分布式新能源发电中储能系统能量管理

王泽毓 刘云照 彭涛 周君 赵润英

摘 要：本文重点研究了超级电容与蓄电池组成储能系统的能量管理，依据这两种储能装置的优缺点、分布式发点系统状态与冗余容量，把储能系统工作模式进行分类，对不同种类的工作模式使用不同的控制措施，充分发挥超级电容与储蓄电池的优势，使系统内部功率得到平衡，降低外部电网被海洋能、生物质能、氢能等新能源发电系统功率波动的冲击，并实现孤岛运行。通过使用分布式新能源发电系统的仿真模拟与实验平台，最后进行控制策略的验证。

关键词：分布式;新能源;发电

引言：

随着生物质能、氢能等新型能源的不断崛起，分布式发电系统需要具备在孤岛条件下运行的本领，而且需要供给当地负载可靠持续的电能，还要降低外部电网受到新能源输出功率波动的影响，因此储能系统是必要的。所以我们期待一种储能装置具备低成本、长寿命、易修护并且响应灵敏、储存密度高。当前广泛是用在微电网、电动车等方面的储蓄电池往往具备了低成本、容易维修、较大的储蓄率等优势，但它也有一些不容忽视的小缺点，比如充放电的次数比较少，响应的速度较慢等等，这样在和太阳能、氢能等新型能源发电系统配合时这些缺点被放大，显得尤其明显。超级电容具备了响应时间短暂、可以反复充电次数较多的优势，因而把这两者结合起来作为储能系统，通过协调控制能量管理系统与电力电子变流器，让这两个储能装置可以充分发挥自身的优势，满足储能系统要求，这样的方式广泛的使用在分布式新能源发电。

一、储能系统工作模式

蓄电池与超级电容的冗余容量决定着系统能量管理。超级电容的冗余容量和端电压的平方为一次函数，所以测量超级电容端的电压就能够得到它的冗余容量。但是蓄电池的工作端电压和冗余容量之间没有函数关系，就需要间接测量蓄电池的冗余容量，所以需要其他的方式来进行测量。依据着储蓄电池与超级电容的特征，把超级电容SOC设置在20%到90%之间，这是超级电容的正常工作状态，小于20%的状态是低容量状态，大于90%的状态是高容量;蓄电池SOC设置在30%到90%之间，同理大于或小于90%和30%都不是蓄电池的正常工作状态。因此，在实际工作中不会出现如下图所示的这九种模式。

我们对不同的模式使用一种控制方式，在储能系统工作时，通过检测蓄电池与超级电容的冗余容量与外电网的状态来确定使用的储能控制方式。把这九种模式分成四大类：都正常、超级电容异常、蓄电池异常，都异常。本文重点介绍了储能系统在不同模式的条件下并网与孤岛运行的控制方式。

二、储能系统正常模式

蓄电池与超级电容均正常，这是最为常见的工作模式。因为风能、氢能等具有间歇性，并且分布式新能源发电系统当地负载的变化相对来说也比较突然，就有很大可能出现瞬时功率变化的问题，即高频功率波动，并且蓄电池充放电的时间较长，不能做到短时间响应高频功率波动，所以就需要超级电容来消耗掉这部分多余的功率;但是超级电容存储量是有限的，就需要蓄电池持续可靠供电。

在并网或者孤岛运行时，都能够使用如上图所示的控制框图，例如蓄电池的额定容量和剩余容量都比较大时，可以调节增大K，使得蓄电池负担较大的功率。在并网孤岛运行过渡时，通过超级电容短时间内就可以进行充放电过程的优势保证过渡环节的功率平衡，这种方式也适合过渡过程。

三、超级电容异常模式

超级电容异常模式的情况下，蓄电池冗余容量工作状态正常，超级电容容量过大或过小，这样就影响了储蓄系统吸收或释放高频功率的能力，可能会导致整个储蓄系统失去自身应该具有的对天气改变或负载突变的快速响应的能力。所以，尽快处理这种异常模式，维持储蓄系统的稳定平衡。

并网运行时，可以认为外部电网是无穷大的电网，超级电容能够吸收外部电网的能量或者把冗余的能量传给电网，直至超级电容达到正常的工作状态，然后将控制方法改变成正常模式。因为超级电容的存储能量比较小，即使这种方式会冲击电网，但是它所造成的影响力是有限的，为了平衡分布式新能源发电系统的稳定，这种做法是比较合乎实际的。

四、蓄电池异常模式

蓄电池处在异常工作状态，而超级电容冗余容量正常，这样就会造成蓄电池冗余容量过大或过小，然后造成微电网系统长时间内工作能力降低，严重影响了分布式新能源电力系统的可靠性，需要短时间恢复正常。

并网运行过程中，这与超级电容异常状态非常相似，通过和外部电网进行能量传递的方法使蓄电池冗余容量恢复到正常。这样的方法同样会对电网的运行产生一定的影响，但是和新能源发电系统直接并网对比这样的影响会小许多。

孤岛运行时，同样需要超级电容经由直流母线传递给蓄电池能量，但是因为超级电容存储的能量有限，想要使储蓄电池到正常状态，仅仅依靠这种方式是远远不够的，在没有负载的情况之下，系统也没有剩余的能量传递给蓄电池，这样的结果是不符合期望的，所以需要经过超级电容把能量传给蓄电池，等外电网恢复之后，再通过外电网给蓄电池充电到正常工作状态。

五、超级电容、蓄电池均异常模式

首先考虑超级电容冗余容量和蓄电池冗余容量都过低和超级电池冗余容量与蓄电池冗余容量都过高这两种情况，不管是在孤岛运行还是并网时，都能够经由直流母线达到平衡，进入到上面所述的两种状态模式下，再进行控制。

如果是蓄电池和超级电容的剩余容量均过高的情况，并网运行时，储能系统把过多的能量传输给电网;孤岛运行时，需要新能源的控制器舍弃最大功率点跟踪，调控输出功率小于负载的吸收，差值通过储能系统进行输出，直到达到正常状态，新能源重新开始正常状态工作。

在蓄电池和超级电容的冗余容量都过小的情况下，并网运行，储能系统经由电网吸收能量，使储能系统转到正常状态;孤岛运行时，如果风能和太阳能在正常工作状态下不能够满足负载的需求，这样只能切除一些不重要负载，平衡分布式新能源发电系统的持续稳定，等到新能源输出更大的能量或着外部电网恢复之后再重新进行并网，这种情况是比较糟糕的。

结束语

本文把由超级电容与蓄电池组合的满足分布式新能源电源发点系统的储能系统依照冗余容量分为不同种类工作模式，依据组合储能系统中蓄电池容量大、超级电容响应时间短的优点，对不同种类的工作模式做出了不同控制方法，依据这些控制方法能够实现平衡分布式新能源发电系统内部功率，降低了冲击对外部电网的影响，做到孤岛运行，而且介绍了储能系统双向变流器控制方法，通过控制变流器，做到对组合储能系统能量的有效管理。

参考文献

[1]董博， 李永东， 郑治雪. 分布式新能源发电中储能系统能量管理[J]. 电工電能新技术， 2012（01）：24-27+98.

作者简介：

王泽毓，云南电网有限责任公司丽江供电局，助理工程师

刘云照，云南电网有限责任公司丽江供电局，助理工程师

彭涛，云南电网有限责任公司丽江供电局，工程师

周君，云南电网有限责任公司丽江供电局，助理工程师

赵润英，云南电网有限责任公司丽江供电局，无职称