蓄電池超級電容混合儲能雙重解耦控制策略分析

周廣亮

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

關鍵詞 微電網(wǎng);孤島運行;混合儲能;解耦控制

引言

目前，直流儲能系統(tǒng)被廣泛應用于分布式電源和直流微電網(wǎng)中。由于風能和太陽能具有間歇性、波動性、不可預測性，為減小其波動對發(fā)電系統(tǒng)的影響，提高電能質量和保證系統(tǒng)功率平衡，可以在單臺分布式電源直流側配備儲能系統(tǒng)，或在直流微電網(wǎng)中配置大功率儲能系統(tǒng)來提供恒定的直流電壓支撐。

1混合儲能系統(tǒng)結構

直流微電網(wǎng)往往不可避免地會運行在孤網(wǎng)模式下。此時，微網(wǎng)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(xiàn)一些功率差額，在微網(wǎng)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(wǎng)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[1]。

2混合儲能系統(tǒng)功率分配

系統(tǒng)截止頻率越高，響應速度就會越快，而開環(huán)和閉環(huán)截止頻率存在正相關的聯(lián)系，因此系統(tǒng)的反應速度可用開環(huán)截止頻率來表征。在我們提出的雙重解耦控制結構中存在4個主回路閉環(huán)，若區(qū)別設置4個環(huán)路的開環(huán)頻率，可使得波動功率的高低頻分量自動隔離。將蓄電池和超級電容的外環(huán)控制器開環(huán)頻率區(qū)別設置，二者對于波動功率的響應速度也會明顯不同。當外部環(huán)境變化導致儲能系統(tǒng)功率缺額出現(xiàn)波動時，由超級電容器優(yōu)先響應以彌補缺額，在此過程中其端電壓亦會發(fā)生改變。根據(jù)蓄電池控制環(huán)路的目標，在超級電容端電壓波動后，蓄電池會緩慢反應，利用自身蓄能為超級電容進行充放電操作，將超級電容的剩余電量在動態(tài)平衡保持穩(wěn)定。在這個動態(tài)過程中，超級電容響應快，補償高頻功率波動;而蓄電池響應緩慢，補償?shù)皖l功率波動，降低蓄電池端電流變化率，延長其使用壽命。在整個平抑功率波動的過程中，并不影響母線電壓的穩(wěn)定[2]。

3蓄電池儲能系統(tǒng)控制

蓄電池屬于典型的能量型儲能，可以指定功率進行充放電或者作為系統(tǒng)平衡節(jié)點滿足系統(tǒng)功率平衡和維持頻率穩(wěn)定，主要采用PQ控制或Vif控制兩種運行方式。當蓄電池儲能系統(tǒng)參與系統(tǒng)功率調節(jié)時雙向并網(wǎng)變流器采用PQ控制。而當蓄電池儲能系統(tǒng)作為由電源時，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

負載在1.000s發(fā)生突變，儲能系統(tǒng)的充電電流階躍性變大，當負載電流從0.4A跳變?yōu)?.8A時，蓄電池和超級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內即恢復到穩(wěn)態(tài)，證明超級電容承擔了系統(tǒng)的瞬時沖擊功率，而蓄電池對長時功率波動缺額進行了彌補。雙重解耦控制策略使得高頻和低頻波動功率在兩種儲能裝置內得到有效分配并補償，同時蓄電池的充電電流平穩(wěn)增大，變化率較小。負載在1.000s發(fā)生突變時直流母線電壓瞬態(tài)響應的波形圖，當負載電流變化時，母線電壓依然保持穩(wěn)定，基本沒有波動，電壓波動率小于0.1%，雙重解耦控制策略可有效抑制母線的功率波動。在1.30s時刻，負載電流從0.8A跳變?yōu)?3.2A時，蓄電池和超級電容的充電電流都有所減小，但超級電容承擔了系統(tǒng)的瞬時沖擊功率，電流變化率較為明顯，而蓄電池電流變化較為緩慢。在1.60s時刻，負載電流從-3.2A跳變?yōu)?11.6A時，儲能系統(tǒng)由充電狀態(tài)轉變?yōu)榉烹姞顟B(tài)，蓄電池和超級電容的電流也都由正轉負，此時超級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內即恢復到穩(wěn)態(tài)。證明超級電容承擔了系統(tǒng)的瞬時沖擊功率，而蓄電池對長時功率波動缺額進行了彌補。在負載變化時，系統(tǒng)由充電狀態(tài)轉為放電狀態(tài)，母線電壓始終維持在100V，電壓波動率很小，證明所提控制策略對母線功率波動存在很強的抑制效果。仿真參數(shù)如表1。

5結束語

綜上所述，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(wǎng)中同時存在的高、低頻波動情況，混合儲能系統(tǒng)利用超級電容提供負載功率突變高頻功率分量的運行方式，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，充分利用超級電容和蓄電池儲能的優(yōu)點，保障了整個儲能系統(tǒng)具有高能量密度和高功率密度。

參考文獻

[1] 張學，裴瑋，屈慧，等.多源/多負荷直流微電網(wǎng)的能量管理和協(xié)調控制方法[J].中國電機工程學報，2014，34（31）：5553-5562.

[2] 楊新法，蘇劍，呂志鵬，等.微電網(wǎng)技術綜述[J].中國電機工程學報，2014，34（1）：57-70.

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