蓄电池与超级电容器混合储能在风光互补微网中的控制

袁丽坚

【摘 要】本文主要阐述超级电容器与蓄电池的混合储能技术在微电网中对风力发电的功率进行平抑与补偿的应用，对超级电容器与蓄电池的混合储能技术在电网当中所解决的问题、运用的策略、和产生的效果进行归纳。混合储能技术将会是未来电网的重要组成部分，和新能源发电以及电动汽车发展不可或缺的部分。

【关键词】蓄电池；超级电容器；混合储能；风光互补微网

一、前言

近年来，随着能源危机与环境污染日益严峻，太阳能、风能等分布式可再生能源以其資源丰富、污染小等优点将在未来能源格局中扮演重要角色。由于太阳能、风能等的随机性和波动性，储能系统是必不可少的，超级电容器和蓄电池混合储能系统综合了功率型储能元件和能量型储能元件的优势，避免了单一储能技术的不足，是储能技术的重要发展方向之一。

二、超级电容器和蓄电池混合储能概述

混合动力储能技术是储能技术的一个重要发展方向。它结合了动力型储能装置和能源储能装置的优点，在新能源生产中具有很强的实用性。作为能量型储能器件，电池具有能量密度高，电能长期储存等特点，但其功率密度小，充放电效率低，循环寿命短权力和频繁的充电和放电。作为动力型储能装置，超级电容器具有功率密度大，充放电速度快，储能效率高，循环寿命长的特点，能够有效抑制系统中的短时能量波动和瞬态能源系统平稳，但能源密度不均衡。

在超级电容器和电池之间使用混合能量储存可以将电池的能量密度与超级电容器的功率密度相结合，并且成功地解决了单独使用电池储能和超级电容器储能的缺点。国内外许多专家提出使用超级电容器和电池混合系统来解决微电网可再生能源发电不稳定的问题。应用于微电网的混合储能结构图如图1所示。

三、蓄电池与超级电容器混合储能在风光互补微网中的控制

（一）风光互补微网基本结构

图2显示了一个典型的风光互补微电网结构。主要组成部分为：异步风力发电机组（主要由风力发电机组，变速器，异步发电机和变桨控制系统组成），光伏单元（主要由光伏阵列，BOOST电路，LC滤波器及其控制系统组成），一个储能单元（由超级电容器和电池组成的混合储能系统）和负载。同时，微电网通过公共连接点上的静态开关连接到配电网。光伏单元和风能单元参与了最大功率点控制问题，本文将不再详细描述，并着重讨论微电网系统中储能单元的控制策略。混合储能系统单元的存在增加了微电网系统的惯性：当微电网系统连接到电网时，该单元负责吸收系统中用于储存的多余能量；当它独立运行时，该单元可以改善系统的动态，响应速度和运行稳定性。

混合储能系统采取的是双极式变流器结构，如图3所示。该双极性转换器电路由前级DC/DC转换器和后级DC/AC转换器组成。该DC/DC转换器允许双向能量流动，由PWM控制，在充电期间工作在降压模式下，在放电时工作在升压模式下，并且DC/AC转换器是三相功率型双向转换器VSC。通过LCL滤波器连接负载。

图中，Lf为滤波电感，Cf为滤波电容，Rf为滤波电阻，Udc为直流母线电压，Usc为超级电容器电压，Ubat为蓄电池电压，ua、ub、uc为滤波电容三相电压，ia、ib、ic为滤波电感三相电流。

（二）蓄电池储能单元控制策略

为了避免高深度发电给蓄电池带来的损伤，延长蓄电池的寿命，在混合储能系统中，蓄电池主要用于承担发电系统与负载不匹配的低频能量，其与直流母线的连接结构如图3所示，蓄电池通过DC/DC变换器与直流母线相连。本文提出以电感电流为控制变量的变换器控制策略，如图4所示。

这里，通过计算参考功率Pbat（ref）和实际测量电压Ubat（即，电感器电流参考值Ibat（ref））获得的计算电流。电流可以通过滑模变结构控制器对变流器的开关信号进行控制，从而达到控制变流器的目的。由于滑动模式可变结构控制器本身是一种开关控制方法，因此它是控制转换器开关信号的理想选择。根据滑模变结构的工作原理，在此储能单元控制中，可以选取实际电感电流Ibat为被控量，建立下切换函数S=Sbat-Ibat（ref）（取u=sign（S）为约束条件）。其意义为，实际电感电流与电感电流参考值的差值经由sign函数判断得到控制量u，从而控制变换器开关管的通断。

（三）超级电容器储能单元控制策略

为了弥补单体电池储能不足，延长电池寿命，提高系统稳定性，充分利用超级电容在混合储能系统中的作用，根据自身特点，使其承担发电系统与能源消费系统。无与伦比的高频能量，从图2可以看出，超级电容器和电池通过DC/DC变换器连接到直流母线上，变换器的控制策略如图5所示。

通过参考功率Psc（ref）与实际电压Usc得到计算电流，即电流参考值Isc（ref），并且将其与实际电流Isc的差值经PID控制器后，与特定值的重复序列进行比较运算，从而得到开关量，对开关管进行驱动，达到控制变换器通断的目的。

四、仿真与分析

利用Matlab/simulink建立相关控制策略模型，对本文提出的混合储能系统进行仿真验证。

如图6（a）所示的波形是通过仿真平台模拟的风光互补发电波形，而负载则是为了实验简化而模拟的一个阶跃负载波形。

1.电池在无负载情况下进行功率分析，无波动。图6（a）中的风力发电系统的输出波形由仿真软件模拟。由于实验条件的限制，实际数据未被使用，而是为实验结果而模拟，并代表风力发电系统的输出功率。图6（b）显示了仿真平台模拟的阶跃负载功率波形。此时相对稳定，没有波动。图6（c）显示了在没有阶跃负载波动的情况下，只有电池被使用时电池所采用的功率波形。

2.在有波动的阶跃负载下，蓄电池承担的功率分析。

图8（a）显示了一个包含更严重波动的阶跃负载功率波形。当阶跃负载频繁发生并频繁波动时，如果没有超级电容，则电池所需的功率波形如图8（b）所示。可以看出，波形频繁波动，这对于电池维护来说是一个相对不利的条件。而且，由于电池的等效内阻较大，所以不能太频繁地提升端电压，难以实现这种快速的输出功率变化。

3.下面显示的是波动阶跃负载。当添加超级电容器时，两者都假设波形发生变化。图8（a）和图8（b）是在滑动窗口常数T=1.0的情况下蓄电池和超级电容器的波形。比较图7（b）可知，超级电容器加入后，超级电容器具有阶跃负载波动频繁的部件使电池配电更顺畅。

根据Matlab仿真，当阶跃负荷波动频繁时，反映了混合储能结构的优点和合理性。它可以更好地调和系统产生的能量与负载消耗的能量之间的矛盾，弥补矛盾。电源与系统功耗的时间差意味着可以节省电源，提高系统的稳定性。因此，在添加超级电容器之后，电池曲线的曲线变得更小且更平滑，而超级电容器的曲线波动很大，这意味着超级电容器的高功率密度特性使得可以快速地执行该部分假定的功率波动。

五、结束语

本文分析了微网的基本结构及储能系统，由此构建了由模拟的配电网系统、储能系统、风光互补发电系统及负荷构成的模拟微网系统，并提出了一种由超级电容器与蓄电池构成的混合储能系统在其中的应用。

【参考文献】

[1]计长安，张秀彬，赵兴勇，等.基于模糊控制的风光互补能源系统[J].电工技术学报，2016，22（10）：178-184..

[2]周林，黄勇，郭珂，等.微电网储能技术研究综述[J].电力系统保护与控制，2016，39（7）：147-152.