周广亮

摘 要 近年来，我国对电能的需求不断增加，电网建设越来越多，对蓄电池的应用也在不断增加。蓄电池超级电容器混合储能系统既可充分应用功率型储能器件的物理特性，又可优化蓄电池的充放电过程，是储能技术未来发展方向之一。本研究中提出了一种主从结构双重解耦控制策略，利用功率前馈解除了母线电压与扰动输入间的耦合关系，也抑制了耦合扰动输入对超级电容端电压的影响，将端电压有效维持在一定范围，解决了传统控制策略下超级电容的过充过放问题，简化了控制过程;而且在保证微电网穩定运行的同时，使得蓄电池的充放电电流变化平滑，降低其变化率，延长其使用寿命，并提高了微电网孤岛运行储能系统运行的可靠性。

关键词 微电网;孤岛运行;混合储能;解耦控制

引言

目前，直流储能系统被广泛应用于分布式电源和直流微电网中。由于风能和太阳能具有间歇性、波动性、不可预测性，为减小其波动对发电系统的影响，提高电能质量和保证系统功率平衡，可以在单台分布式电源直流侧配备储能系统，或在直流微电网中配置大功率储能系统来提供恒定的直流电压支撑。

1混合储能系统结构

直流微电网往往不可避免地会运行在孤网模式下。此时，微网中负荷所需能量主要依靠风力发电和光伏发电来提供，由于两者输出功率存在间歇性与波动性，输出与负荷之间或多或少会出现一些功率差额，在微网中接入储能系统可以对差额进行平衡。然而单一的储能形式并不能完全满足微网中的这一需求，因此设计以超级电容器为主，铅酸蓄电池为辅，通过电路拓扑将两种不同的储能元件结合在一起，构成的混合储能系统，比起将储能元件拆开单独使用，性能上有着很大幅度的提升。同时，针对所提出的拓扑结构，专门设计了一套与之相适应的控制策略[1]。

2混合储能系统功率分配

系统截止频率越高，响应速度就会越快，而开环和闭环截止频率存在正相关的联系，因此系统的反应速度可用开环截止频率来表征。在我们提出的双重解耦控制结构中存在4个主回路闭环，若区别设置4个环路的开环频率，可使得波动功率的高低频分量自动隔离。将蓄电池和超级电容的外环控制器开环频率区别设置，二者对于波动功率的响应速度也会明显不同。当外部环境变化导致储能系统功率缺额出现波动时，由超级电容器优先响应以弥补缺额，在此过程中其端电压亦会发生改变。根据蓄电池控制环路的目标，在超级电容端电压波动后，蓄电池会缓慢反应，利用自身蓄能为超级电容进行充放电操作，将超级电容的剩余电量在动态平衡保持稳定。在这个动态过程中，超级电容响应快，补偿高频功率波动;而蓄电池响应缓慢，补偿低频功率波动，降低蓄电池端电流变化率，延长其使用寿命。在整个平抑功率波动的过程中，并不影响母线电压的稳定[2]。

3蓄电池储能系统控制

蓄电池属于典型的能量型储能，可以指定功率进行充放电或者作为系统平衡节点满足系统功率平衡和维持频率稳定，主要采用PQ控制或Vif控制两种运行方式。当蓄电池储能系统参与系统功率调节时双向并网变流器采用PQ控制。而当蓄电池储能系统作为由电源时，双向并网并流器采用Vif控制，使输出的电压频率恒定为系统提供稳定的交流电压[3]。

4仿真研究

负载在1.000s发生突变，储能系统的充电电流阶跃性变大，当负载电流从0.4A跳变为0.8A时，蓄电池和超级电容的充电电流都处于增大状态，但后者的电流变化率明显比前者高，系统在0.025s内即恢复到稳态，证明超级电容承担了系统的瞬时冲击功率，而蓄电池对长时功率波动缺额进行了弥补。双重解耦控制策略使得高频和低频波动功率在两种储能装置内得到有效分配并补偿，同时蓄电池的充电电流平稳增大，变化率较小。负载在1.000s发生突变时直流母线电压瞬态响应的波形图，当负载电流变化时，母线电压依然保持稳定，基本没有波动，电压波动率小于0.1%，双重解耦控制策略可有效抑制母线的功率波动。在1.30s时刻，负载电流从0.8A跳变为-3.2A时，蓄电池和超级电容的充电电流都有所减小，但超级电容承担了系统的瞬时冲击功率，电流变化率较为明显，而蓄电池电流变化较为缓慢。在1.60s时刻，负载电流从-3.2A跳变为-11.6A时，储能系统由充电状态转变为放电状态，蓄电池和超级电容的电流也都由正转负，此时超级电容的电流变化率依然较高，蓄电池的充电电流缓慢变化，系统在0.05s内即恢复到稳态。证明超级电容承担了系统的瞬时冲击功率，而蓄电池对长时功率波动缺额进行了弥补。在负载变化时，系统由充电状态转为放电状态，母线电压始终维持在100V，电压波动率很小，证明所提控制策略对母线功率波动存在很强的抑制效果。仿真参数如表1。

5结束语

综上所述，混合储能系统兼具超级电容器大功率充放电、使用寿命长以及蓄电池容量大等优点，两种储能元件相辅相成，扬长避短，很好的针对了微电网中同时存在的高、低频波动情况，混合储能系统利用超级电容提供负载功率突变高频功率分量的运行方式，缓冲蓄电池输出电流突变是并减小了直流母线电压突变，稳定了系统交流母线输出电压和电流波形，充分利用超级电容和蓄电池储能的优点，保障了整个储能系统具有高能量密度和高功率密度。

参考文献

[1] 张学，裴玮，屈慧，等.多源/多负荷直流微电网的能量管理和协调控制方法[J].中国电机工程学报，2014，34（31）：5553-5562.

[2] 杨新法，苏剑，吕志鹏，等.微电网技术综述[J].中国电机工程学报，2014，34（1）：57-70.

[3] 董宜鹏，谢小荣，孙浩，等.微网电池储能系统通用综合控制策略[J].电网技术，2013，37（12）：3310-3316.