张继红，王澎续，杨培宏

(内蒙古科技大学 信息工程学院，内蒙古 包头　014010)

混合储能在微电网系统中的应用

张继红，王澎续，杨培宏

(内蒙古科技大学 信息工程学院，内蒙古 包头014010)

摘要：介绍了混合储能的工作原理及作用，设计了相关充放电拓扑结构。针对微电网运行时惯性不足、容易产生电压频率波动及单一储能存在的严重缺陷等问题，提出了基于蓄电池与超级电容混合储能的分层平抑功率波动方案及相关控制策略。该策略采用自适应协调下垂控制方法，在优化储能容量配比的基础上进行功率波动抑制，有效发挥了两类储能的互补优势，同时满足了能量密度与功率密度的要求，保证了电能质量。利用PSCAD/EMTDC软件进行仿真，证实了控制策略的可行性。

关键词：微电网；混合储能系统；平抑功率波动；电能质量

以化石燃料为基础的传统工业曾为人类发展做出了巨大贡献，但同时也带来了难以修复的环境污染及能源危机问题。近年来，随着世界各国节能减排意识的增强，以太阳能、风能等分布式、可再生能源的利用和研究成为人们关注的焦点。为提高可再生能源利用效率，减小分布式电源接入对大电网的冲击，微电网的提出为高渗透率的可再生能源发电提供了可能[1-5]。微电网能够充分整合太阳能、风能资源并通过一定的技术手段为其并网接入提供了保障。另外，储能系统的设置可以有效抑制分布式发电过程功率波动问题，对于保证微电网稳定、可靠运行发挥了至关重要的作用。文献[6-8]针对单一储能设备的拓扑结构进行了深入研究，其中，抽水储能是利用电网低谷时的剩余电力将水从低水库抽到高水库，在用电高峰时借助回流水力推动水轮发电机进行发电，主要用于电力调峰和备用中，但缺陷在于选址困难、投资大、周期长及损耗高等。压缩空气蓄能也是利用电力低谷时的剩余电量驱动电机压缩空气并储存能量，在用电高峰时做功发电，但此方案存在效率低，对选址有一定要求且依赖常规化石燃料；飞轮储能是利用高速旋转的飞轮以动能的形式将能量进行储存，需要能量时则飞轮减速运行，释放出存储的能量。但也存在能量密度低、自放电率高等不足之处，如停止充电，能量将在一定时间内自行耗尽；超导储能是利用零电阻材料制成的储能装置，但开发难度较大，无法在商业市场大规模推广应用。

锂电池储能是一类由金属或氧化物作为极性材料、使用非水电解质溶液的电池，能量密度大，效率可达95%以上，放电时间长，循环次数可多达5 000次，技术成熟，可以提供较大电能，但充电时间长且功率响应较慢；超级电容器储能原理是采用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构来获取超大的电容量。超级电容器的充放电过程始终是物理过程，充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节能环保，属于功率型的储能设备，主要应用于快速补充能量或负荷突变的应急情况。由于缺点的限制，单一的储能设备将很难满足微电网运行功率和能量密度的需求，因此，必须结合两种或更多的储能组成混合储能系统，混合储能技术不仅兼具了能量密度和功率密度的优势，同时具备较强的互补性。由于蓄电池和超级电容应用较早，技术成熟且性价比高，是当前微电网中混合储能的最佳搭配[9，10]。

1混合储能系统的拓扑结构

1.1直流侧并联

超级电容和蓄电池在直流侧并联，用DC/AC变流器与电网连接的情况大致可分为以下4种：(1)UC和蓄电池直接并联；(2)UC和蓄电池通过DC/DC并联；(3)蓄电池接DC/DC，UC与直流母线并联；(4)UC接DC/DC，蓄电池与直流母线并联。通过对直流母线电压的控制进行功率调节，控制上较简单。本文以较普遍的情况(2)为例进行比较。直流侧并联拓扑结构如图1所示。

图1　直流侧并联拓扑结构

该结构简单、成本低、系统效率高、响应速度快，可以使电池和UC放电更彻底，优化设计系统的额定容量。但使用DC/DC变流器产生功率损耗并使系统成本增加、效率降低。

1.2交流侧并联

如图2所示拓扑中UC和蓄电池通过DC/AC变流器在交流侧并联。每种储能设备单独配置双向变流器，不仅能够快速响应网侧的电压、频率变化，且通过变流器实现对参考功率的准确追踪，各储能可以对微电网的输出功率集中控制和调节，实现微电网与大电网连接点的电压稳定；两个DC/AC变流器可以独立配置，满足各自的功率需求。该结构适用于兆瓦级及以上的大容量储能系统，可以直接并联扩容。

图2　交流侧并联拓扑结构

因此，混合储能拓扑结构的选择取决于不同因素，在每个应用下都必须进行全面的分析以便能够确定最佳的选择[11]。本文选择图2中的拓扑结构进行仿真分析。

2交流微电网典型结构

本文参考某省电科院的微电网实际结构，设计了图3所示的微电网运行系统。

图3　微电网系统结构

本系统由风力发电机、光伏阵列、储能单元、逆变器、负载等部分组成的混合储能独立发电系统。微电源配置分别为单晶硅光伏阵列、小型永磁风力发电机、磷酸铁锂电池与超级电容。微电网通过静态开关连接变压器0.4kV侧，隔离变压器采用△/Y连接，其中网内采用三相四线制方式连接，网侧按△形接法。网内分布式电源及负载分别通过断路器接入交流母线。对于图3微电网而言，磷酸电池主要用于稳定公共点电压，保证能量供需平衡，超级电容功率密度高，重点用于快速补偿负荷功率波动以及抑制功率突变对公共母线的冲击。

3控制策略及算法

根据本文所提出的微电网结构，设计如图4所示的分层平抑功率波动结构模型。

图4　分层控制结构

本系统由3层结构组成：最上层为功率优化计算层，负责对外部环境(风速、温度、光照度)及负荷状况进行实时监测，主要计算执行储能系统所需的总功率，为两类储能系统提供输出功率期望值；制定两类储能系统的输出功率设定Ps，并将该设定传送给中间部分的协调分配控制层，协调分配控制层根据当前蓄电池与超级电容的荷电状态(SOC)调整(有功功率—频率、无功功率—电压)下垂系数，从而为两类储能系统分配合理的输出功率；协调分配控制层主要功能为实现两类储能的荷电状态的平衡以及对给定输入功率的快速跟踪控制。下层为输出执行层，通过接受中间层的功率给定信息，启动双向DC/AC功率变换器并通过电力电子器件的开断，控制电流的大小及方向，完成储能系统充电与放电。

3.1功率优化算法

图5所示为本文设计的优化算法模型，SOCav、SOCav_exp分别为储能系统的荷电状态平均值和期望值；混合储能比例系数和容量分别为KS、QS；ΔPS为混合储能输入或输出功率；Pad为储能系统的功率调节量。以有功功率的平抑为例进行分析，假设微电网中光伏阵列和风机的输出功率为Pnew，经过低频滤波后得到的功率为Pout，则两者的关系为：

(1)

为平抑负荷功率波动，实际微电网输出的期望功率为：

(2)

ΔPS=(SOCav-SOCav_exp)×QS×KS

式中SOCBT，SOCUC——蓄电池和超级电容的荷电状态；QBT，QUC——蓄电池和超级电容的容量。

假设t1=t2=t，则

(3)

经推导可得，混合储能系统的设定功率为：

PS_ref=Pout_ref-Pnew

(4)

由式(3)、式(4)可知：

(5)

混合储能的功率变化量为：

ΔPS_ref=Pad

(6)

图5　优化算法模型

3.2协调分配控制

根据如图6所示的微电网的下垂特性(Droop)，为系统设计协调分配控制策略。下垂特性原理如下：最初分布式电源运行在点A，此时对应的有功功率为P0、无功功率为Q0、频率为f0、公共点电压为E0。当有功和无功增大时，对应的频率和电压降低，反之亦然。当功率增大到Pmax和Qmax时，则系统会有A点过渡到B点运行[12]。下垂特性可以用式(7)进行描述。在实际运行过程中两类储能的荷电状态可能不一致，还会影响发电能力，基于此，在设置下垂系数时需分别考虑。

图6　下垂控制原理图

(7)

协调分配控制策略的基本思想是通过系统频率和电网内部公共点处的电压测量值，考虑蓄电池和超级电容各自的下垂系数和荷电状态来确定储能的有功功率与无功功率的输出参考值。设计如图7所示的控制器结构，在采集电压频率并结合蓄电池荷电状态的基础上确定下垂系数，进而计算负荷功率的缺额，结合微电网的出力情况测算蓄电池的功率输出，采用Park变换获得控制功率输出信号。

图7　协调分配控制策略

4PSCAD/EMTP仿真

本节模拟了系统运行在模式切换与负荷突变状态下的情形并进行数字仿真，各项参数为：光伏阵列、风电机组、蓄电池、超级电容等的功率为：20、10、20、15kW。通过与单独投入蓄电池或超级电容储能的充放电过程进行仿真对比和分析，验证了混合储能系统的放电特性及平抑效果。

假设系统工作在并网状态，当切换至孤岛运行后有功功率缺额为10kW，无功为3kVar，储能设备的下垂系数相等且SOC均为100%，孤岛时刻设置为第1s，第2s时再进行并网，孤岛持续时间为1秒钟，用PSCAD对此切换过程进行仿真。

图8、图9为仅投入蓄电池和超级电容的功率输出波形。由波形可看出，孤岛运行时微电网缺乏外部功率支撑，所以各储能在孤岛瞬间均发生功率突变，功率输出的稳态值基本一致，但超级电容的功率跟踪更快，上升曲线更陡，补偿效果更好，体现了功率型储能的优势。图10为分别投入蓄电池和超级电容时的频率波动曲线，由图10可知超级电容补偿后的频率波动比蓄电池要小。图11为系统投入蓄电池-超级电容的混合储能后，系统功率分配及输出电压、频率的波形。图12所示为当在系统中投入混合储能且两者的荷电状态相等时的功率分配状况，按下垂系数进行分配且稳态后的有功功率及无功功率各占一半，但明显超级电容的放电速度大于蓄电池。

图8　单独投入蓄电池时的输出功率

图9　单独投入超级电容时的输出功率

图10　单独投入电池/超级电容时的频率波形

图11　混合储能状态下的功率分配波形

图12　混合储能状态下的电压与频率波形

由图12得，系统经混合储能平抑波动功率后，不论微电网运行在并网或孤岛模式下还是模式切换时，公共点电压及频率波形几乎无波动，证实了混合储能的平抑效果。

5结语

本文针对分布式可再生能源发电易受外界环境因素影响，发电过程存在波动性和不可预知性等特点，采用互补性较强的磷酸铁锂电池与超级电容器构成混合储能系统接入微电网，提出了分层平抑功率波动的控制策略，给出了各层控制算法和储能系统的容量设置方案，在考虑两类储能的荷电状态及不同工作特性的基础上进行自适应优化分配负荷功率，实现了储能系统的经济运行，达到了平抑功率波动的目的，最后进行了数字化仿真测试，验证了所提方案的有效性。

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(本文编辑：严加)

Application of Hybrid Energy Storage Device in MicroGrid

ZHANG Ji-hong, WANG Peng-xu, YANG Pei-hong

(InformationEngineeringSchool，USTInnerMongolia，Baotou014010,China)

Abstract:This paper introduces the working principles and functions of hybrid energy storage device, and designs the proper topology for the system. In view of the issues such as lack of inertia, vulnerability to voltage frequency fluctuation and some serious deficiencies in a single storage during microgrid running, the paper proposes stratified smooth control power fluctuation program and related control strategy. It can damp power fluctuation based on optimizing the ratio of energy storage capacity by adaptive droop algorithm, and take advantage of batteries and ultra capacitors effectively. The proposed method has been simulated by using PSCAD/FMTDC software. The results verify the feasibility of the control strategy.

Key words:microgrid; hybrid energy storage system; smooth control power fluctuations; power quality

DOI：10.11973/dlyny201603017

基金项目：内蒙古教育厅科学技术研究项目(NJY14170，14165)；内蒙古自治区自然科学基金(2016MS0515)

作者简介：张继红(1975)，男，博士，副教授，研究方向为微电网控制与保护。

中图分类号：TM712

文献标志码：A

文章编号：2095-1256(2016)03-0335-05

收稿日期：2016-03-04