分布式新能源發電中儲能系統能量管理

王澤毓 劉云照 彭濤 周君 趙潤英

摘 要：本文重點研究了超級電容與蓄電池組成儲能系統的能量管理，依據這兩種儲能裝置的優缺點、分布式發點系統狀態與冗余容量，把儲能系統工作模式進行分類，對不同種類的工作模式使用不同的控制措施，充分發揮超級電容與儲蓄電池的優勢，使系統內部功率得到平衡，降低外部電網被海洋能、生物質能、氫能等新能源發電系統功率波動的沖擊，并實現孤島運行。通過使用分布式新能源發電系統的仿真模擬與實驗平臺，最后進行控制策略的驗證。

關鍵詞：分布式;新能源;發電

引言：

隨著生物質能、氫能等新型能源的不斷崛起，分布式發電系統需要具備在孤島條件下運行的本領，而且需要供給當地負載可靠持續的電能，還要降低外部電網受到新能源輸出功率波動的影響，因此儲能系統是必要的。所以我們期待一種儲能裝置具備低成本、長壽命、易修護并且響應靈敏、儲存密度高。當前廣泛是用在微電網、電動車等方面的儲蓄電池往往具備了低成本、容易維修、較大的儲蓄率等優勢，但它也有一些不容忽視的小缺點，比如充放電的次數比較少，響應的速度較慢等等，這樣在和太陽能、氫能等新型能源發電系統配合時這些缺點被放大，顯得尤其明顯。超級電容具備了響應時間短暫、可以反復充電次數較多的優勢，因而把這兩者結合起來作為儲能系統，通過協調控制能量管理系統與電力電子變流器，讓這兩個儲能裝置可以充分發揮自身的優勢，滿足儲能系統要求，這樣的方式廣泛的使用在分布式新能源發電。

一、儲能系統工作模式

蓄電池與超級電容的冗余容量決定著系統能量管理。超級電容的冗余容量和端電壓的平方為一次函數，所以測量超級電容端的電壓就能夠得到它的冗余容量。但是蓄電池的工作端電壓和冗余容量之間沒有函數關系，就需要間接測量蓄電池的冗余容量，所以需要其他的方式來進行測量。依據著儲蓄電池與超級電容的特征，把超級電容SOC設置在20%到90%之間，這是超級電容的正常工作狀態，小于20%的狀態是低容量狀態，大于90%的狀態是高容量;蓄電池SOC設置在30%到90%之間，同理大于或小于90%和30%都不是蓄電池的正常工作狀態。因此，在實際工作中不會出現如下圖所示的這九種模式。

我們對不同的模式使用一種控制方式，在儲能系統工作時，通過檢測蓄電池與超級電容的冗余容量與外電網的狀態來確定使用的儲能控制方式。把這九種模式分成四大類：都正常、超級電容異常、蓄電池異常，都異常。本文重點介紹了儲能系統在不同模式的條件下并網與孤島運行的控制方式。

二、儲能系統正常模式

蓄電池與超級電容均正常，這是最為常見的工作模式。因為風能、氫能等具有間歇性，并且分布式新能源發電系統當地負載的變化相對來說也比較突然，就有很大可能出現瞬時功率變化的問題，即高頻功率波動，并且蓄電池充放電的時間較長，不能做到短時間響應高頻功率波動，所以就需要超級電容來消耗掉這部分多余的功率;但是超級電容存儲量是有限的，就需要蓄電池持續可靠供電。

在并網或者孤島運行時，都能夠使用如上圖所示的控制框圖，例如蓄電池的額定容量和剩余容量都比較大時，可以調節增大K，使得蓄電池負擔較大的功率。在并網孤島運行過渡時，通過超級電容短時間內就可以進行充放電過程的優勢保證過渡環節的功率平衡，這種方式也適合過渡過程。

三、超級電容異常模式

超級電容異常模式的情況下，蓄電池冗余容量工作狀態正常，超級電容容量過大或過小，這樣就影響了儲蓄系統吸收或釋放高頻功率的能力，可能會導致整個儲蓄系統失去自身應該具有的對天氣改變或負載突變的快速響應的能力。所以，盡快處理這種異常模式，維持儲蓄系統的穩定平衡。

并網運行時，可以認為外部電網是無窮大的電網，超級電容能夠吸收外部電網的能量或者把冗余的能量傳給電網，直至超級電容達到正常的工作狀態，然后將控制方法改變成正常模式。因為超級電容的存儲能量比較小，即使這種方式會沖擊電網，但是它所造成的影響力是有限的，為了平衡分布式新能源發電系統的穩定，這種做法是比較合乎實際的。

四、蓄電池異常模式

蓄電池處在異常工作狀態，而超級電容冗余容量正常，這樣就會造成蓄電池冗余容量過大或過小，然后造成微電網系統長時間內工作能力降低，嚴重影響了分布式新能源電力系統的可靠性，需要短時間恢復正常。

并網運行過程中，這與超級電容異常狀態非常相似，通過和外部電網進行能量傳遞的方法使蓄電池冗余容量恢復到正常。這樣的方法同樣會對電網的運行產生一定的影響，但是和新能源發電系統直接并網對比這樣的影響會小許多。

孤島運行時，同樣需要超級電容經由直流母線傳遞給蓄電池能量，但是因為超級電容存儲的能量有限，想要使儲蓄電池到正常狀態，僅僅依靠這種方式是遠遠不夠的，在沒有負載的情況之下，系統也沒有剩余的能量傳遞給蓄電池，這樣的結果是不符合期望的，所以需要經過超級電容把能量傳給蓄電池，等外電網恢復之后，再通過外電網給蓄電池充電到正常工作狀態。

五、超級電容、蓄電池均異常模式

首先考慮超級電容冗余容量和蓄電池冗余容量都過低和超級電池冗余容量與蓄電池冗余容量都過高這兩種情況，不管是在孤島運行還是并網時，都能夠經由直流母線達到平衡，進入到上面所述的兩種狀態模式下，再進行控制。

如果是蓄電池和超級電容的剩余容量均過高的情況，并網運行時，儲能系統把過多的能量傳輸給電網;孤島運行時，需要新能源的控制器舍棄最大功率點跟蹤，調控輸出功率小于負載的吸收，差值通過儲能系統進行輸出，直到達到正常狀態，新能源重新開始正常狀態工作。

在蓄電池和超級電容的冗余容量都過小的情況下，并網運行，儲能系統經由電網吸收能量，使儲能系統轉到正常狀態;孤島運行時，如果風能和太陽能在正常工作狀態下不能夠滿足負載的需求，這樣只能切除一些不重要負載，平衡分布式新能源發電系統的持續穩定，等到新能源輸出更大的能量或著外部電網恢復之后再重新進行并網，這種情況是比較糟糕的。

結束語

本文把由超級電容與蓄電池組合的滿足分布式新能源電源發點系統的儲能系統依照冗余容量分為不同種類工作模式，依據組合儲能系統中蓄電池容量大、超級電容響應時間短的優點，對不同種類的工作模式做出了不同控制方法，依據這些控制方法能夠實現平衡分布式新能源發電系統內部功率，降低了沖擊對外部電網的影響，做到孤島運行，而且介紹了儲能系統雙向變流器控制方法，通過控制變流器，做到對組合儲能系統能量的有效管理。

參考文獻

[1]董博， 李永東， 鄭治雪. 分布式新能源發電中儲能系統能量管理[J]. 電工電能新技術， 2012（01）：24-27+98.

作者簡介：

王澤毓，云南電網有限責任公司麗江供電局，助理工程師

劉云照，云南電網有限責任公司麗江供電局，助理工程師

彭濤，云南電網有限責任公司麗江供電局，工程師

周君，云南電網有限責任公司麗江供電局，助理工程師

趙潤英，云南電網有限責任公司麗江供電局，無職稱