微電網混合儲能系統的能量管理控制策略探究

摘? 要：在微電網中，儲能系統對分布式能源的不穩定性起到了重要的補償作用。但在電池儲能系統中，這種不確定的功率波動會嚴重影響電池的使用壽命。超級電容具有非常好的循環充放電壽命，將其與蓄電池一起組成混合儲能系統，可形成優勢互補。而混合儲能系統中最關鍵的就是如何協調電池與電容之間的功率流向，因此必須建立合理的能量管理策略以保證系統的穩定運行。

關鍵詞：混合儲能;微電網;能量管理策略

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A ? 文章編號：2096-4706（2019）07-0034-03

Abstract：In microgrid，energy storage system plays an important role in compensating the instability of distributed energy. But in the battery energy storage system，this uncertain power fluctuation will seriously affect the service life of the battery. Supercapacitor has a very good cycle charge and discharge life. It can be combined with batteries to form a hybrid energy storage system，which has both advantages. The key of hybrid energy storage system is how to coordinate the power flow between battery and capacitor，therefore，a reasonable energy management strategy must be established to ensure the stable operation of the system.

Keywords：hybrid energy storage;microgrid;energy management strategy

0? 引? 言

隨著人類社會經濟的發展以及文明的進步，人們的環保意識愈發強烈，對日益嚴峻的能源問題的關注度不斷提高。基于此，微電網應運而生。而微電網中可再生能源所提供的功率與負載功率是很難達到平衡的，因此這種對功率的平衡作用需要由儲能系統來完成。混合儲能系統將蓄電池和超級電容結合使用，具有高的功率密度與能量密度，同時降低了系統的成本。但如何協調電池與電容之間的功率分配尤為關鍵，因此混合儲能系統的能量管理策略是本文所重點探究的一項內容。

1? 混合儲能系統的結構與特點

混合儲能系統由雙向直流變換器、蓄電池組以及超級電容器組成的。儲能系統作為一個整體來響應外部充放電要求：維持母線電壓穩定，吸收外部多余功率或提供外部需要功率。蓄電池與超級電容通過功率變換器進行并聯，協同工作響應外部指令。功率變換器在混合儲能系統中的作用就是根據儲能單元的特性來合理控制各個儲能單元的充放電，使儲能系統能夠快速響應外部指令。

蓄電池能量密度大、功率密度小、循環壽命短、充放電效率低，不適合用于大功率充放電，且不適合頻繁地充放電。而超級電容恰恰相反，超級電容功率密度大、能量密度小、循環壽命長、充放電效率高，主要運用于循環充放電場合和大功率充放電場合，但是由于其具備能量密度低的特點，若要使其提供蓄電池相同的能量，則需要的體積和重量要比蓄電池大得多。

通過變換器將蓄電池與超級電容混合使用，不僅可以提高儲能系統的功率輸出能力、降低損耗，還能夠減小蓄電池的充放電次數，延長蓄電池的壽命。總之由超級電容與蓄電池構成的混合儲能系統可以改善供電系統的可靠性和經濟性。

2? 混合儲能系統的工作狀態

為分析儲能系統的運行狀態，將儲能單元的工作區間進行如下的劃分，如圖1所示，各儲能單元均被分為五個區域，分別為禁止充放電區、充放電警戒區以及正常工作區。在超級電容的荷電狀態分區中，增加了期望工作區，該工作區屬于正常工作區。在儲能系統的運行過程中，希望超級電容處于或者趨于該工作區，以用于應對下一次的功率沖擊。

對于儲能系統所有的控制目標最終都可以轉化為對儲能電源電流的控制，所以儲能系統的能量管理歸根結底是對儲能單元充放電電流的控制。根據儲能系統工作時各儲能單元間的電流分配將儲能系統的工作狀態分為如下幾種狀態。

狀態一：儲能系統穩定充放電狀態

當儲能系統需提供或者吸收穩定功率且超級電容電量已在期望值附近時，儲能系統所需提供或吸收的能量應當都由蓄電池提供或者吸收。

狀態二：儲能系統充放電功率階躍或者波動

當儲能系統所提供或吸收的功率波動或者發生突變時，波動功率或者沖擊功率應當由超級電容響應，以保護蓄電池。在儲能系統響應階躍功率時，蓄電池則應緩慢調節以適應新的功率要求，在蓄電池可穩定提供新的功率值時，超級電容應停止充放電，仍由蓄電池提供所需功率。

狀態三：儲能系統大功率放電狀態

當儲能系統需大功率放電時，該功率超過了蓄電池正常放電功率的上限，應當對蓄電池功率進行限制，避免蓄電池大電流放電，不足功率應由超級電容提供，二者共同響應大功率放電要求。

狀態四：儲能系統能量自動平衡狀態

在超級電容經放電電量偏離期望值時，應當以最快速度給超級電容補充電量至期望值，以響應下次的功率沖擊。

狀態五：儲能系統滿電狀態

儲能系統的充電應優先保證超級電容的電量快速達到期望值，在保證了超級電容的電量后給蓄電池充電。在長時間充電后，蓄電池荷電狀態達到上限值時，蓄電池停止充電。

狀態六：儲能系統低電狀態

儲能系統在長時間放電后達到低電狀態，蓄電池荷電狀態達下限值時，蓄電池停止放電，能量全部由超級電容提供，直至超級電容電量值達下限。

（a）蓄電池荷電狀態分區

（b）超級電容荷電狀態分區

3? 混合儲能系統的能量管理策略

為使得混合儲能系統在各種工作狀態下都能夠穩定地工作，有一個相應的能量管理策略來控制儲能系統中儲能單元的能量流動是非常重要的。

3.1? 混合儲能系統功率的初次分配

混合儲能系統的能量管理中的首要問題就是蓄電池和超級電容的功率實時分配的問題。比較簡單實用的方法是使用低通濾波器對混合儲能系統功率PHESS進行濾波，將濾波后得到的部分作為蓄電池的功率補償指令Pb，然后將剩余的部分交由超級電容補償，記為Pc。這樣就完成了混合儲能系統功率PHESS在蓄電池和超級電容之間的分配：

上式中，ts為低通濾波時間常數，可根據蓄電池需要補償的功率的頻率選取;Pb與Pc分別為蓄電池和超級電容經功率初次分配后的功率參考值。

通過濾波器對儲能系統功率進行分配可以使系統滿足儲能系統在狀態一與狀態二下的功率分配要求，即儲能系統工作在狀態一：儲能系統穩定充放電時功率由蓄電池提供;儲能系統工作在狀態二：儲能系統充放電功率階躍時沖擊功率由蓄電池提供。蓄電池響應總電流的低頻分量，而超級電容響應總電流的高頻分量，通過調節低通濾波器的時間常數可以改變蓄電池對電流變化的響應速度。

3.2? 最大功率限值策略

當系統要求補償的功率超過了蓄電池或超級電容的充放功率，或者，蓄電池或超級電容的電量已經達到限值，不允許再繼續放電或繼續充電時，若繼續使用濾波器分配后的功率值作為儲能單元的充放電指令，會造成儲能單元的過充或者過放，甚至損壞儲能單元。因此，需要進一步修改蓄電池與超級電容的功率指令，保護儲能單元在功率允許范圍內正常運行。故應當在濾波器中對儲能系統功率分配后對分配值進行相應的限制，在功率指令超出限制時，按限值進行充放電

圖中電流i大于0時表示儲能單元放電，i小于0表示儲能單元充電。儲能系統工作在狀態五和狀態六時，即儲能單元電量滿，限制對其繼續充電，而當儲能單元電量低時，限制對其繼續放電。在充電時，優先保證超級電容達到期望電量值。在放電時，當蓄電池電量用完時，由超級電容獨立響應放電要求直至其電量用完。因不同情況下對儲能單元的電流限制是不同的，故采用了動態限幅環節。限幅值由儲能單元的電量確定，如圖2所示。

3.3? 蓄電池與超級電容電量協調控制策略

超級電容能量偏離期望值時，需采取一定措施使超級電容重新儲滿電能以應對下一次的功率峰值。考慮采用對濾波后的電流值添加一個偏置值來實現控制目標。這樣不僅實現了對超級電容電流的調節，而且總電流并沒發生變化，即對外特性不變。

如圖3所示，電流的期望偏置的大小與超級電容實際電量與期望值的偏差決定：偏差較大時，應當以盡可能大的電流對超級電容充/放電，使電量盡可能快的恢復期望范圍，在接近期望值時逐漸減小充/放電電流，直至電量達到期望值，充/放電電流變為為零，即偏置值變為零。

當電流波動較大時，會導致電容電量明顯有所波動，故會對偏置電流產生影響，最終使蓄電池電流出現明顯波動。所以在偏置電流計算環節后加上濾波環節，減小偏置電流的波動對蓄電池電流的影響。

4? 結? 論

含混合儲能的微電網在近些年中的發展受到普遍的關注，混合儲能系統的能量管理也逐漸彰顯出重要性。對混合儲能系統進行能量管理，可將蓄電池高能量密度以及適合穩定充放電的特點，與超級電容高功率密度以及適合高頻循環充放電的特點結合，形成優勢互補，改善供電系統的可靠性，且使電池的循環使用壽命更長，微電網的運行成本也能夠得到有效的控制。

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作者簡介：高宇（1993.09-），男，漢族，江蘇泰州人，碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動。