混合儲能在微電網系統中的應用

張繼紅，王澎續，楊培宏

(內蒙古科技大學 信息工程學院，內蒙古 包頭　014010)

混合儲能在微電網系統中的應用

張繼紅，王澎續，楊培宏

(內蒙古科技大學 信息工程學院，內蒙古 包頭014010)

摘要：介紹了混合儲能的工作原理及作用，設計了相關充放電拓撲結構。針對微電網運行時慣性不足、容易產生電壓頻率波動及單一儲能存在的嚴重缺陷等問題，提出了基于蓄電池與超級電容混合儲能的分層平抑功率波動方案及相關控制策略。該策略采用自適應協調下垂控制方法，在優化儲能容量配比的基礎上進行功率波動抑制，有效發揮了兩類儲能的互補優勢，同時滿足了能量密度與功率密度的要求，保證了電能質量。利用PSCAD/EMTDC軟件進行仿真，證實了控制策略的可行性。

關鍵詞：微電網；混合儲能系統；平抑功率波動；電能質量

以化石燃料為基礎的傳統工業曾為人類發展做出了巨大貢獻，但同時也帶來了難以修復的環境污染及能源危機問題。近年來，隨著世界各國節能減排意識的增強，以太陽能、風能等分布式、可再生能源的利用和研究成為人們關注的焦點。為提高可再生能源利用效率，減小分布式電源接入對大電網的沖擊，微電網的提出為高滲透率的可再生能源發電提供了可能[1-5]。微電網能夠充分整合太陽能、風能資源并通過一定的技術手段為其并網接入提供了保障。另外，儲能系統的設置可以有效抑制分布式發電過程功率波動問題，對于保證微電網穩定、可靠運行發揮了至關重要的作用。文獻[6-8]針對單一儲能設備的拓撲結構進行了深入研究，其中，抽水儲能是利用電網低谷時的剩余電力將水從低水庫抽到高水庫，在用電高峰時借助回流水力推動水輪發電機進行發電，主要用于電力調峰和備用中，但缺陷在于選址困難、投資大、周期長及損耗高等。壓縮空氣蓄能也是利用電力低谷時的剩余電量驅動電機壓縮空氣并儲存能量，在用電高峰時做功發電，但此方案存在效率低，對選址有一定要求且依賴常規化石燃料；飛輪儲能是利用高速旋轉的飛輪以動能的形式將能量進行儲存，需要能量時則飛輪減速運行，釋放出存儲的能量。但也存在能量密度低、自放電率高等不足之處，如停止充電，能量將在一定時間內自行耗盡；超導儲能是利用零電阻材料制成的儲能裝置，但開發難度較大，無法在商業市場大規模推廣應用。

鋰電池儲能是一類由金屬或氧化物作為極性材料、使用非水電解質溶液的電池，能量密度大，效率可達95%以上，放電時間長，循環次數可多達5 000次，技術成熟，可以提供較大電能，但充電時間長且功率響應較慢；超級電容器儲能原理是采用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構來獲取超大的電容量。超級電容器的充放電過程始終是物理過程，充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節能環保，屬于功率型的儲能設備，主要應用于快速補充能量或負荷突變的應急情況。由于缺點的限制，單一的儲能設備將很難滿足微電網運行功率和能量密度的需求，因此，必須結合兩種或更多的儲能組成混合儲能系統，混合儲能技術不僅兼具了能量密度和功率密度的優勢，同時具備較強的互補性。由于蓄電池和超級電容應用較早，技術成熟且性價比高，是當前微電網中混合儲能的最佳搭配[9，10]。

1混合儲能系統的拓撲結構

1.1直流側并聯

超級電容和蓄電池在直流側并聯，用DC/AC變流器與電網連接的情況大致可分為以下4種：(1)UC和蓄電池直接并聯；(2)UC和蓄電池通過DC/DC并聯；(3)蓄電池接DC/DC，UC與直流母線并聯；(4)UC接DC/DC，蓄電池與直流母線并聯。通過對直流母線電壓的控制進行功率調節，控制上較簡單。本文以較普遍的情況(2)為例進行比較。直流側并聯拓撲結構如圖1所示。

圖1　直流側并聯拓撲結構

該結構簡單、成本低、系統效率高、響應速度快，可以使電池和UC放電更徹底，優化設計系統的額定容量。但使用DC/DC變流器產生功率損耗并使系統成本增加、效率降低。

1.2交流側并聯

如圖2所示拓撲中UC和蓄電池通過DC/AC變流器在交流側并聯。每種儲能設備單獨配置雙向變流器，不僅能夠快速響應網側的電壓、頻率變化，且通過變流器實現對參考功率的準確追蹤，各儲能可以對微電網的輸出功率集中控制和調節，實現微電網與大電網連接點的電壓穩定；兩個DC/AC變流器可以獨立配置，滿足各自的功率需求。該結構適用于兆瓦級及以上的大容量儲能系統，可以直接并聯擴容。

圖2　交流側并聯拓撲結構

因此，混合儲能拓撲結構的選擇取決于不同因素，在每個應用下都必須進行全面的分析以便能夠確定最佳的選擇[11]。本文選擇圖2中的拓撲結構進行仿真分析。

2交流微電網典型結構

本文參考某省電科院的微電網實際結構，設計了圖3所示的微電網運行系統。

圖3　微電網系統結構

本系統由風力發電機、光伏陣列、儲能單元、逆變器、負載等部分組成的混合儲能獨立發電系統。微電源配置分別為單晶硅光伏陣列、小型永磁風力發電機、磷酸鐵鋰電池與超級電容。微電網通過靜態開關連接變壓器0.4kV側，隔離變壓器采用△/Y連接，其中網內采用三相四線制方式連接，網側按△形接法。網內分布式電源及負載分別通過斷路器接入交流母線。對于圖3微電網而言，磷酸電池主要用于穩定公共點電壓，保證能量供需平衡，超級電容功率密度高，重點用于快速補償負荷功率波動以及抑制功率突變對公共母線的沖擊。

3控制策略及算法

根據本文所提出的微電網結構，設計如圖4所示的分層平抑功率波動結構模型。

圖4　分層控制結構

本系統由3層結構組成：最上層為功率優化計算層，負責對外部環境(風速、溫度、光照度)及負荷狀況進行實時監測，主要計算執行儲能系統所需的總功率，為兩類儲能系統提供輸出功率期望值；制定兩類儲能系統的輸出功率設定Ps，并將該設定傳送給中間部分的協調分配控制層，協調分配控制層根據當前蓄電池與超級電容的荷電狀態(SOC)調整(有功功率—頻率、無功功率—電壓)下垂系數，從而為兩類儲能系統分配合理的輸出功率；協調分配控制層主要功能為實現兩類儲能的荷電狀態的平衡以及對給定輸入功率的快速跟蹤控制。下層為輸出執行層，通過接受中間層的功率給定信息，啟動雙向DC/AC功率變換器并通過電力電子器件的開斷，控制電流的大小及方向，完成儲能系統充電與放電。

3.1功率優化算法

圖5所示為本文設計的優化算法模型，SOCav、SOCav_exp分別為儲能系統的荷電狀態平均值和期望值；混合儲能比例系數和容量分別為KS、QS；ΔPS為混合儲能輸入或輸出功率；Pad為儲能系統的功率調節量。以有功功率的平抑為例進行分析，假設微電網中光伏陣列和風機的輸出功率為Pnew，經過低頻濾波后得到的功率為Pout，則兩者的關系為：

(1)

為平抑負荷功率波動，實際微電網輸出的期望功率為：

(2)

ΔPS=(SOCav-SOCav_exp)×QS×KS

式中SOCBT，SOCUC——蓄電池和超級電容的荷電狀態；QBT，QUC——蓄電池和超級電容的容量。

假設t1=t2=t，則

(3)

經推導可得，混合儲能系統的設定功率為：

PS_ref=Pout_ref-Pnew

(4)

由式(3)、式(4)可知：

(5)

混合儲能的功率變化量為：

ΔPS_ref=Pad

(6)

圖5　優化算法模型

3.2協調分配控制

根據如圖6所示的微電網的下垂特性(Droop)，為系統設計協調分配控制策略。下垂特性原理如下：最初分布式電源運行在點A，此時對應的有功功率為P0、無功功率為Q0、頻率為f0、公共點電壓為E0。當有功和無功增大時，對應的頻率和電壓降低，反之亦然。當功率增大到Pmax和Qmax時，則系統會有A點過渡到B點運行[12]。下垂特性可以用式(7)進行描述。在實際運行過程中兩類儲能的荷電狀態可能不一致，還會影響發電能力，基于此，在設置下垂系數時需分別考慮。

圖6　下垂控制原理圖

(7)

協調分配控制策略的基本思想是通過系統頻率和電網內部公共點處的電壓測量值，考慮蓄電池和超級電容各自的下垂系數和荷電狀態來確定儲能的有功功率與無功功率的輸出參考值。設計如圖7所示的控制器結構，在采集電壓頻率并結合蓄電池荷電狀態的基礎上確定下垂系數，進而計算負荷功率的缺額，結合微電網的出力情況測算蓄電池的功率輸出，采用Park變換獲得控制功率輸出信號。

圖7　協調分配控制策略

4PSCAD/EMTP仿真

本節模擬了系統運行在模式切換與負荷突變狀態下的情形并進行數字仿真，各項參數為：光伏陣列、風電機組、蓄電池、超級電容等的功率為：20、10、20、15kW。通過與單獨投入蓄電池或超級電容儲能的充放電過程進行仿真對比和分析，驗證了混合儲能系統的放電特性及平抑效果。

假設系統工作在并網狀態，當切換至孤島運行后有功功率缺額為10kW，無功為3kVar，儲能設備的下垂系數相等且SOC均為100%，孤島時刻設置為第1s，第2s時再進行并網，孤島持續時間為1秒鐘，用PSCAD對此切換過程進行仿真。

圖8、圖9為僅投入蓄電池和超級電容的功率輸出波形。由波形可看出，孤島運行時微電網缺乏外部功率支撐，所以各儲能在孤島瞬間均發生功率突變，功率輸出的穩態值基本一致，但超級電容的功率跟蹤更快，上升曲線更陡，補償效果更好，體現了功率型儲能的優勢。圖10為分別投入蓄電池和超級電容時的頻率波動曲線，由圖10可知超級電容補償后的頻率波動比蓄電池要小。圖11為系統投入蓄電池-超級電容的混合儲能后，系統功率分配及輸出電壓、頻率的波形。圖12所示為當在系統中投入混合儲能且兩者的荷電狀態相等時的功率分配狀況，按下垂系數進行分配且穩態后的有功功率及無功功率各占一半，但明顯超級電容的放電速度大于蓄電池。

圖8　單獨投入蓄電池時的輸出功率

圖9　單獨投入超級電容時的輸出功率

圖10　單獨投入電池/超級電容時的頻率波形

圖11　混合儲能狀態下的功率分配波形

圖12　混合儲能狀態下的電壓與頻率波形

由圖12得，系統經混合儲能平抑波動功率后，不論微電網運行在并網或孤島模式下還是模式切換時，公共點電壓及頻率波形幾乎無波動，證實了混合儲能的平抑效果。

5結語

本文針對分布式可再生能源發電易受外界環境因素影響，發電過程存在波動性和不可預知性等特點，采用互補性較強的磷酸鐵鋰電池與超級電容器構成混合儲能系統接入微電網，提出了分層平抑功率波動的控制策略，給出了各層控制算法和儲能系統的容量設置方案，在考慮兩類儲能的荷電狀態及不同工作特性的基礎上進行自適應優化分配負荷功率，實現了儲能系統的經濟運行，達到了平抑功率波動的目的，最后進行了數字化仿真測試，驗證了所提方案的有效性。

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(本文編輯：嚴加)

Application of Hybrid Energy Storage Device in MicroGrid

ZHANG Ji-hong, WANG Peng-xu, YANG Pei-hong

(InformationEngineeringSchool，USTInnerMongolia，Baotou014010,China)

Abstract:This paper introduces the working principles and functions of hybrid energy storage device, and designs the proper topology for the system. In view of the issues such as lack of inertia, vulnerability to voltage frequency fluctuation and some serious deficiencies in a single storage during microgrid running, the paper proposes stratified smooth control power fluctuation program and related control strategy. It can damp power fluctuation based on optimizing the ratio of energy storage capacity by adaptive droop algorithm, and take advantage of batteries and ultra capacitors effectively. The proposed method has been simulated by using PSCAD/FMTDC software. The results verify the feasibility of the control strategy.

Key words:microgrid; hybrid energy storage system; smooth control power fluctuations; power quality

DOI：10.11973/dlyny201603017

基金項目：內蒙古教育廳科學技術研究項目(NJY14170，14165)；內蒙古自治區自然科學基金(2016MS0515)

作者簡介：張繼紅(1975)，男，博士，副教授，研究方向為微電網控制與保護。

中圖分類號：TM712

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)03-0335-05

收稿日期：2016-03-04