含超级电容器的混合储能充放电控制方法研究

刘星 张旭峰 俞啸玲 赵莉莉

摘 要：针对当风力功率出现波动，蓄电池因充放电速度慢，无法使直流母线上的电压快速恢复稳定的情况。提出一种混合储能单元采用分阶段充电、限流恒压放电的充放电策略。仿真结果表明：该方法能够平稳地输出电流，显著提升电网侧母线电压输出的稳定性。

关键词：蓄电池;超级电容;稳定电压

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.178

1 引言

基于化石能源的危机以及环境的压力，风机、光伏的装机容量不断扩大。然而，其具有的随机性与不稳定性会对电网安全运行造成影响[1-2]。储能装置依靠自身充放电特性可有效抑制分布式能量输出的波动，提高电网的稳定性和可靠性。

目前，蓄电池在生活中被广泛使用。其价格便宜，还有较高的能量密度，能够满足日常分布式发电系统对能量密度的要求。但是，由于其自身内部条件限制，其功率密度相对较小，且无法快速充电或放电，循环寿命较短。如果要以蓄电池为电源来满足波动性负载功率需求，那将需配置极大容量的蓄电池。不仅蓄电池体积过于庞大，还将会增大投资和容量浪费;超级电容器能快速充电，而且具有循环寿命较长的特点，但是因其容量较低所以不能用作大规模电力的存储装置。所以，可以结合二者的能量特性，能充分利用电池的高能量密度和超级电容器的快速充放电特点的混合储能单元的研究得到广泛关注[3]。

2 系统结构

能量存储单元由超级电容和电池组成，两者通过转换器并联连接到直流母线以形成混合能量存储系统。为简化模型，仅仅以风能作为分布式电源。

双向DC/DC元件可将直流电变为另外一种输出特性的直流电，且在工作时能针对实际情况抑制功率波动，实现电池双向流动，对电池能量进行控制和管理。其拓扑如图1所示。双向DC/DC器件电路内部拥有两个开关管S1和S2。通过控制两个开关的占空比D，可以满足实际所需的电流流动方向，例如低压侧电流可以流向高压侧，并且高压侧电流也可以流向低压侧，这与储能电池的充放电特性完美匹配。

在升压模式下工作时，双向DC/DC转换器中的开关S2完全打开，开关S1在打开和关闭之间连续切换。与S2并联的二极管D2只能将能量从低压侧传输到高压侧。当开关S1闭合时，低压侧电压源U1提供能量，电容器C2用作电压调节器，使得高压侧电压不会突然改变;当开关S1断开时，低压侧电压源U1和储能元件电感器L通过电容器C2的二极管一起充电。通过这种转移，电能从低压侧传递到高压侧。

在降压模式下操作时，双向DC/DC转换器中的开关S1完全打开，开关S2在闭合和打开之间来回切换。开关S2闭合时，高压侧电流通过储能器件L流向低压侧，相当于由高压侧对其充电，电容C2稳住低压侧电压，使其不能发生突变;当开关S2断开时，电感器L和电容器C1放电至低压侧，并且高压侧断开不能放电。所以高压侧能量流向了低压侧。

3 充放电控制策略

储能单元常见的充电方法有恒定电流法、恒定电压法以及分阶段充电法。目前，蓄电池作为传统的储能电池，技术发展已经处于十分成熟的状态，现已得到大量应用，人们以此为基础开展了充电方法的研究。

恒定电流法充电是指在充电过程中，电流维持恒定值不变化，电池外部端电压呈规律变化。此种方法优点是控制简单，但是也存在一些缺陷。例如在初始阶段充电电流可能太小，在后期充电电压与电流偏高，降低电池寿命，浪费能源。恒定电压充电法是使用某一恒定的电压为电池充电。充电初始阶段，电池外部电压低，导致会产生很大的电流，影响电池使用寿命。充电过程中，电池两端电压随着充电进行而慢慢增大，电流则慢慢减小，导致后期充电时间会较长。分阶段充电法又可以称为恒流恒压充电。

超级电容器的控制方法必须考虑其能接受电流的能力。在充电前期，它可以承受更大峰值的电流，而随着充电的进行，可承受的电流值变得越来越小。因此，超级电容器不应使用恒定电流或恒定电压操作模式。所以，本文针对这一问题，对超级电容施加一种新的分阶段的充电方式，为实现对电流的精确控制，使用单个闭环控制和PID调节器调节电流。

混合能量存储单元使用分阶段充电控制方法。在开始阶段，以恒定电流对电池充电，然后以恒定电压充电。以这种方式充电，蓄电池就不会发生充电电流在充电的初始阶段太大而在后一阶段电压太高的现象。因此，为了合理地进行电池充放电，采用电流和电压双调节控制。其结构如图2所示。双向DC/DC转换器中的电压调节器和电流调节器可以精确控制主控制量，例如电感器电流、电池电压和直流母线电压。充电采用的恒定电压值U*用作标准电压，并且与电池端电压UB比较，通过外环电压调节器放大所获得的误差信号，以获得内环电流i*的给定电流。电流采样电路将实时检测到的充电电流i与i*进行比较，并且由内环电流调节器产生的控制信号通过脉冲宽度调制器得到输入脉冲。

为了维持风储系统稳定，系统中的储能单元通常采用恒压方式放电。为增加电池寿命，电池必须在某一电压值停止放电。这一电压值即为切断电压。当恒压放电模式下的电池外部电压低于切断电压时，蓄电池保护动作并停止放电。同时，电池的放电电流也被限制在一定范围内，当电流大于限定放电电流值时，就会启动限流。

4 仿真验证

仿真模型中设定风速在0.5s时的7.2m/s突变为7.7m/s，在1.5时又恢复正常，根据仿真测得前后的试验数据如下表1、2所示：

可以看出，当风速改变时，系统电网侧母线上的电压产生波动。由蓄电池构成的储能系统依靠自身充放电特性，平抑风力波动性变化，令母线电压趋于稳定。由表2数据看出，混合储能单元采用恒压闭环放电控制后，能使母線电压波动迅速消除，较于仅由蓄电池构成的储能单元，其效果更优。

5 结论

本文提出的充放电控制模式可以有效发挥超级电容和蓄电池各自的特点。分阶段充电策略中，前者以大电流充电的方式发挥其能够快速大功率充放电的特点，后者为延长使用寿命以小电流模式充电。限流恒压放电策略中，通过设定不同的放电电流值以及不同等级的直流母线参考电压，充分利用了二者的优点。此策略不仅可以发挥超级电容器本身快速高功率的放电性能，也能够防止蓄电池在大电流下放电，提高了电池性能。仿真结果表明：所提出的混合能量存储单元的充放电控制方法可以快速平抑风电的波动，显著提升电网侧母线电压输出的稳定性。

参考文献：

[1]王明俊.智能电网与智能能源网[J].电网技术，2010（10）：1-5.

[2]王思杰，惠晶.混合储能的独立光伏系统充电控制研究[J].电力电子技术，2012，46（01）：13-15.

[3]李少林，姚国兴.风光互补发电蓄电池超级电容混合储能研究[J].电力电子技术，2010，44（02）：12-14.