薛 荻

（天津華電南疆熱電有限公司，天津 300450）

1 燃?xì)廨啓C(jī)中功率型儲能-超級電容器選型

現(xiàn)有鋰電池需要反復(fù)充電，因此使用中存在短時放電性能差、壽命短以及后期維護(hù)成本高等不足，而超級電容、飛輪儲能等新技術(shù)彌補了傳統(tǒng)鋰電池在應(yīng)用中的不足[1]。超級電容能在較短時間內(nèi)對電池進(jìn)行多次不間斷地充電和放電，還能循環(huán)使用，壽命長且后期維修經(jīng)濟(jì)壓力小，但其釋放能量和功率密度均達(dá)不到設(shè)計要求。因此，將兩者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，充分利用兩者優(yōu)勢，以替代單一的能量存儲體系，是目前能量存儲領(lǐng)域的新的發(fā)展趨勢。為滿足該方面設(shè)計，本文對燃?xì)廨啓C(jī)中功率型儲能-超級電容器進(jìn)行了設(shè)計[2]。

目前，市場內(nèi)動力型儲能元件較成熟的應(yīng)用包括超導(dǎo)磁儲能、飛輪儲能、超級電容器及壓縮空氣儲能。其中，作為一種新型儲能器件，超導(dǎo)磁體的功率響應(yīng)速度是所有儲能器件中最高的，但其自身能耗較高，不適合長時間工作。飛輪儲能和壓縮空氣儲能則需要具有足夠的風(fēng)能和合適的壓縮空氣容器，因此不適合推廣使用。為此，本文提出了一種基于電容器的新型能量存儲元件。儲能裝置通過外加電磁場對電解質(zhì)進(jìn)行極化反應(yīng)，將電解質(zhì)中的帶電離子吸附到具有不同極性的電極上，形成雙電層，從而進(jìn)行能量存儲。電容器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)中功率型儲能-超級電容器結(jié)構(gòu)

超級電容器的儲能功能是通過雙電層完成的，在充、放電過程中，只有荷電離子會粘附在一起，該過程屬于物理化學(xué)作用，而電解質(zhì)在正、負(fù)極移動的情況下是可以不斷改變的。

電解液在儲能過程中具有重要作用，可以根據(jù)實際情況將其作為一種不會發(fā)生機(jī)械運動的介質(zhì)。使用超級電容時不會產(chǎn)生任何氣體、固態(tài)、液態(tài)等物質(zhì)，環(huán)境友好。因此，具有簡單、小巧等優(yōu)點的超級電容成為理想的能量存儲器件[3]。

2 基于混合儲能的燃?xì)廨啓C(jī)黑啟動方案設(shè)計

2.1 燃?xì)廨啓C(jī)黑啟動電源設(shè)計

為提升燃?xì)廨啓C(jī)黑啟動時裝置性能，并提升燃?xì)廨啓C(jī)整體優(yōu)異性[4]，本文采用功率變換器并聯(lián)方式，得到如圖2所示的等效電路。

圖2 并聯(lián)等效電路結(jié)構(gòu)圖

圖2所示電路結(jié)構(gòu)具有更好的靈活性。本文將一種雙向巴克-布氏管作為DC/DC 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]。變流器工作時，它會在2 種模式間相互轉(zhuǎn)換。處于Buck 狀態(tài)時，其能量流向?qū)D(zhuǎn)向母線，即蓄能；處于Boost 狀態(tài)時，其能量將會轉(zhuǎn)向相反方向，從蓄能狀態(tài)流向母線。雙向變流器是一種基于Buck/Boost 的雙向變流器，其主要作用是在一定時刻控制超級電容。由于雙向變流器由超級電容監(jiān)測，因此最后還是會被鋰電池接收并保存。

2.2 基于混合儲能的電源儲能結(jié)構(gòu)均壓設(shè)計

在燃?xì)廨啓C(jī)的電源結(jié)構(gòu)中，一個單獨鋰電池的電壓等級極小，因此為實現(xiàn)更大儲能容量，需要對多個鋰電池進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)。因為每個電池本身的參數(shù)不一樣，所以充、放電時很有可能會出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象[6]。針對該問題，對鋰電池進(jìn)行均壓控制時，將被動變?yōu)橹鲃?，通過控制能量存儲單元與單個鋰電單元之間的能量轉(zhuǎn)換，來達(dá)到這種轉(zhuǎn)換的目的。均壓曲線如圖3所示。

圖3 均壓曲線

假設(shè)在電源儲能結(jié)構(gòu)中存在2 個開關(guān)管，分別為K1和K2，從圖3 可以看出，基于混合儲能的電源儲能結(jié)構(gòu)均壓需要經(jīng)歷4 個階段。第一階段（0～t0），2 個開關(guān)管K1、K2在該點都是關(guān)閉的，電感器中的電流是0。第二階段（t0～t1），此時K1 為導(dǎo)通，K2為斷開，電感電流逐漸增加，可通過公式（1）求解電感電流。第三階段（t1～t2），此時開關(guān)K1斷開，K2導(dǎo)通，電感電流變小，其計算如公式（2）所示。第四階段（t=t2），此時電感中的電流為0。根據(jù)上述分析，對均壓電路進(jìn)行監(jiān)控時采用固定脈沖的模式。

式中：iL（t0）代表t0時刻的電感電流；UB1代表鋰電池配置電壓；L代表電感。

式中：iL（t1）代表t1時刻的電感電流。

2.3 燃?xì)廨啓C(jī)黑啟動功率分配

確定電源儲能結(jié)構(gòu)均壓模式后，結(jié)合混合儲能對燃?xì)廨啓C(jī)黑啟動功率進(jìn)行合理分配。將高通濾波器應(yīng)用到鋰電池和超級電容器中，此時功率極有可能發(fā)生改變，并產(chǎn)生高頻分量，使功率存在部分剩余，而該部分是鋰電池的重要構(gòu)成部分。當(dāng)有功指令超過0 時，可認(rèn)為鋰電池正在進(jìn)行放電；當(dāng)有功指令小于0 時，可認(rèn)為鋰電池正在進(jìn)行充電。功率、有功指令和有功指令輸出功率之間的關(guān)系如公式（3）所示。

式中：P代表功率；PR代表有功指令輸出功率；Pc代表有功指令。

假設(shè)存在一個微分算子S，結(jié)合該微分算子可計算某一時刻的有功指令Pc（S）和有功指令輸出功率PR（S），如公式（4）、公式（5）所示。

式中：T代表高通濾波器的時間常數(shù)；P（s）代表某一時刻的功率。

燃?xì)廨啓C(jī)總功率變動時，鋰電池輸出功率的變動幅度不大，變化速度較慢，完全符合設(shè)備充、放電特性所需。

2.4 充、放電恢復(fù)策略

由于超級電容器可以在較短時間內(nèi)對功率的變化做出快速響應(yīng)，并且其充、放電速度較快，還可以不斷循環(huán)利用，因此，基于上述優(yōu)勢，本文先利用超級電容器來控制用電，以更好地滿足系統(tǒng)在該方面的需求。在僅靠超級電容無法彌補混合儲能系統(tǒng)輸出功率P的情況下，可以通過鋰電池較高的能量密度來彌補超級電容的不足。兩者協(xié)同工作，對混合能量存儲設(shè)備的電源命令做出相應(yīng)反應(yīng)。二者的功率指示可以根據(jù)時間常數(shù)T變化而變化，如果要使超級電容以對P的反應(yīng)為主，就必須增加T；如果希望鋰電池主要用于對P的反應(yīng)，就必須降低T。當(dāng)能量儲存設(shè)備的容量達(dá)到極限時，就必須進(jìn)行不間斷充電；而當(dāng)能量儲存設(shè)備的容量降至最小時，也必須進(jìn)行不間斷放電。這2 種情形都會極大損害能量存儲設(shè)備，并進(jìn)一步影響最后的平衡狀態(tài)。在該基礎(chǔ)上，根據(jù)超級電容的工作狀態(tài)對功率進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整策略見表1。

表1 超級電容器工作狀態(tài)與對應(yīng)功率調(diào)整策略表

結(jié)合表1 中的策略可得，在處于過充預(yù)警狀態(tài)且仍充電和處于過放預(yù)警狀態(tài)且仍放電的情況下，需要對輸出功率進(jìn)行調(diào)整，以此確保燃?xì)廨啓C(jī)能正常使用。

3 黑啟動方案仿真

為測試設(shè)計的黑啟動方案在應(yīng)用中是否能達(dá)到預(yù)期，對其進(jìn)行仿真測試。測試前黑啟動試驗環(huán)境中的儀器設(shè)備準(zhǔn)備見表2。

表2 黑啟動試驗環(huán)境中儀器設(shè)備的準(zhǔn)備

在上述基礎(chǔ)上，進(jìn)行黑啟動方案中仿真參數(shù)的設(shè)計，具體內(nèi)容見表3。

表3 黑啟動方案中仿真參數(shù)的設(shè)計

為排除試驗中相關(guān)參數(shù)的影響，需要提前設(shè)計電力系統(tǒng)中參數(shù)值，見表4。

表4 電力系統(tǒng)中的參數(shù)值設(shè)計

完成參數(shù)設(shè)計后，設(shè)計0.3s 時燃?xì)廨啓C(jī)電壓發(fā)生突變，突變后驅(qū)動燃?xì)廨啓C(jī)的黑啟動方案，記錄燃?xì)廨啓C(jī)供電過程中電壓變化情況，將該結(jié)果作為黑啟動方案的仿真結(jié)果，如圖4所示。

圖4 燃?xì)廨啓C(jī)黑啟動方案的仿真結(jié)果

4 結(jié)語

隨著電力系統(tǒng)快速發(fā)展，電力系統(tǒng)的“黑啟動方案”已成為解決某些區(qū)域用電安全問題的重要手段，而“黑啟動”電源的規(guī)劃設(shè)計又是其能否發(fā)揮作用的關(guān)鍵。為深化該方面研究，本文將鋰電池與超級電容器作為燃?xì)廨啓C(jī)供電過程中的核心儲能方式來設(shè)計黑啟動方案。

通過本文的設(shè)計，對圖4 的黑啟動方案仿真結(jié)果進(jìn)行分析。圖4 中顯示，在正常條件下，燃?xì)廨啓C(jī)在供電過程中的輸出電壓為220V，即滿足末端用戶的用電需求。但在0.3s 處，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電過程發(fā)生突變。為解決突變對燃?xì)廨啓C(jī)運行造成的影響，使用本文設(shè)計的黑啟動方案進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)突變電壓抑制處理。圖4（a）為未應(yīng)用黑啟動方案的燃?xì)廨啓C(jī)突變電壓處理結(jié)果，從中可以看到，經(jīng)過0.3s后，燃?xì)廨啓C(jī)的突變電壓瞬間降至220V。圖4（b）為應(yīng)用黑啟動方案的燃?xì)廨啓C(jī)突變電壓處理結(jié)果，從中可以看到，經(jīng)過0.1s 后，燃?xì)廨啓C(jī)的突變電壓較平緩地降至220V，相比圖4（a）、圖4（b）的電壓波動情況整體較平緩，能顯著降低電容、鋰電池的充、放電速率，進(jìn)而達(dá)到延長電池壽命的目的。綜上所述，本文設(shè)計的黑啟動方案可以在應(yīng)用中達(dá)到預(yù)期效果。