分布式電網中混合儲能系統的接入型式探討

潘聰，王春明，劉松，李乾，石朝泓

（解放軍理工大學國防工程學院，南京 210007）

0 引言

分布式微電網是可再生能源的主要應用型式，但可再生能源在運行中存在一定限制，如燃料電池響應速度慢，而風能、太陽能等發電受自然資源條件制約，隨機性和波動性大，電能質量調節困難，限制了其大規模應用[1]。

研究發現，在新能源發電系統中配置一定量的儲能裝置能夠加大系統慣性，提高系統穩定性，是解決上述問題的關鍵技術之一。儲能可分為能量型儲能和功率型儲能，能量型儲能（如蓄電池）能夠大規模存儲電力，但受循環壽命和功率限制難以承擔系統中高頻和沖擊性的功率波動[2]；功率型儲能（如超級電容器）充放電速度快、功率輸出能力強，卻因能量密度低而難以承擔對大幅度功率的調節[3]。將兩者結合使用，能最大程度發揮不同儲能的特性，解決單獨使用能量型或功率型儲能系統時所受的制約。為充分發揮混合儲能系統的優越性，一個合理的結構至關重要。本文以典型的蓄電池-超級電容器混合儲能系統為研究對象，探討了混合儲能系統在接入分布式電網時的結構選型和設計，為下一步混合儲能的應用研究提供理論支撐。

1 超級電容器與蓄電池混合儲能特性

1.1 單一儲能方式存在的問題

蓄電池是目前最成熟的儲能形式。但存在以下缺陷：①蓄電池長期處于充放電小循環過程，過沖和過放現象時有發生，導致蓄電池適用壽命大大縮短；②蓄電池功率密度小，在沖擊性負荷投切時往往承擔大電流的沖擊，功率輸出能力不足且影響其壽命；③蓄電池由于其電化學反應速率的限制，響應速度慢，無法適應高頻、快速的能量變換場合。

功率型儲能器件超級電容器內部物理結構如圖1所示。其基本工作原理是將電荷存儲于內部多孔電極和電解液形成的雙電層內。由于多孔電極的表面積非常高（如活性炭電極可達3000 m2/g以上），則根據電容容量計算式（1）可知，其電容量遠高于傳統電容器[4]。

式中，C為電容值；ε0為真空介電常數；ε為相對介電常數；A為雙電層面積；d為雙電層厚度。

圖1 超級電容器原理結構圖

同時，超級電容器的等效串聯內阻低，功率釋放能力強，而且使用過程不發生化學反應，因此其充放電過程可認為是完全可逆的，循環壽命非常高，理論上可達105次。憑借其功率密度大、充放電速度快、循環壽命長等無可替代的優良特性，超級電容器很快受到人們的青睞并迅速發展，在電動汽車、能量制動回收、電能質量改善等領域得到廣泛應用。然而，在大規模電力儲能方面，超級電容器能量密度小和價格較高的缺陷成為其推廣應用的瓶頸，單獨應用于功率平抑時效果欠佳[5]。盡管近年來石墨烯、導電聚合物等高表面積電極材料研究取得較大進展[3]，但仍無法在短時間內使其能量密度有較大幅度提升。

因此，單獨使用蓄電池或者超級電容器都無法滿足新能源發電系統對于儲能裝置高能量密度、高功率密度、長循環壽命、免維護等要求。

1.2 混合儲能的優勢

通過對蓄電池和超級電容器儲能特性的對比（見表 1）可以發現，兩者在性能上各有特點并且形成很好的互補，若能將兩者配合使用，理論上能夠得到兼具兩者優點的新型儲能裝置。

相關研究已經表明，使用蓄電池和超級電容器混合儲能可以大大改善系統性能，比如提高峰值功率輸出能力，減小內部損耗，延長工作時間等[9-10]。

2 混合儲能方式研究現狀與分析

分布式電網有交流、直流和交直流混合等幾種組網形式，因此，儲能系統有多種不同的接入型式，以適應不同的電網結構。

表1 超級電容器與蓄電池性能對比

2.1 交流側并聯接入

在交流微網系統中，混合儲能系統于交流側并聯[6-7]，有利于儲能系統直接參與電能調節，其典型結構如圖2所示。在具體應用中，兩個并網逆變器之間可以協調配合，完成能量的內部分配，控制方法靈活，可靠性高。

但是，蓄電池和超級電容器都是直流儲能設備，使用逆變器并網時電能變換環節增多，損耗大、成本較高，在控制設計方面涉及耦合因素多、較復雜。

圖2 蓄電池和超級電容器交流側并聯結構

2.2 直流側并聯接入

隨著光伏、燃料電池等直流新電源的廣泛應用，基于直流母線的分布式電網迅速發展。在直流電網中，蓄電池和超級電容器可以直接與直流母線連接，避免了能量形式的多次變換，是當前的一個研究熱點。目前，直流側接入型式主要可以分為無源并聯結構和有源并聯結構。

2.2.1 蓄電池與超級電容器無源并聯結構

蓄電池和超級電容器直接并聯結構主要有以下兩種：

1）蓄電池和超級電容直接并聯結構

這是最簡單的混合儲能結構，如圖3所示。在直接并聯電路中，由于超級電容器內阻小，響應速度快，在功率突變時，能夠大幅度減小蓄電池的最大輸出電流，提高混合春泥更系統功率輸出能力，減小內部損耗，延長工作時間[8]。直接并聯系統具有較好的可靠性和經濟性，有一定的使用價值。

圖3 蓄電池和超級電容直接并聯

但是直接并聯結構未考慮兩者之間特性的明顯差異，在運行中存在以下問題[9]：蓄電池端電壓變化較小，具有鉗位作用，因此超級電容器組電壓必須與它保持一致，導致其能量利用率較高和串并聯組合方式受限；負載端電壓隨著蓄電池組端電壓的變化而變化，電壓紋波較大，影響負載工作性能；系統的功率輸出能力只取決于蓄電池和超級電容器的自身參數，能量流動不可控，在實際應用中靈活性不夠。

2）蓄電池和超級電容器通過電感并聯

針對直接并聯結構中的問題，提出了蓄電池通過電感與超級電容器并聯的結構[13]，如下圖 4所示。并聯電感能夠對蓄電池的輸出電流進行濾波，減小輸出電流紋波，降低內部能量損耗。該結構能優化蓄電池的充放電過程，提高了儲能系統效率，但仍存在著系統配置不靈活。負載端電壓紋波大等缺陷。

圖4 蓄電池通過電感與超級電容器并聯

2.2.2 有源并聯結構并聯

蓄電池與超級電容器的直接并聯存在問題的關鍵在于混合儲能系統的輸入輸出不可控，僅依靠并聯電路的自身參數調節，并不能完全發揮兩者的性能優勢。同時，也只能在一定程度上減小蓄電池的電流沖擊，對其工作過程的優化能力不足。雙向直流變換器的發展為解決此問題提供了思路，將雙向DC/DC變換器應用與混合儲能中，能通過變換器不同的工作模式實現靈活的控制，最大限度地提高能量利用率，優化蓄電池工作過程，具有較好的發展前景，主要有以下幾種結構類型：

1）超級電容器通過雙向變換器與直流母線并聯結構

在此結構中，蓄電池直接并聯直流母線，超級電容通過雙向 DC-DC變換器向直流母線提供瞬時功率，保護蓄電池免受沖擊，如圖5所示[10]。正常工作時，主要由蓄電池提供和吸收能量。蓄電池與超級電容器得到解耦控制。該結構通過雙向變換器的恒壓輸出控制解決了超級電容器端電壓變化較大帶來的問題，但蓄電池電壓需與直流母線電壓在同一等級，仍需承擔一定的高頻電流波動，無法最很好地解決蓄電池的壽命問題。

2）蓄電池通過雙向DC/DC變換器與母線并聯

蓄電池與直流母線間加入雙向 DC-DC變換器，超級電容器則與直流母線直接并聯。該結構便于超級電容器對直流母線能量進行快速補充和動態存儲，可以減小蓄電池承擔的功率波動，有利于延長蓄電池壽命。

圖5 超級電容器經雙向變換器與蓄電池并聯結構

但這樣就要求配置較大容量的超級電容器，儲能成本增加。同時，超級電容電壓變化范圍寬，對其他發電單元接口設計要求高，且不利于系統的穩定運行。

3）蓄電池和超級電容分別經雙向變換器與直流母線并聯結構[11-14]

為了得到更好的能量分配和管理性能，提出了蓄電池和超級電容分別經兩個雙向直流變換器與直流母線相連的結構。這樣就可以根據系統對儲能裝置功率輸出的要求，通過合理設計變換器的控制策略，控制兩個儲能設備輸入/輸出功率的大小，高效靈活，是目前主流的研究方向。

但是采用了兩個變換器，功率變換器的損耗較大，能量管理和協調控制也變得復雜，這也是目前混合儲能系統應用需解決的核心問題。

4）蓄電池經雙向變換器與超級電容并聯

最新的研究中有文獻提出一種基于兩級變換器的混合儲能結構[22]，蓄電池經過雙向 DC-DC變換器與超級電容器并聯后，再通過雙向DC-DC變換器與直流母線相連，如圖6所示。通過兩級變換器控制儲能設備的充放電情況，且蓄電池能夠實時調節超級電容的荷電狀態，以保證超級電容器能夠及時響應直流母線的波動。該結構的問題在于蓄電池與直流母線間的能量傳遞需經兩個變換器單元，損耗及成本增加，而且對初級變換器的功率等級和響應速度要求極高，比較適用于小功率場合。

圖6 蓄電池與超級電容器通過兩級雙向變換器并聯

5）蓄電池和超級電容器通過多端口變換器接入

針對常規變換器接入型式存在的問題，一些學者開始研究多端口變換器[15-17]，希望采用具有多端口的雙向 DC-DC變換器將蓄電池、超級電容和直流母線結合在一起，如圖7所示。該結構更易于實現混合儲能系統的集中控制和能量管理，但是存在可靠性和容易造成環流等問題，并且對變換器的參數設計要求較高，目前應用較少。

圖7 蓄電池和超級電容器通過多端口變換器接入結構

3 結論

從以上對超級電容器-蓄電池混合儲能系統接入型式的分析可知，不同的接入型式適用的場合也不一樣。并聯接入型式的控制性能和控制復雜度是一對矛盾，應在滿足應用需求的前提下，選擇一個實現代價最小的方式。現階段通過雙向DC/DC變換器并聯是較高效的做法，從長遠的發展來看，為提高混合儲能系統的效率和控制靈活性、延長儲能設備的使用壽命，采用多端口一體變換器接入母線是發展前景較好的方式。

[1]國家電網公司“電網新技術前景研究”項目咨詢組.大規模儲能技術在電力系統中的應用前景分析[J].電力系統自動化, 2013, 37（1）: 3-8.

[2]Smith T A, Mars J P,Turner G A.Using Supercapacitor to improve battery performance[C]. Power Electronics Specialists Conference 2002 IEEE 33rd Annual,23-27 June 2002, 1: 125-128.

[3]王菊芬, 李宣富, 楊海平等.光伏發電系統中影響蓄電池壽命因素分析[J].蓄電池, 2002,39（2）:51-54.

[4]Korz R,Carlen M.Principles and applications of electrochemical capacitors[J]. Electrochimica Acta,2000, 45(15-16): 2483-2498.

[5]蔣平, 熊華川. 混合儲能系統平抑風力發點輸出功率波動控制方法設計[J]. 電力系統自動化, 2013, 37（1）: 122-127.

[6]Dougal R A,Liu S,White R E.Power and life Extension of Battery-Ultracapacitor Hybrids[J]. IEEE Trans on components and packaging technologies,March 2002, 25（1）: 120-131.

[7]Palma L, Enjeti P,Howze J W. An approach to improve battery run-time in mobile applications with supercapacitors[C]. Power Electronics Specialist Conference 2003, 15-19 June 2003, 2: 918-923.

[8]李逢兵, 謝開貴, 張雪松, 汪科, 周丹, 趙波. 基于鋰電池充放電狀態的混合儲能系統控制策略設計[J]. 電力系統自動化, 2013, 37（1）: 70-75.

[9]閆曉金, 潘艷, 寧武, 陳永真. 超級電容-蓄電池復合電源結構選型與設計[J]. 電力電子技術, 44（5）:75-77.

[10]戴崇, 孫雯, 金明. 微電網中混合儲能技術應用前景的探討[J].電源技術, 2013, 37（5）: 817-820.

[11]張國駒, 唐西勝, 齊智平. 超級電容器與蓄電池混合儲能系統在微網中的應用[J]. 電力系統自動化,2010, 34(12): 85-89.

[12]丁明, 林根德, 陳自年, 羅亞橋, 趙波. 一種適用于混合儲能系統的控制策略[J]. 中國電機工程學報,2012,32（7）: 1-6.

[13]張國駒, 陳瑤, 唐西勝, 于蓉蓉. 基于波動特征參數的多類型儲能協調控制[J]. 電工技術學報,2013,28（6）: 271-276.

[14]劉志文, 夏文波, 劉明波. 基于復合儲能的微電網運行模式平滑切換控制[J]. 電網技術, 2013, 37（4）:906-913.

[15]于芃, 趙瑜, 周瑋, 孫輝, 全程浩, 劉劍, 宋穎巍,劉巖. 基于混合儲能系統的平抑風電波動功率方法的研究[J]. 電力系統保護與控制, 2011, 39（24）:35-40.

[16]Zhan Wang, Hui Li.Unified Modulation for three-phase current-fed bidirectional DC-DC converter under varied input voltage[C]. IEEE APEC,2010: 807–812.

[17]Huafeng Xiao,Shaojun Xie.A ZVS Bidirectional DC-DC converter with phase-shift plus PWM control scheme[J]. IEEE Trans. on Power Electronics, 2008,23(2): 813-823.