桑丙玉1，陶以彬1，鄭高2，胡金杭1，俞斌1

（1.中國電力科學研究院，江蘇 南京210003；2.福建省電力有限公司電力科學研究院，福建 福州350000）

摘要：以超級電容和蓄電池為例，分析了功率型和能量型混合儲能不同拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，總結(jié)出混合儲能拓撲結(jié)構(gòu)選取的一般原則。基于二級低通濾波，提出根據(jù)頻譜圖確定濾波時間常數(shù)的混合儲能控制方法，并考慮電池充放電功率限制，對濾波輸出功率進行修正。用Matlab對算法平滑實際光伏出力進行了仿真驗證，結(jié)果證明該算法能夠滿足光伏并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率要求，并使電池充放電功率不越限。

0引言

能源危機的日趨緊張以及低碳能源的發(fā)展需求促進了可再生能源的利用，應(yīng)用最多的是風電和光伏。這些發(fā)電系統(tǒng)的電能具有間歇性，對大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定、可靠性及電能質(zhì)量造成了影響[1]。在這種情況下，微網(wǎng)被認為是解決問題的可行措施，儲能在分布式發(fā)電與微網(wǎng)中實現(xiàn)電能的存儲、削峰填谷、平抑新能源出力波動以及緊急備用等功能，是分布式發(fā)電與微網(wǎng)中必不可少的環(huán)節(jié)[2-4]。常見的儲能設(shè)備可分為功率型和能量型。前者具有功率密度大，響應(yīng)速度快等優(yōu)點，但能量密度較小，如超級電容器、超導儲能、飛輪儲能等；后者具有能量密度大，但功率響應(yīng)較慢不適于頻繁充放電，如蓄電池和抽水蓄能等。由于缺點的限制，單一的儲能設(shè)備將很難滿足分布式發(fā)電與微網(wǎng)的要求，因此，必須結(jié)合兩種或更多的儲能組成混合儲能系統(tǒng)，充分發(fā)揮兩種儲能設(shè)備技術(shù)上的互補性。

單一儲能設(shè)備的拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究已經(jīng)很成熟[5-6]，兩種以上不同類型混合儲能應(yīng)用的研究還較少。混合儲能中，不同的儲能設(shè)備通過不同方式連接到公共母線上，可以交流側(cè)并聯(lián)或直流側(cè)并聯(lián)。

能量轉(zhuǎn)換裝置控制儲能系統(tǒng)的功率雙向流動及最佳運行，該裝置的能量損耗及成本是限制其應(yīng)用的因素，要考慮技術(shù)和經(jīng)濟之間的平衡[7]。因此，在相同的應(yīng)用場合下，可以采用不同拓撲結(jié)構(gòu)的混合儲能。

儲能系統(tǒng)的控制策略在許多文獻中都進行了研究[8-12]，混合儲能的優(yōu)化配置、協(xié)調(diào)控制以及能量管理[13-14]是目前應(yīng)用中的熱點問題，直接影響儲能系統(tǒng)的成本、壽命周期和效率等，但目前還沒有較成熟的方法。

本文以超級電容（SC）和蓄電池(Battery)組成的混合儲能為例，分析比較了幾種拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，總結(jié)出拓撲結(jié)構(gòu)選取的一般原則。在二級低通濾波原理的基礎(chǔ)上，提出了基于電池充放電功率限

制的混合儲能平滑波動功率控制方法，并進行了Matlab仿真驗證，結(jié)果證明該方法可以滿足光伏并網(wǎng)功率波動要求，并使電池充放電功率不越限。

1混合儲能拓撲結(jié)構(gòu)

1.1交流側(cè)并聯(lián)

超級電容和蓄電池通過DC/AC變流器在交流側(cè)并聯(lián)。該拓撲中每種儲能設(shè)備需要單獨的雙向DC/AC變流器，如圖1所示，對網(wǎng)側(cè)的電壓、頻率變化響應(yīng)較快，通過DC/AC變流器來實現(xiàn)對參考功率的快速、準確追蹤，可以使各個儲能系統(tǒng)對微網(wǎng)的輸出功率進行集中控制和調(diào)節(jié)，實現(xiàn)微網(wǎng)與大電網(wǎng)連接點的電壓穩(wěn)定；超級電容的DC/AC變流器和蓄電池的DC/AC變流器可以獨立配置，滿足各自的功率需求。適應(yīng)于兆瓦級及以上的大容量儲能系統(tǒng)，可以直接并聯(lián)擴容；但對網(wǎng)側(cè)變流器控制要求較高，DC/AC的成本較高。

1.2直流側(cè)并聯(lián)

超級電容和蓄電池在直流側(cè)并聯(lián)可以共用DC/AC變流器，實現(xiàn)與電網(wǎng)的連接，通過對直流母線電壓的控制進行功率調(diào)節(jié)，控制上較簡單。需要加大DC/AC變流器的功率，以滿足超級電容的功率需求。直流側(cè)并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2(a)超級電容和蓄電池直接并聯(lián)。該拓撲結(jié)構(gòu)簡單、成本低、系統(tǒng)效率高、響應(yīng)速度快。但儲能系統(tǒng)的容量不能被完全利用。電流在兩種儲能裝置之間自動分配，分流的大小取決于各自的內(nèi)阻，因此每種儲能的功率無法控制。另外，超級電容的電壓與電池電壓相同，該電壓不受控，變化取決于電池的SOC，這就限制了超級電容的最優(yōu)利用，也限制了超級電容單元的選擇，為了達到相同的電壓，需要串聯(lián)更多的電容單元。適應(yīng)于直流母線電壓變化范圍不大，電池沒有嚴格的充放電要求的場合。

圖2(b)超級電容和蓄電池通過DC/DC功率變換器并聯(lián)。該拓撲的技術(shù)優(yōu)勢是顯而易見的，DC/DC有變流、調(diào)壓的功能，因此，可以通過它來連接端電壓不同的兩種儲能元件，對每種儲能設(shè)備直接控制，同時維持直流母線電壓恒定；并優(yōu)化蓄電池的放電電流，延長其使用壽命；電池和超級電容可以深度放電因此其儲能量可以充分利用，可以優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)的額定容量。使用DC/DC還可以使能量管理系統(tǒng)更加靈活配置。但是和直接并聯(lián)相比，使用DC/DC產(chǎn)生功率損耗并使系統(tǒng)成本增加、效率降低。因此，該拓撲結(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢和系統(tǒng)經(jīng)濟成本增加之間必須折中考慮。

圖2(c)蓄電池接DC/DC，超級電容直接并聯(lián)在直流母線上。該拓撲蓄電池功率可控，可以優(yōu)化控制電池的充放電電流，延長其壽命周期；超級電容直接根據(jù)直流母線電壓的變化出力，反應(yīng)速度較快。缺點是超級電容需要很多單元串聯(lián)以獲得高的母線電壓。另外，在脈沖負荷電流區(qū)間，超級電容的端電壓會下降，如果相連的逆變器需要一個穩(wěn)定的或正常工作的最小電壓以生成正確的交流側(cè)電壓，則電壓下降太多會產(chǎn)生問題，所以必須把直流電壓控制在合適的范圍內(nèi)。

圖2(d)超級電容接DC/DC，蓄電池直接并聯(lián)在直流母線上。該拓撲超級電容儲能量能夠充分利用，可以優(yōu)化設(shè)計其額定容量。但電池功率不可控，無法優(yōu)化其充放電電流，直流母線電壓取決于電池的SOC變化，該變量不能直接控制，必須維持在一個給定的范圍內(nèi)，因此系統(tǒng)的運行受到限制。

因此，混合儲能拓撲結(jié)構(gòu)的選擇取決于不同因素，在每個應(yīng)用下都必須進行全面的分析以便能夠確定最佳的選擇。

2混合儲能功率控制策略

2.1平滑波動的功率控制方法

混合儲能和分布式電源構(gòu)成的微網(wǎng)系統(tǒng)如圖3所示。以儲能放電功率為正，充電功率為負，圖中變量關(guān)系如式（1）。

圖3的微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，為減少風電、光伏等間歇式分布式電源對配網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，要對并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線輸出功率進行平滑。首先對分布式電源輸出功率進行傅里葉變換，得到功率波動頻譜圖。分布式電源出力波動的頻譜分布如圖4所示[4]。超級電容功率密度大能量密度小，循環(huán)壽命長，用來補償波動頻率大但幅值小的分量，電池功率密度小能量密度大，用來補償波動頻率小但幅值較大的分量。

根據(jù)分布式電源出力的頻譜分析圖，結(jié)合分布式電源并網(wǎng)功率波動要求和混合儲能配置的容量，可確定電池和超級電容分別需要平抑的波動頻率段，從而確定低通濾波對應(yīng)的時間常數(shù)，得到各自的輸出功率參考值。由圖5可得超級電容和電池的參考功率分別為

將低通濾波得到的參考功率作為儲能系統(tǒng)恒功率控制的參考值，即可達到平滑波動的控制效果。

2.2考慮電池功率限制的改進方法

由式（2）、式（3）可知，濾波時間常數(shù)確定后，儲能的參考功率只和分布式電源的出力有關(guān)。若分布式電源出力出現(xiàn)較大波動，儲能補償?shù)膮⒖脊β室矔霈F(xiàn)波動。電池的充放電電流要求比較嚴格，為保障電池的經(jīng)濟優(yōu)化運行，通常要考慮電池的充放電狀態(tài)和充放電功率限制。文獻[11-12]分別提出了蓄電池平滑光伏并網(wǎng)功率波動的控制方法，對于只采用電池儲能的系統(tǒng)，能夠平滑光伏出力并有效管理電池充放電。實際應(yīng)用中通常在電池SOC達到嚴重限值時，禁止其充放電；在SOC未達到嚴重限值時，根據(jù)電池的額定功率和容量將其充放電功率限制在一定范圍內(nèi)。

因此，在滿足并網(wǎng)功率波動要求的情況下，對二級低通濾波后的參考功率進行修正，根據(jù)電池充放電要求設(shè)置功率限值，超出電池充放電功率限值的由超級電容來補償。修正框圖如圖6所示。

利用上述限值修正方法，能在滿足并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率控制要求的情況下，使電池充放電功率不越限，并充分利用超級電容大功率充放電特點，吸收尖峰波動功率。

3控制策略的Matlab仿真驗證

3.1仿真模型

以132kW屋頂光伏電站為功率平滑對象，其典型的日發(fā)電曲線如圖7所示，最大輸出功率84kW，最小輸出功率1kW，平均功率33.7kW。利用Matlab將原始數(shù)據(jù)輸入進行仿真，濾波及修正模型如圖8所示。

（2）儲能補償功率

對超級電容和電池分別補償不同頻段波動分量進行仿真，經(jīng)平滑后的聯(lián)絡(luò)線功率以及超級電容和電池的參考功率如圖10所示。由圖10(a)和圖10(b)可知，Tbat不變，TSC變小時，超級電容補償?shù)牟▌宇l段變窄，功率峰值變小，主要在0值上下正負切換，適合超級電容反應(yīng)快、循環(huán)壽命長的特性；由圖10(b)和圖10(c)可知，TSC不變，Tbat變小時，電池補償?shù)念l段變窄，聯(lián)絡(luò)線功率峰值變大，且電池充放電功率切換過于頻繁，不利于保護電池壽命。因此，適合取圖10(b)中的參數(shù)，即使聯(lián)絡(luò)線功率較平滑，超級電容補償容量不需太大，電池充放電切換頻率又較低。

（3）考慮電池功率限制的改進方法

由圖10可知，在光伏功率波動較大的地方，電池參考功率有較大的尖峰波動，對電池是不利的。利用圖10(b)的參數(shù)，假設(shè)電池的充放電功率限值為40kW，經(jīng)限值后的各功率波形如圖11所示。由圖可知，電池的參考功率變得更加平滑，被平滑處對應(yīng)的超級電容參考功率變大，由超級電容補償尖峰波動功率。

4結(jié)語

本文分析了功率型和能量型混合儲能不同拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，總結(jié)出混合儲能拓撲結(jié)構(gòu)選擇的一般原則?；诙壍屯V波，提出根據(jù)頻譜圖確定濾波時間常數(shù)的混合儲能控制方法，并結(jié)合超級電容和電池各自的儲能特點，設(shè)置電池充放電功率限值，對濾波輸出功率進行修正，由超級電容補償波動尖峰，充放利用超級電容反應(yīng)快、循環(huán)壽命長及瞬間大電流充放電的特點，有效延長電池使用壽命。用Matlab對算法平滑實際光伏出力進行了仿真驗證，結(jié)果證明該算法對平滑波動、改善電池充放電具有明顯效果。研究內(nèi)容對混合儲能拓撲結(jié)構(gòu)的選擇及協(xié)調(diào)控制有一定的指導作用。

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