荷電狀態(tài)曲線，不難看出?變化的值非常小，這是因為蓄電池的容量遠勝SC，做為一種能量型儲能元件，蓄電池的存在也使得混合儲能系統(tǒng)整體的容量遠大于單一的超級電容器儲能。

4 結語

混合儲能系統(tǒng)兼具超級電容器大功率充放電、使用壽命長以及蓄電池容量大等優(yōu)點，兩種儲能元件相輔相成，揚長避短，很好的針對了微電網中同時存在的高、低頻波動情況，并具有以下優(yōu)點：

4.1 優(yōu)化了兩種儲能元件協同工作的過程；

4.2 使得蓄電池工作的次數得到減少，同時延長了其使用壽命；

4.3 更好的發(fā)揮了超級電容器的優(yōu)勢，補齊了該元件的短板。

本次設置了不同工況下的仿真實驗，驗證了文中提出的混合儲能系統(tǒng)的有效性，為平抑直流微電網中的波動，穩(wěn)定直流微電網直流母線電壓提供了思路及方法。