蓄电池超级电容混合储能系统研究

摘要：本文主要针对蓄电池超级电容混合储能体系进行研究，针对蓄电池与超级电容不同的特点，采用适合的混合储能交流的模式进行控制，保证蓄电池与超级电容混合体系之间的协同，并运用软件对控制策略进行其有效性的验证针对两种不能的储能元件之间的具体的功率的分配以及其符合情況进行研究工作的开展，更好的对其进行研究。

关键词：蓄电池;超强电容;混合储能

目前正是“十四五”开局之年，我国也迈入到全面建设现代化国家的关键阶段，能源行业也进入到了转型的关键时期，比如可再生能源并网、智慧电网的直流系统等都进行了改造升级。而混合储能可以将蓄电池与超级电容的优点进行联合使用，可以最大的发挥储能的技术性能，适应时代的发展。

1 混合储能系统结构与控制方式

锂电池与超级电容所构成的混合储能系统其组成的阵列是由储能单体进行串并联所组成的，并通过储能变流器以及单体串并联构成的。储能变流器是通过必要的电子设备所构成，其最主要的作用是通过对开关的开通与关闭来进行储能系统的充电与放电，并且利用系统的滤波功能来实现外部因素对于混合储能系统的一些影响。

1.1 超级电容储能系统的控制

超级电容是功率型的储能，其具有相应速度快、循环寿命长的优点，并且可以用来响应外界的高频率波动。其一般是通过PQ的控制方式来对外界中频繁变动的功率的波动进行吸收。因为超级电容的能量密度相对较小，其电压的范围又相对较广，一般情况下应该选择三重化双向的DC/DC以及双向的DC/AC的变流器作为超级电容储能系列的控制接收。

对于远程运行过程中蓄电池超级电容储能系统的控制主要是分为两个部分，双向的变向器主要采用的是跟踪有功功率的控制方式，通过并网变流器的使用，对直流母线电压进行更好的控制。对于开关而言，其需要在时序上面相差120度，从而减小电流文波，不断的将动态性能进行改善，并起到一定的备用作用，从而大幅度的减少波动频繁而导致的功能需求不足。

1.2 蓄电池储能的系统控制

蓄电池是较为常用的能量型的储能方式，其可以用来制定功率进行充电或者是放电，从而将其作为整个系统中的一个平衡点，对系统功率的平衡以及整体稳定的频率进行调节，满足功能平稳的需求。对于蓄电池储能系统的控制主要是采取PQ控制的运行方式。在蓄电池系统进行整体功率调节的过程中，其双向并网变流器主要就是由PQ进行控制的，其具体的控制过程如图1所示。在图1当中，Pref_ib，Qref_1b分别代表有功功率以及无功功率，但其表示的是超级电容器储能的相关数据，同样的Plb、Qlb、Ud_ 1b、UcLlb、Id 1b、也都是代表的超级电容中的有功功率、无功功率、直轴电压、胶州电压、直轴电流等，w代表的是具体的角速度。

如果是蓄电池作为整个系统的主要电源的时候，那么双向并网并流器的控制采用的是V/f进行，从而保证蓄电池在为整个系统提供能量的时候的电压频率是恒定的，为整个系统提供稳定的交流电压。V/f控制作为蓄电池系统方式的框架图如图2所示。

1.3 混合储能系统的控制策略

在针对蓄电池超级电容的混合储能系统的特点进行具体分析之后，主要采用滤波器对混合储能的体系进行滤波等操作，从而可以对超级电容的储能进行有效的指令，再将其剩下的功率进行转化并进行集中的分配。

2 蓄电池超级电容混合储能系统结构及建模

本文主要针对蓄电池超级电容混合储能系统进行研究，要向针对其进行系统设计控制策略的研究，首先需要对其具体的结构进行了解，再此基础之上进行建模。并且要根据不同的应用场景与需求，对储能元件中的电路模型以及母线的介入方式进行改变。

2.1 储能元件母线介入方式

在直流微电网当中，蓄电池超级电容混合储能体系母线的接入方式主要有四种方式。第一种是储能元件直接流入母线，第二种是镜超级电容流入母线，第三种是经蓄电池流入母线，最后一种是分别经过蓄电池超级电容之后流入到母线当中。

2.2 蓄电池超级电容混合体系直流微网结构

一般情况下，蓄电池超级电容的混合体系主要是应用在直流微网当中，这一网络分别还是由电源、混合储能、直流负载以及相应的功率变化器所组成的，其可以实现功率与储能之间的双向流动。

2.3 储能元件以及电路模型

2.3.1 蓄电池充放电以及电路模型

蓄电池是运用最多的一种能量型的储能元件，在相同的体积之下，蓄电池的储能要远远超过超级电容。在蓄电池充放电的过程中，电池在开路的过程中电压还是相对比较平稳的，除了在放电的初期以及在电量即将耗尽的时候，曲线有着相对较大的波动之外，在其他时间都是相对稳定的，从中可以得知蓄电池的放电性能在外界的影响下变化相对较小。在以蓄电池作为主电源的过程中，整个系统处于相对稳定的状态，但其具有相对较低的紧急性，在对其进行设计的过程中，一般是采用最为简单的蓄电池的等效模型。

2.3.2 超级电容的放电特性以及电路模型

伴随着近些年来固态离子技术的不断发展，电容器的体积不断的缩小，在这种情况下，新型的电力储能元件也就是超级电容出现，其电容容量远远大于普通电容，其在保留了原本电容的放电速率的基础之上，电荷的储存量也得到了大大的提高。

超级电容具有电化学电容以及双电层电容两种类型，采用双电层电容具有原料易得、成本较低、性能稳定等优点，使得其成为了当前使用最多的超级电容类型。蓄电池发生的是复杂的化学反应，而超级电容发生的是物理反应。因此，超级电容发生变化的速度要快得多，这也就决定了超级电容的放电速度远远大于蓄电池的充放电的速率。超级电容作为一种非常复杂的阻容网络，采用分布式描述的数学模型是更加准确的。

3 基于下垂法改进的功率分频控制策略

传统的下垂法具有即插即用、无需通信的分布控制策略的诸多优点，但其不能改变频率问题。蓄电池超级电容混合体系可以改变这一问题，从而使得蓄电池超级电容分别发挥其自身的优势，为此提出了一种虚拟电阻、电容的功率自主分配的策略。

3.1 基于虚拟电容的改进下垂控制

传统情况下的下垂控制与并联分流类似，但其并不会伴随着频率发生变化。在虚拟电阻得到确定之后，那么储能模块分配的功率也就得到了确定。将传统下垂控制看成是双向的变换器输出侧串接的一个虚拟电阻，将虚拟电阻转化为超级电容，那么其等效电路如图4所示。

这种改进下垂控制策略主要是利用了电容“隔直通交”的特性，当系统趋向于高频的时候，储能单元也会参与到母线功率的波动中。

3.2 蓄电池超级电容混合储能体系分频控制策略

在进行分频控制策略的设置时将母线电压的额定值设置为变化器的输出电压的参考值，在系统正常运行的情况下，这一混合储能体系中的具体公式如下式所示。为了更好的对混合体系进行控制，其还应该对参数值进行设置，并且不断的提高响应的速度。

3.3 仿真验证

在对本文中的混合储能体系功率自主配置策略的研究中采用的是Simulink进行系统仿真模型的设计，其中包含超级电容、蓄电池电阻负载以及变换器等。首先对混合系统采用的是下垂控制策略，通过电阻的模拟值的设置。在负载功率发生突变的情况下，蓄电池变化器的输出电流以及超级电容都会瞬间响应功率的需求。电流的变化速度也是十分迅速的，超级电容一段的电压也是始终在发生变化，蓄电池与超级电容都是按照下垂的比例进行负载电流的分配。

4 总结

伴随着对可再生能源的不断深入研究，用于缓冲微网内功率不平衡的波动的储能设置也成为了当前人们研究过程中的热点问题。本文在经过对蓄电池超级电容进行研究之后证明了混合储能系统在利用超级电容提供的负载比率的运行方式之后，其对电流的突变量进行了缓冲，稳定了系统中的交流母线的输出电压以及电流的波形，充分的利用蓄电池以及超级电容的优点，保证了整体系统的高效率。

参考文献

[1]张勤进，孙小童，刘彦呈，庄绪州，许晨，蓄电池/超级电容混合储能系统协调控制策略[J].电源技术，2020，44 （09）：1345-1347+1365.

[2]孙小童，蓄电池与超级电容混合储能系统控制研究[D].大連海事大学，2020.

[3]白洁，蓄电池与超级电容混合储能系统功率控制研究[D].燕山大学，2019.

作者简介

何鸿天，男，江苏省南京市人。硕士学位，毕业于南京工程学院电气工程及其自动化专业。