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構的優缺點，總結出混合儲能拓撲結構選取的一般原則?；诙壍屯V波，提出根據頻譜圖確定濾波時間常數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，結果證明該算法能夠滿足光伏并網聯絡線功率要求，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展需求促進了可再生能源的利用，應用最多的是風電和光伏。這些發電系統的電能具有間歇性，對大電網的安全穩定、可靠性及電能質量造成了影響[1]。在這種情況下，微網被認為是解決問題的可行措施，儲能在分布式發電與微網中實現電能的存儲、削峰填谷、平抑新能源出力波動以及緊急備用等功能，是分布式發電與微網中必不可少的環節[2-4]。常見的儲能設備可分為功率型和能量型。前者具有功率密度大，響應速度快等優點，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，單一的儲能設備將很難滿足分布式發電與微網的要求，因此，必須結合兩種或更多的儲能組成混合儲能系統，充分發揮兩種儲能設備技術上的互補性。

單一儲能設備的拓撲結構應用研究已經很成熟[5-6]，兩種以上不同類型混合儲能應用的研究還較少?；旌蟽δ苤?，不同的儲能設備通過不同方式連接到公共母線上，可以交流側并聯或直流側并聯。

能量轉換裝置控制儲能系統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用的因素，要考慮技術和經濟之間的平衡[7]。因此，在相同的應用場合下，可以采用不同拓撲結構的混合儲能。

儲能系統的控制策略在許多文獻中都進行了研究[8-12]，混合儲能的優化配置、協調控制以及能量管理[13-14]是目前應用中的熱點問題，直接影響儲能系統的成本、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構的優缺點，總結出拓撲結構選取的一般原則。在二級低通濾波原理的基礎上，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，結果證明該方法可以滿足光伏并網功率波動要求，并使電池充放電功率不越限。

1混合儲能拓撲結構

1.1交流側并聯

超級電容和蓄電池通過DC/AC變流器在交流側并聯。該拓撲中每種儲能設備需要單獨的雙向DC/AC變流器，如圖1所示，對網側的電壓、頻率變化響應較快，通過DC/AC變流器來實現對參考功率的快速、準確追蹤，可以使各個儲能系統對微網的輸出功率進行集中控制和調節，實現微網與大電網連接點的電壓穩定；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。適應于兆瓦級及以上的大容量儲能系統，可以直接并聯擴容；但對網側變流器控制要求較高，DC/AC的成本較高。

1.2直流側并聯

超級電容和蓄電池在直流側并聯可以共用DC/AC變流器，實現與電網的連接，通過對直流母線電壓的控制進行功率調節，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。直流側并聯拓撲結構如圖2所示。

圖2(a)超級電容和蓄電池直接并聯。該拓撲結構簡單、成本低、系統效率高、響應速度快。但儲能系統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，需要串聯更多的電容單元。適應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。該拓撲的技術優勢是顯而易見的，DC/DC有變流、調壓的功能，因此，可以通過它來連接端電壓不同的兩種儲能元件，對每種儲能設備直接控制，同時維持直流母線電壓恒定；并優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，可以優化設計系統的額定容量。使用DC/DC還可以使能量管理系統更加靈活配置。但是和直接并聯相比，使用DC/DC產生功率損耗并使系統成本增加、效率降低。因此，該拓撲結構的技術優勢和系統經濟成本增加之間必須折中考慮。

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

圖2(d)超級電容接DC/DC，蓄電池直接并聯在直流母線上。該拓撲超級電容儲能量能夠充分利用，可以優化設計其額定容量。但電池功率不可控，無法優化其充放電電流，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，因此系統的運行受到限制。

因此，混合儲能拓撲結構的選擇取決于不同因素，在每個應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成的微網系統如圖3所示。以儲能放電功率為正，充電功率為負，圖中變量關系如式（1）。

圖3的微網并網運行時，為減少風電、光伏等間歇式分布式電源對配網電能質量的影響，要對并網聯絡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。

根據分布式電源出力的頻譜分析圖，結合分布式電源并網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的時間常數，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，濾波時間常數確定后，儲能的參考功率只和分布式電源的出力有關。若分布式電源出力出現較大波動，儲能補償的參考功率也會出現波動。電池的充放電電流要求比較嚴格，為保障電池的經濟優化運行，通常要考慮電池的充放電狀態和充放電功率限制。文獻[11-12]分別提出了蓄電池平滑光伏并網功率波動的控制方法，對于只采用電池儲能的系統，能夠平滑光伏出力并有效管理電池充放電。實際應用中通常在電池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。

因此，在滿足并網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，根據電池充放電要求設置功率限值，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，能在滿足并網聯絡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將原始數據輸入進行仿真，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，經平滑后的聯絡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，超級電容補償的波動頻段變窄，功率峰值變小，主要在0值上下正負切換，適合超級電容反應快、循環壽命長的特性；由圖10(b)和圖10(c)可知，TSC不變，Tbat變小時，電池補償的頻段變窄，聯絡線功率峰值變大，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，即使聯絡線功率較平滑，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，假設電池的充放電功率限值為40kW，經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結語

本文分析了功率型和能量型混合儲能不同拓撲結構的優缺點，總結出混合儲能拓撲結構選擇的一般原則。基于二級低通濾波，提出根據頻譜圖確定濾波時間常數的混合儲能控制方法，并結合超級電容和電池各自的儲能特點，設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快、循環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。研究內容對混合儲能拓撲結構的選擇及協調控制有一定的指導作用。

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