蓄電池超級電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)研究

摘要：本文主要針對蓄電池超級電容混合儲(chǔ)能體系進(jìn)行研究，針對蓄電池與超級電容不同的特點(diǎn)，采用適合的混合儲(chǔ)能交流的模式進(jìn)行控制，保證蓄電池與超級電容混合體系之間的協(xié)同，并運(yùn)用軟件對控制策略進(jìn)行其有效性的驗(yàn)證針對兩種不能的儲(chǔ)能元件之間的具體的功率的分配以及其符合情況進(jìn)行研究工作的開展，更好的對其進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：蓄電池;超強(qiáng)電容;混合儲(chǔ)能

目前正是“十四五”開局之年，我國也邁入到全面建設(shè)現(xiàn)代化國家的關(guān)鍵階段，能源行業(yè)也進(jìn)入到了轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，比如可再生能源并網(wǎng)、智慧電網(wǎng)的直流系統(tǒng)等都進(jìn)行了改造升級。而混合儲(chǔ)能可以將蓄電池與超級電容的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合使用，可以最大的發(fā)揮儲(chǔ)能的技術(shù)性能，適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。

1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制方式

鋰電池與超級電容所構(gòu)成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)其組成的陣列是由儲(chǔ)能單體進(jìn)行串并聯(lián)所組成的，并通過儲(chǔ)能變流器以及單體串并聯(lián)構(gòu)成的。儲(chǔ)能變流器是通過必要的電子設(shè)備所構(gòu)成，其最主要的作用是通過對開關(guān)的開通與關(guān)閉來進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電與放電，并且利用系統(tǒng)的濾波功能來實(shí)現(xiàn)外部因素對于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的一些影響。

1.1 超級電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制

超級電容是功率型的儲(chǔ)能，其具有相應(yīng)速度快、循環(huán)壽命長的優(yōu)點(diǎn)，并且可以用來響應(yīng)外界的高頻率波動(dòng)。其一般是通過PQ的控制方式來對外界中頻繁變動(dòng)的功率的波動(dòng)進(jìn)行吸收。因?yàn)槌夒娙莸哪芰棵芏认鄬^小，其電壓的范圍又相對較廣，一般情況下應(yīng)該選擇三重化雙向的DC/DC以及雙向的DC/AC的變流器作為超級電容儲(chǔ)能系列的控制接收。

對于遠(yuǎn)程運(yùn)行過程中蓄電池超級電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制主要是分為兩個(gè)部分，雙向的變向器主要采用的是跟蹤有功功率的控制方式，通過并網(wǎng)變流器的使用，對直流母線電壓進(jìn)行更好的控制。對于開關(guān)而言，其需要在時(shí)序上面相差120度，從而減小電流文波，不斷的將動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行改善，并起到一定的備用作用，從而大幅度的減少波動(dòng)頻繁而導(dǎo)致的功能需求不足。

1.2 蓄電池儲(chǔ)能的系統(tǒng)控制

蓄電池是較為常用的能量型的儲(chǔ)能方式，其可以用來制定功率進(jìn)行充電或者是放電，從而將其作為整個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)平衡點(diǎn)，對系統(tǒng)功率的平衡以及整體穩(wěn)定的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足功能平穩(wěn)的需求。對于蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制主要是采取PQ控制的運(yùn)行方式。在蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行整體功率調(diào)節(jié)的過程中，其雙向并網(wǎng)變流器主要就是由PQ進(jìn)行控制的，其具體的控制過程如圖1所示。在圖1當(dāng)中，Pref_ib，Qref_1b分別代表有功功率以及無功功率，但其表示的是超級電容器儲(chǔ)能的相關(guān)數(shù)據(jù)，同樣的Plb、Qlb、Ud_ 1b、UcLlb、Id 1b、也都是代表的超級電容中的有功功率、無功功率、直軸電壓、膠州電壓、直軸電流等，w代表的是具體的角速度。

如果是蓄電池作為整個(gè)系統(tǒng)的主要電源的時(shí)候，那么雙向并網(wǎng)并流器的控制采用的是V/f進(jìn)行，從而保證蓄電池在為整個(gè)系統(tǒng)提供能量的時(shí)候的電壓頻率是恒定的，為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的交流電壓。V/f控制作為蓄電池系統(tǒng)方式的框架圖如圖2所示。

1.3 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略

在針對蓄電池超級電容的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行具體分析之后，主要采用濾波器對混合儲(chǔ)能的體系進(jìn)行濾波等操作，從而可以對超級電容的儲(chǔ)能進(jìn)行有效的指令，再將其剩下的功率進(jìn)行轉(zhuǎn)化并進(jìn)行集中的分配。

2 蓄電池超級電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及建模

本文主要針對蓄電池超級電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行研究，要向針對其進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制策略的研究，首先需要對其具體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解，再此基礎(chǔ)之上進(jìn)行建模。并且要根據(jù)不同的應(yīng)用場景與需求，對儲(chǔ)能元件中的電路模型以及母線的介入方式進(jìn)行改變。

2.1 儲(chǔ)能元件母線介入方式

在直流微電網(wǎng)當(dāng)中，蓄電池超級電容混合儲(chǔ)能體系母線的接入方式主要有四種方式。第一種是儲(chǔ)能元件直接流入母線，第二種是鏡超級電容流入母線，第三種是經(jīng)蓄電池流入母線，最后一種是分別經(jīng)過蓄電池超級電容之后流入到母線當(dāng)中。

2.2 蓄電池超級電容混合體系直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

一般情況下，蓄電池超級電容的混合體系主要是應(yīng)用在直流微網(wǎng)當(dāng)中，這一網(wǎng)絡(luò)分別還是由電源、混合儲(chǔ)能、直流負(fù)載以及相應(yīng)的功率變化器所組成的，其可以實(shí)現(xiàn)功率與儲(chǔ)能之間的雙向流動(dòng)。

2.3 儲(chǔ)能元件以及電路模型

2.3.1 蓄電池充放電以及電路模型

蓄電池是運(yùn)用最多的一種能量型的儲(chǔ)能元件，在相同的體積之下，蓄電池的儲(chǔ)能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過超級電容。在蓄電池充放電的過程中，電池在開路的過程中電壓還是相對比較平穩(wěn)的，除了在放電的初期以及在電量即將耗盡的時(shí)候，曲線有著相對較大的波動(dòng)之外，在其他時(shí)間都是相對穩(wěn)定的，從中可以得知蓄電池的放電性能在外界的影響下變化相對較小。在以蓄電池作為主電源的過程中，整個(gè)系統(tǒng)處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，但其具有相對較低的緊急性，在對其進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，一般是采用最為簡單的蓄電池的等效模型。

2.3.2 超級電容的放電特性以及電路模型

伴隨著近些年來固態(tài)離子技術(shù)的不斷發(fā)展，電容器的體積不斷的縮小，在這種情況下，新型的電力儲(chǔ)能元件也就是超級電容出現(xiàn)，其電容容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通電容，其在保留了原本電容的放電速率的基礎(chǔ)之上，電荷的儲(chǔ)存量也得到了大大的提高。

超級電容具有電化學(xué)電容以及雙電層電容兩種類型，采用雙電層電容具有原料易得、成本較低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，使得其成為了當(dāng)前使用最多的超級電容類型。蓄電池發(fā)生的是復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，而超級電容發(fā)生的是物理反應(yīng)。因此，超級電容發(fā)生變化的速度要快得多，這也就決定了超級電容的放電速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蓄電池的充放電的速率。超級電容作為一種非常復(fù)雜的阻容網(wǎng)絡(luò)，采用分布式描述的數(shù)學(xué)模型是更加準(zhǔn)確的。

3 基于下垂法改進(jìn)的功率分頻控制策略

傳統(tǒng)的下垂法具有即插即用、無需通信的分布控制策略的諸多優(yōu)點(diǎn)，但其不能改變頻率問題。蓄電池超級電容混合體系可以改變這一問題，從而使得蓄電池超級電容分別發(fā)揮其自身的優(yōu)勢，為此提出了一種虛擬電阻、電容的功率自主分配的策略。

3.1 基于虛擬電容的改進(jìn)下垂控制

傳統(tǒng)情況下的下垂控制與并聯(lián)分流類似，但其并不會(huì)伴隨著頻率發(fā)生變化。在虛擬電阻得到確定之后，那么儲(chǔ)能模塊分配的功率也就得到了確定。將傳統(tǒng)下垂控制看成是雙向的變換器輸出側(cè)串接的一個(gè)虛擬電阻，將虛擬電阻轉(zhuǎn)化為超級電容，那么其等效電路如圖4所示。

這種改進(jìn)下垂控制策略主要是利用了電容“隔直通交”的特性，當(dāng)系統(tǒng)趨向于高頻的時(shí)候，儲(chǔ)能單元也會(huì)參與到母線功率的波動(dòng)中。

3.2 蓄電池超級電容混合儲(chǔ)能體系分頻控制策略

在進(jìn)行分頻控制策略的設(shè)置時(shí)將母線電壓的額定值設(shè)置為變化器的輸出電壓的參考值，在系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，這一混合儲(chǔ)能體系中的具體公式如下式所示。為了更好的對混合體系進(jìn)行控制，其還應(yīng)該對參數(shù)值進(jìn)行設(shè)置，并且不斷的提高響應(yīng)的速度。

3.3 仿真驗(yàn)證

在對本文中的混合儲(chǔ)能體系功率自主配置策略的研究中采用的是Simulink進(jìn)行系統(tǒng)仿真模型的設(shè)計(jì)，其中包含超級電容、蓄電池電阻負(fù)載以及變換器等。首先對混合系統(tǒng)采用的是下垂控制策略，通過電阻的模擬值的設(shè)置。在負(fù)載功率發(fā)生突變的情況下，蓄電池變化器的輸出電流以及超級電容都會(huì)瞬間響應(yīng)功率的需求。電流的變化速度也是十分迅速的，超級電容一段的電壓也是始終在發(fā)生變化，蓄電池與超級電容都是按照下垂的比例進(jìn)行負(fù)載電流的分配。

4 總結(jié)

伴隨著對可再生能源的不斷深入研究，用于緩沖微網(wǎng)內(nèi)功率不平衡的波動(dòng)的儲(chǔ)能設(shè)置也成為了當(dāng)前人們研究過程中的熱點(diǎn)問題。本文在經(jīng)過對蓄電池超級電容進(jìn)行研究之后證明了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在利用超級電容提供的負(fù)載比率的運(yùn)行方式之后，其對電流的突變量進(jìn)行了緩沖，穩(wěn)定了系統(tǒng)中的交流母線的輸出電壓以及電流的波形，充分的利用蓄電池以及超級電容的優(yōu)點(diǎn)，保證了整體系統(tǒng)的高效率。

參考文獻(xiàn)

[1]張勤進(jìn)，孫小童，劉彥呈，莊緒州，許晨，蓄電池/超級電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略[J].電源技術(shù)，2020，44 （09）：1345-1347+1365.

[2]孫小童，蓄電池與超級電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制研究[D].大連海事大學(xué)，2020.

[3]白潔，蓄電池與超級電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率控制研究[D].燕山大學(xué)，2019.

作者簡介

何鴻天，男，江蘇省南京市人。碩士學(xué)位，畢業(yè)于南京工程學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)。