微电网混合储能系统的能量管理控制策略探究

摘  要：在微电网中，储能系统对分布式能源的不稳定性起到了重要的补偿作用。但在电池储能系统中，这种不确定的功率波动会严重影响电池的使用寿命。超级电容具有非常好的循环充放电寿命，将其与蓄电池一起组成混合储能系统，可形成优势互补。而混合储能系统中最关键的就是如何协调电池与电容之间的功率流向，因此必须建立合理的能量管理策略以保证系统的稳定运行。

关键词：混合储能;微电网;能量管理策略

中图分类号：TP311 文献标识码：A   文章编号：2096-4706（2019）07-0034-03

Abstract：In microgrid，energy storage system plays an important role in compensating the instability of distributed energy. But in the battery energy storage system，this uncertain power fluctuation will seriously affect the service life of the battery. Supercapacitor has a very good cycle charge and discharge life. It can be combined with batteries to form a hybrid energy storage system，which has both advantages. The key of hybrid energy storage system is how to coordinate the power flow between battery and capacitor，therefore，a reasonable energy management strategy must be established to ensure the stable operation of the system.

Keywords：hybrid energy storage;microgrid;energy management strategy

0  引  言

随着人类社会经济的发展以及文明的进步，人们的环保意识愈发强烈，对日益严峻的能源问题的关注度不断提高。基于此，微电网应运而生。而微电网中可再生能源所提供的功率与负载功率是很难达到平衡的，因此这种对功率的平衡作用需要由储能系统来完成。混合储能系统将蓄电池和超级电容结合使用，具有高的功率密度与能量密度，同时降低了系统的成本。但如何协调电池与电容之间的功率分配尤为关键，因此混合储能系统的能量管理策略是本文所重点探究的一项内容。

1  混合储能系统的结构与特点

混合储能系统由双向直流变换器、蓄电池组以及超级电容器组成的。储能系统作为一个整体来响应外部充放电要求：维持母线电压稳定，吸收外部多余功率或提供外部需要功率。蓄电池与超级电容通过功率变换器进行并联，协同工作响应外部指令。功率变换器在混合储能系统中的作用就是根據储能单元的特性来合理控制各个储能单元的充放电，使储能系统能够快速响应外部指令。

蓄电池能量密度大、功率密度小、循环寿命短、充放电效率低，不适合用于大功率充放电，且不适合频繁地充放电。而超级电容恰恰相反，超级电容功率密度大、能量密度小、循环寿命长、充放电效率高，主要运用于循环充放电场合和大功率充放电场合，但是由于其具备能量密度低的特点，若要使其提供蓄电池相同的能量，则需要的体积和重量要比蓄电池大得多。

通过变换器将蓄电池与超级电容混合使用，不仅可以提高储能系统的功率输出能力、降低损耗，还能够减小蓄电池的充放电次数，延长蓄电池的寿命。总之由超级电容与蓄电池构成的混合储能系统可以改善供电系统的可靠性和经济性。

2  混合储能系统的工作状态

为分析储能系统的运行状态，将储能单元的工作区间进行如下的划分，如图1所示，各储能单元均被分为五个区域，分别为禁止充放电区、充放电警戒区以及正常工作区。在超级电容的荷电状态分区中，增加了期望工作区，该工作区属于正常工作区。在储能系统的运行过程中，希望超级电容处于或者趋于该工作区，以用于应对下一次的功率冲击。

对于储能系统所有的控制目标最终都可以转化为对储能电源电流的控制，所以储能系统的能量管理归根结底是对储能单元充放电电流的控制。根据储能系统工作时各储能单元间的电流分配将储能系统的工作状态分为如下几种状态。

状态一：储能系统稳定充放电状态

当储能系统需提供或者吸收稳定功率且超级电容电量已在期望值附近时，储能系统所需提供或吸收的能量应当都由蓄电池提供或者吸收。

状态二：储能系统充放电功率阶跃或者波动

当储能系统所提供或吸收的功率波动或者发生突变时，波动功率或者冲击功率应当由超级电容响应，以保护蓄电池。在储能系统响应阶跃功率时，蓄电池则应缓慢调节以适应新的功率要求，在蓄电池可稳定提供新的功率值时，超级电容应停止充放电，仍由蓄电池提供所需功率。

状态三：储能系统大功率放电状态

当储能系统需大功率放电时，该功率超过了蓄电池正常放电功率的上限，应当对蓄电池功率进行限制，避免蓄电池大电流放电，不足功率应由超级电容提供，二者共同响应大功率放电要求。

状态四：储能系统能量自动平衡状态

在超级电容经放电电量偏离期望值时，应当以最快速度给超级电容补充电量至期望值，以响应下次的功率冲击。

状态五：储能系统满电状态

储能系统的充电应优先保证超级电容的电量快速达到期望值，在保证了超级电容的电量后给蓄电池充电。在长时间充电后，蓄电池荷电状态达到上限值时，蓄电池停止充电。

状态六：储能系统低电状态

储能系统在长时间放电后达到低电状态，蓄电池荷电状态达下限值时，蓄电池停止放电，能量全部由超级电容提供，直至超级电容电量值达下限。

（a）蓄电池荷电状态分区

（b）超级电容荷电状态分区

3  混合储能系统的能量管理策略

为使得混合储能系统在各种工作状态下都能够稳定地工作，有一个相应的能量管理策略来控制储能系统中储能单元的能量流动是非常重要的。

3.1  混合储能系统功率的初次分配

混合储能系统的能量管理中的首要问题就是蓄电池和超级电容的功率实时分配的问题。比较简单实用的方法是使用低通滤波器对混合储能系统功率PHESS进行滤波，将滤波后得到的部分作为蓄电池的功率补偿指令Pb，然后将剩余的部分交由超级电容补偿，记为Pc。这样就完成了混合储能系统功率PHESS在蓄电池和超级电容之间的分配：

上式中，ts为低通滤波时间常数，可根据蓄电池需要补偿的功率的频率选取;Pb与Pc分别为蓄电池和超级电容经功率初次分配后的功率参考值。

通过滤波器对储能系统功率进行分配可以使系统满足储能系统在状态一与状态二下的功率分配要求，即储能系统工作在状态一：储能系统稳定充放电时功率由蓄电池提供;储能系统工作在状态二：储能系统充放电功率阶跃时冲击功率由蓄电池提供。蓄电池响应总电流的低频分量，而超级电容响应总电流的高频分量，通过调节低通滤波器的时间常数可以改变蓄电池对电流变化的响应速度。

3.2  最大功率限值策略

当系统要求补偿的功率超过了蓄电池或超级电容的充放功率，或者，蓄电池或超级电容的电量已经达到限值，不允许再继续放电或继续充电时，若继续使用滤波器分配后的功率值作为储能单元的充放电指令，会造成储能单元的过充或者过放，甚至损坏储能单元。因此，需要进一步修改蓄电池与超级电容的功率指令，保护储能单元在功率允许范围内正常运行。故应当在滤波器中对储能系统功率分配后对分配值进行相应的限制，在功率指令超出限制时，按限值进行充放电

图中电流i大于0时表示储能单元放电，i小于0表示储能单元充电。储能系统工作在状态五和状态六时，即储能单元电量满，限制对其继续充电，而当储能单元电量低时，限制对其继续放电。在充电时，优先保证超级电容达到期望电量值。在放电时，当蓄电池电量用完时，由超级电容独立响应放电要求直至其电量用完。因不同情况下对储能单元的电流限制是不同的，故采用了动态限幅环节。限幅值由储能单元的电量确定，如图2所示。

3.3  蓄电池与超级电容电量协调控制策略

超级电容能量偏离期望值时，需采取一定措施使超级电容重新储满电能以应对下一次的功率峰值。考虑采用对滤波后的电流值添加一个偏置值来实现控制目标。这样不仅实现了对超级电容电流的调节，而且总电流并没发生变化，即对外特性不变。

如图3所示，电流的期望偏置的大小与超级电容实际电量与期望值的偏差决定：偏差较大时，应当以尽可能大的电流对超级电容充/放电，使电量尽可能快的恢复期望范围，在接近期望值时逐渐减小充/放电电流，直至电量达到期望值，充/放电电流变为为零，即偏置值变为零。

当电流波动较大时，会导致电容电量明显有所波动，故会对偏置电流产生影响，最终使蓄电池电流出现明显波动。所以在偏置电流计算环节后加上滤波环节，减小偏置电流的波动对蓄电池电流的影响。

4  结  论

含混合储能的微电网在近些年中的发展受到普遍的关注，混合储能系统的能量管理也逐渐彰显出重要性。对混合储能系统进行能量管理，可将蓄电池高能量密度以及适合稳定充放电的特点，与超级电容高功率密度以及适合高频循环充放电的特点结合，形成优势互补，改善供电系统的可靠性，且使电池的循环使用寿命更长，微电网的运行成本也能够得到有效的控制。

参考文献：

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作者简介：高宇（1993.09-），男，汉族，江苏泰州人，硕士研究生，研究方向：电力电子与电力传动。