分布式电网中混合储能系统的接入型式探讨

潘聪，王春明，刘松，李乾，石朝泓

（解放军理工大学国防工程学院，南京 210007）

0 引言

分布式微电网是可再生能源的主要应用型式，但可再生能源在运行中存在一定限制，如燃料电池响应速度慢，而风能、太阳能等发电受自然资源条件制约，随机性和波动性大，电能质量调节困难，限制了其大规模应用[1]。

研究发现，在新能源发电系统中配置一定量的储能装置能够加大系统惯性，提高系统稳定性，是解决上述问题的关键技术之一。储能可分为能量型储能和功率型储能，能量型储能（如蓄电池）能够大规模存储电力，但受循环寿命和功率限制难以承担系统中高频和冲击性的功率波动[2]；功率型储能（如超级电容器）充放电速度快、功率输出能力强，却因能量密度低而难以承担对大幅度功率的调节[3]。将两者结合使用，能最大程度发挥不同储能的特性，解决单独使用能量型或功率型储能系统时所受的制约。为充分发挥混合储能系统的优越性，一个合理的结构至关重要。本文以典型的蓄电池-超级电容器混合储能系统为研究对象，探讨了混合储能系统在接入分布式电网时的结构选型和设计，为下一步混合储能的应用研究提供理论支撑。

1 超级电容器与蓄电池混合储能特性

1.1 单一储能方式存在的问题

蓄电池是目前最成熟的储能形式。但存在以下缺陷：①蓄电池长期处于充放电小循环过程，过冲和过放现象时有发生，导致蓄电池适用寿命大大缩短；②蓄电池功率密度小，在冲击性负荷投切时往往承担大电流的冲击，功率输出能力不足且影响其寿命；③蓄电池由于其电化学反应速率的限制，响应速度慢，无法适应高频、快速的能量变换场合。

功率型储能器件超级电容器内部物理结构如图1所示。其基本工作原理是将电荷存储于内部多孔电极和电解液形成的双电层内。由于多孔电极的表面积非常高（如活性炭电极可达3000 m2/g以上），则根据电容容量计算式（1）可知，其电容量远高于传统电容器[4]。

式中，C为电容值；ε0为真空介电常数；ε为相对介电常数；A为双电层面积；d为双电层厚度。

图1 超级电容器原理结构图

同时，超级电容器的等效串联内阻低，功率释放能力强，而且使用过程不发生化学反应，因此其充放电过程可认为是完全可逆的，循环寿命非常高，理论上可达105次。凭借其功率密度大、充放电速度快、循环寿命长等无可替代的优良特性，超级电容器很快受到人们的青睐并迅速发展，在电动汽车、能量制动回收、电能质量改善等领域得到广泛应用。然而，在大规模电力储能方面，超级电容器能量密度小和价格较高的缺陷成为其推广应用的瓶颈，单独应用于功率平抑时效果欠佳[5]。尽管近年来石墨烯、导电聚合物等高表面积电极材料研究取得较大进展[3]，但仍无法在短时间内使其能量密度有较大幅度提升。

因此，单独使用蓄电池或者超级电容器都无法满足新能源发电系统对于储能装置高能量密度、高功率密度、长循环寿命、免维护等要求。

1.2 混合储能的优势

通过对蓄电池和超级电容器储能特性的对比（见表 1）可以发现，两者在性能上各有特点并且形成很好的互补，若能将两者配合使用，理论上能够得到兼具两者优点的新型储能装置。

相关研究已经表明，使用蓄电池和超级电容器混合储能可以大大改善系统性能，比如提高峰值功率输出能力，减小内部损耗，延长工作时间等[9-10]。

2 混合储能方式研究现状与分析

分布式电网有交流、直流和交直流混合等几种组网形式，因此，储能系统有多种不同的接入型式，以适应不同的电网结构。

表1 超级电容器与蓄电池性能对比

2.1 交流侧并联接入

在交流微网系统中，混合储能系统于交流侧并联[6-7]，有利于储能系统直接参与电能调节，其典型结构如图2所示。在具体应用中，两个并网逆变器之间可以协调配合，完成能量的内部分配，控制方法灵活，可靠性高。

但是，蓄电池和超级电容器都是直流储能设备，使用逆变器并网时电能变换环节增多，损耗大、成本较高，在控制设计方面涉及耦合因素多、较复杂。

图2 蓄电池和超级电容器交流侧并联结构

2.2 直流侧并联接入

随着光伏、燃料电池等直流新电源的广泛应用，基于直流母线的分布式电网迅速发展。在直流电网中，蓄电池和超级电容器可以直接与直流母线连接，避免了能量形式的多次变换，是当前的一个研究热点。目前，直流侧接入型式主要可以分为无源并联结构和有源并联结构。

2.2.1 蓄电池与超级电容器无源并联结构

蓄电池和超级电容器直接并联结构主要有以下两种：

1）蓄电池和超级电容直接并联结构

这是最简单的混合储能结构，如图3所示。在直接并联电路中，由于超级电容器内阻小，响应速度快，在功率突变时，能够大幅度减小蓄电池的最大输出电流，提高混合春泥更系统功率输出能力，减小内部损耗，延长工作时间[8]。直接并联系统具有较好的可靠性和经济性，有一定的使用价值。

图3 蓄电池和超级电容直接并联

但是直接并联结构未考虑两者之间特性的明显差异，在运行中存在以下问题[9]：蓄电池端电压变化较小，具有钳位作用，因此超级电容器组电压必须与它保持一致，导致其能量利用率较高和串并联组合方式受限；负载端电压随着蓄电池组端电压的变化而变化，电压纹波较大，影响负载工作性能；系统的功率输出能力只取决于蓄电池和超级电容器的自身参数，能量流动不可控，在实际应用中灵活性不够。

2）蓄电池和超级电容器通过电感并联

针对直接并联结构中的问题，提出了蓄电池通过电感与超级电容器并联的结构[13]，如下图 4所示。并联电感能够对蓄电池的输出电流进行滤波，减小输出电流纹波，降低内部能量损耗。该结构能优化蓄电池的充放电过程，提高了储能系统效率，但仍存在着系统配置不灵活。负载端电压纹波大等缺陷。

图4 蓄电池通过电感与超级电容器并联

2.2.2 有源并联结构并联

蓄电池与超级电容器的直接并联存在问题的关键在于混合储能系统的输入输出不可控，仅依靠并联电路的自身参数调节，并不能完全发挥两者的性能优势。同时，也只能在一定程度上减小蓄电池的电流冲击，对其工作过程的优化能力不足。双向直流变换器的发展为解决此问题提供了思路，将双向DC/DC变换器应用与混合储能中，能通过变换器不同的工作模式实现灵活的控制，最大限度地提高能量利用率，优化蓄电池工作过程，具有较好的发展前景，主要有以下几种结构类型：

1）超级电容器通过双向变换器与直流母线并联结构

在此结构中，蓄电池直接并联直流母线，超级电容通过双向 DC-DC变换器向直流母线提供瞬时功率，保护蓄电池免受冲击，如图5所示[10]。正常工作时，主要由蓄电池提供和吸收能量。蓄电池与超级电容器得到解耦控制。该结构通过双向变换器的恒压输出控制解决了超级电容器端电压变化较大带来的问题，但蓄电池电压需与直流母线电压在同一等级，仍需承担一定的高频电流波动，无法最很好地解决蓄电池的寿命问题。

2）蓄电池通过双向DC/DC变换器与母线并联

蓄电池与直流母线间加入双向 DC-DC变换器，超级电容器则与直流母线直接并联。该结构便于超级电容器对直流母线能量进行快速补充和动态存储，可以减小蓄电池承担的功率波动，有利于延长蓄电池寿命。

图5 超级电容器经双向变换器与蓄电池并联结构

但这样就要求配置较大容量的超级电容器，储能成本增加。同时，超级电容电压变化范围宽，对其他发电单元接口设计要求高，且不利于系统的稳定运行。

3）蓄电池和超级电容分别经双向变换器与直流母线并联结构[11-14]

为了得到更好的能量分配和管理性能，提出了蓄电池和超级电容分别经两个双向直流变换器与直流母线相连的结构。这样就可以根据系统对储能装置功率输出的要求，通过合理设计变换器的控制策略，控制两个储能设备输入/输出功率的大小，高效灵活，是目前主流的研究方向。

但是采用了两个变换器，功率变换器的损耗较大，能量管理和协调控制也变得复杂，这也是目前混合储能系统应用需解决的核心问题。

4）蓄电池经双向变换器与超级电容并联

最新的研究中有文献提出一种基于两级变换器的混合储能结构[22]，蓄电池经过双向 DC-DC变换器与超级电容器并联后，再通过双向DC-DC变换器与直流母线相连，如图6所示。通过两级变换器控制储能设备的充放电情况，且蓄电池能够实时调节超级电容的荷电状态，以保证超级电容器能够及时响应直流母线的波动。该结构的问题在于蓄电池与直流母线间的能量传递需经两个变换器单元，损耗及成本增加，而且对初级变换器的功率等级和响应速度要求极高，比较适用于小功率场合。

图6 蓄电池与超级电容器通过两级双向变换器并联

5）蓄电池和超级电容器通过多端口变换器接入

针对常规变换器接入型式存在的问题，一些学者开始研究多端口变换器[15-17]，希望采用具有多端口的双向 DC-DC变换器将蓄电池、超级电容和直流母线结合在一起，如图7所示。该结构更易于实现混合储能系统的集中控制和能量管理，但是存在可靠性和容易造成环流等问题，并且对变换器的参数设计要求较高，目前应用较少。

图7 蓄电池和超级电容器通过多端口变换器接入结构

3 结论

从以上对超级电容器-蓄电池混合储能系统接入型式的分析可知，不同的接入型式适用的场合也不一样。并联接入型式的控制性能和控制复杂度是一对矛盾，应在满足应用需求的前提下，选择一个实现代价最小的方式。现阶段通过双向DC/DC变换器并联是较高效的做法，从长远的发展来看，为提高混合储能系统的效率和控制灵活性、延长储能设备的使用寿命，采用多端口一体变换器接入母线是发展前景较好的方式。

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