含超級電容器的混合儲能充放電控制方法研究

劉星 張旭峰 俞嘯玲 趙莉莉

摘 要：針對當風力功率出現波動，蓄電池因充放電速度慢，無法使直流母線上的電壓快速恢復穩定的情況。提出一種混合儲能單元采用分階段充電、限流恒壓放電的充放電策略。仿真結果表明：該方法能夠平穩地輸出電流，顯著提升電網側母線電壓輸出的穩定性。

關鍵詞：蓄電池;超級電容;穩定電壓

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.178

1 引言

基于化石能源的危機以及環境的壓力，風機、光伏的裝機容量不斷擴大。然而，其具有的隨機性與不穩定性會對電網安全運行造成影響[1-2]。儲能裝置依靠自身充放電特性可有效抑制分布式能量輸出的波動，提高電網的穩定性和可靠性。

目前，蓄電池在生活中被廣泛使用。其價格便宜，還有較高的能量密度，能夠滿足日常分布式發電系統對能量密度的要求。但是，由于其自身內部條件限制，其功率密度相對較小，且無法快速充電或放電，循環壽命較短。如果要以蓄電池為電源來滿足波動性負載功率需求，那將需配置極大容量的蓄電池。不僅蓄電池體積過于龐大，還將會增大投資和容量浪費;超級電容器能快速充電，而且具有循環壽命較長的特點，但是因其容量較低所以不能用作大規模電力的存儲裝置。所以，可以結合二者的能量特性，能充分利用電池的高能量密度和超級電容器的快速充放電特點的混合儲能單元的研究得到廣泛關注[3]。

2 系統結構

能量存儲單元由超級電容和電池組成，兩者通過轉換器并聯連接到直流母線以形成混合能量存儲系統。為簡化模型，僅僅以風能作為分布式電源。

雙向DC/DC元件可將直流電變為另外一種輸出特性的直流電，且在工作時能針對實際情況抑制功率波動，實現電池雙向流動，對電池能量進行控制和管理。其拓撲如圖1所示。雙向DC/DC器件電路內部擁有兩個開關管S1和S2。通過控制兩個開關的占空比D，可以滿足實際所需的電流流動方向，例如低壓側電流可以流向高壓側，并且高壓側電流也可以流向低壓側，這與儲能電池的充放電特性完美匹配。

在升壓模式下工作時，雙向DC/DC轉換器中的開關S2完全打開，開關S1在打開和關閉之間連續切換。與S2并聯的二極管D2只能將能量從低壓側傳輸到高壓側。當開關S1閉合時，低壓側電壓源U1提供能量，電容器C2用作電壓調節器，使得高壓側電壓不會突然改變;當開關S1斷開時，低壓側電壓源U1和儲能元件電感器L通過電容器C2的二極管一起充電。通過這種轉移，電能從低壓側傳遞到高壓側。

在降壓模式下操作時，雙向DC/DC轉換器中的開關S1完全打開，開關S2在閉合和打開之間來回切換。開關S2閉合時，高壓側電流通過儲能器件L流向低壓側，相當于由高壓側對其充電，電容C2穩住低壓側電壓，使其不能發生突變;當開關S2斷開時，電感器L和電容器C1放電至低壓側，并且高壓側斷開不能放電。所以高壓側能量流向了低壓側。

3 充放電控制策略

儲能單元常見的充電方法有恒定電流法、恒定電壓法以及分階段充電法。目前，蓄電池作為傳統的儲能電池，技術發展已經處于十分成熟的狀態，現已得到大量應用，人們以此為基礎開展了充電方法的研究。

恒定電流法充電是指在充電過程中，電流維持恒定值不變化，電池外部端電壓呈規律變化。此種方法優點是控制簡單，但是也存在一些缺陷。例如在初始階段充電電流可能太小，在后期充電電壓與電流偏高，降低電池壽命，浪費能源。恒定電壓充電法是使用某一恒定的電壓為電池充電。充電初始階段，電池外部電壓低，導致會產生很大的電流，影響電池使用壽命。充電過程中，電池兩端電壓隨著充電進行而慢慢增大，電流則慢慢減小，導致后期充電時間會較長。分階段充電法又可以稱為恒流恒壓充電。

超級電容器的控制方法必須考慮其能接受電流的能力。在充電前期，它可以承受更大峰值的電流，而隨著充電的進行，可承受的電流值變得越來越小。因此，超級電容器不應使用恒定電流或恒定電壓操作模式。所以，本文針對這一問題，對超級電容施加一種新的分階段的充電方式，為實現對電流的精確控制，使用單個閉環控制和PID調節器調節電流。

混合能量存儲單元使用分階段充電控制方法。在開始階段，以恒定電流對電池充電，然后以恒定電壓充電。以這種方式充電，蓄電池就不會發生充電電流在充電的初始階段太大而在后一階段電壓太高的現象。因此，為了合理地進行電池充放電，采用電流和電壓雙調節控制。其結構如圖2所示。雙向DC/DC轉換器中的電壓調節器和電流調節器可以精確控制主控制量，例如電感器電流、電池電壓和直流母線電壓。充電采用的恒定電壓值U*用作標準電壓，并且與電池端電壓UB比較，通過外環電壓調節器放大所獲得的誤差信號，以獲得內環電流i*的給定電流。電流采樣電路將實時檢測到的充電電流i與i*進行比較，并且由內環電流調節器產生的控制信號通過脈沖寬度調制器得到輸入脈沖。

為了維持風儲系統穩定，系統中的儲能單元通常采用恒壓方式放電。為增加電池壽命，電池必須在某一電壓值停止放電。這一電壓值即為切斷電壓。當恒壓放電模式下的電池外部電壓低于切斷電壓時，蓄電池保護動作并停止放電。同時，電池的放電電流也被限制在一定范圍內，當電流大于限定放電電流值時，就會啟動限流。

4 仿真驗證

仿真模型中設定風速在0.5s時的7.2m/s突變為7.7m/s，在1.5時又恢復正常，根據仿真測得前后的試驗數據如下表1、2所示：

可以看出，當風速改變時，系統電網側母線上的電壓產生波動。由蓄電池構成的儲能系統依靠自身充放電特性，平抑風力波動性變化，令母線電壓趨于穩定。由表2數據看出，混合儲能單元采用恒壓閉環放電控制后，能使母線電壓波動迅速消除，較于僅由蓄電池構成的儲能單元，其效果更優。

5 結論

本文提出的充放電控制模式可以有效發揮超級電容和蓄電池各自的特點。分階段充電策略中，前者以大電流充電的方式發揮其能夠快速大功率充放電的特點，后者為延長使用壽命以小電流模式充電。限流恒壓放電策略中，通過設定不同的放電電流值以及不同等級的直流母線參考電壓，充分利用了二者的優點。此策略不僅可以發揮超級電容器本身快速高功率的放電性能，也能夠防止蓄電池在大電流下放電，提高了電池性能。仿真結果表明：所提出的混合能量存儲單元的充放電控制方法可以快速平抑風電的波動，顯著提升電網側母線電壓輸出的穩定性。

參考文獻：

[1]王明俊.智能電網與智能能源網[J].電網技術，2010（10）：1-5.

[2]王思杰，惠晶.混合儲能的獨立光伏系統充電控制研究[J].電力電子技術，2012，46（01）：13-15.

[3]李少林，姚國興.風光互補發電蓄電池超級電容混合儲能研究[J].電力電子技術，2010，44（02）：12-14.