周廣亮

摘 要 近年來，我國(guó)對(duì)電能的需求不斷增加，電網(wǎng)建設(shè)越來越多，對(duì)蓄電池的應(yīng)用也在不斷增加。蓄電池超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能系統(tǒng)既可充分應(yīng)用功率型儲(chǔ)能器件的物理特性，又可優(yōu)化蓄電池的充放電過程，是儲(chǔ)能技術(shù)未來發(fā)展方向之一。本研究中提出了一種主從結(jié)構(gòu)雙重解耦控制策略，利用功率前饋解除了母線電壓與擾動(dòng)輸入間的耦合關(guān)系，也抑制了耦合擾動(dòng)輸入對(duì)超級(jí)電容端電壓的影響，將端電壓有效維持在一定范圍，解決了傳統(tǒng)控制策略下超級(jí)電容的過充過放問題，簡(jiǎn)化了控制過程;而且在保證微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，使得蓄電池的充放電電流變化平滑，降低其變化率，延長(zhǎng)其使用壽命，并提高了微電網(wǎng)孤島運(yùn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

關(guān)鍵詞 微電網(wǎng);孤島運(yùn)行;混合儲(chǔ)能;解耦控制

引言

目前，直流儲(chǔ)能系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于分布式電源和直流微電網(wǎng)中。由于風(fēng)能和太陽(yáng)能具有間歇性、波動(dòng)性、不可預(yù)測(cè)性，為減小其波動(dòng)對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的影響，提高電能質(zhì)量和保證系統(tǒng)功率平衡，可以在單臺(tái)分布式電源直流側(cè)配備儲(chǔ)能系統(tǒng)，或在直流微電網(wǎng)中配置大功率儲(chǔ)能系統(tǒng)來提供恒定的直流電壓支撐。

1混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

直流微電網(wǎng)往往不可避免地會(huì)運(yùn)行在孤網(wǎng)模式下。此時(shí)，微網(wǎng)中負(fù)荷所需能量主要依靠風(fēng)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(dòng)性，輸出與負(fù)荷之間或多或少會(huì)出現(xiàn)一些功率差額，在微網(wǎng)中接入儲(chǔ)能系統(tǒng)可以對(duì)差額進(jìn)行平衡。然而單一的儲(chǔ)能形式并不能完全滿足微網(wǎng)中的這一需求，因此設(shè)計(jì)以超級(jí)電容器為主，鉛酸蓄電池為輔，通過電路拓?fù)鋵煞N不同的儲(chǔ)能元件結(jié)合在一起，構(gòu)成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，比起將儲(chǔ)能元件拆開單獨(dú)使用，性能上有著很大幅度的提升。同時(shí)，針對(duì)所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，專門設(shè)計(jì)了一套與之相適應(yīng)的控制策略[1]。

2混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配

系統(tǒng)截止頻率越高，響應(yīng)速度就會(huì)越快，而開環(huán)和閉環(huán)截止頻率存在正相關(guān)的聯(lián)系，因此系統(tǒng)的反應(yīng)速度可用開環(huán)截止頻率來表征。在我們提出的雙重解耦控制結(jié)構(gòu)中存在4個(gè)主回路閉環(huán)，若區(qū)別設(shè)置4個(gè)環(huán)路的開環(huán)頻率，可使得波動(dòng)功率的高低頻分量自動(dòng)隔離。將蓄電池和超級(jí)電容的外環(huán)控制器開環(huán)頻率區(qū)別設(shè)置，二者對(duì)于波動(dòng)功率的響應(yīng)速度也會(huì)明顯不同。當(dāng)外部環(huán)境變化導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)功率缺額出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，由超級(jí)電容器優(yōu)先響應(yīng)以彌補(bǔ)缺額，在此過程中其端電壓亦會(huì)發(fā)生改變。根據(jù)蓄電池控制環(huán)路的目標(biāo)，在超級(jí)電容端電壓波動(dòng)后，蓄電池會(huì)緩慢反應(yīng)，利用自身蓄能為超級(jí)電容進(jìn)行充放電操作，將超級(jí)電容的剩余電量在動(dòng)態(tài)平衡保持穩(wěn)定。在這個(gè)動(dòng)態(tài)過程中，超級(jí)電容響應(yīng)快，補(bǔ)償高頻功率波動(dòng);而蓄電池響應(yīng)緩慢，補(bǔ)償?shù)皖l功率波動(dòng)，降低蓄電池端電流變化率，延長(zhǎng)其使用壽命。在整個(gè)平抑功率波動(dòng)的過程中，并不影響母線電壓的穩(wěn)定[2]。

3蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)控制

蓄電池屬于典型的能量型儲(chǔ)能，可以指定功率進(jìn)行充放電或者作為系統(tǒng)平衡節(jié)點(diǎn)滿足系統(tǒng)功率平衡和維持頻率穩(wěn)定，主要采用PQ控制或Vif控制兩種運(yùn)行方式。當(dāng)蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參與系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)時(shí)雙向并網(wǎng)變流器采用PQ控制。而當(dāng)蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)作為由電源時(shí)，雙向并網(wǎng)并流器采用Vif控制，使輸出的電壓頻率恒定為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的交流電壓[3]。

4仿真研究

負(fù)載在1.000s發(fā)生突變，儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電電流階躍性變大，當(dāng)負(fù)載電流從0.4A跳變?yōu)?.8A時(shí)，蓄電池和超級(jí)電容的充電電流都處于增大狀態(tài)，但后者的電流變化率明顯比前者高，系統(tǒng)在0.025s內(nèi)即恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)，證明超級(jí)電容承擔(dān)了系統(tǒng)的瞬時(shí)沖擊功率，而蓄電池對(duì)長(zhǎng)時(shí)功率波動(dòng)缺額進(jìn)行了彌補(bǔ)。雙重解耦控制策略使得高頻和低頻波動(dòng)功率在兩種儲(chǔ)能裝置內(nèi)得到有效分配并補(bǔ)償，同時(shí)蓄電池的充電電流平穩(wěn)增大，變化率較小。負(fù)載在1.000s發(fā)生突變時(shí)直流母線電壓瞬態(tài)響應(yīng)的波形圖，當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)，母線電壓依然保持穩(wěn)定，基本沒有波動(dòng)，電壓波動(dòng)率小于0.1%，雙重解耦控制策略可有效抑制母線的功率波動(dòng)。在1.30s時(shí)刻，負(fù)載電流從0.8A跳變?yōu)?3.2A時(shí)，蓄電池和超級(jí)電容的充電電流都有所減小，但超級(jí)電容承擔(dān)了系統(tǒng)的瞬時(shí)沖擊功率，電流變化率較為明顯，而蓄電池電流變化較為緩慢。在1.60s時(shí)刻，負(fù)載電流從-3.2A跳變?yōu)?11.6A時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)由充電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉烹姞顟B(tài)，蓄電池和超級(jí)電容的電流也都由正轉(zhuǎn)負(fù)，此時(shí)超級(jí)電容的電流變化率依然較高，蓄電池的充電電流緩慢變化，系統(tǒng)在0.05s內(nèi)即恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。證明超級(jí)電容承擔(dān)了系統(tǒng)的瞬時(shí)沖擊功率，而蓄電池對(duì)長(zhǎng)時(shí)功率波動(dòng)缺額進(jìn)行了彌補(bǔ)。在負(fù)載變化時(shí)，系統(tǒng)由充電狀態(tài)轉(zhuǎn)為放電狀態(tài)，母線電壓始終維持在100V，電壓波動(dòng)率很小，證明所提控制策略對(duì)母線功率波動(dòng)存在很強(qiáng)的抑制效果。仿真參數(shù)如表1。

5結(jié)束語

綜上所述，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)兼具超級(jí)電容器大功率充放電、使用壽命長(zhǎng)以及蓄電池容量大等優(yōu)點(diǎn)，兩種儲(chǔ)能元件相輔相成，揚(yáng)長(zhǎng)避短，很好的針對(duì)了微電網(wǎng)中同時(shí)存在的高、低頻波動(dòng)情況，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)利用超級(jí)電容提供負(fù)載功率突變高頻功率分量的運(yùn)行方式，緩沖蓄電池輸出電流突變是并減小了直流母線電壓突變，穩(wěn)定了系統(tǒng)交流母線輸出電壓和電流波形，充分利用超級(jí)電容和蓄電池儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)，保障了整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有高能量密度和高功率密度。

參考文獻(xiàn)

[1] 張學(xué)，裴瑋，屈慧，等.多源/多負(fù)荷直流微電網(wǎng)的能量管理和協(xié)調(diào)控制方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（31）：5553-5562.

[2] 楊新法，蘇劍，呂志鵬，等.微電網(wǎng)技術(shù)綜述[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（1）：57-70.

[3] 董宜鵬，謝小榮，孫浩，等.微網(wǎng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通用綜合控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（12）：3310-3316.