(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院， 吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 吉林 長春 130000；3.國網(wǎng)吉林省電力有限公司，吉林 長春 130000；4.長春供電公司，吉林 長春 130000)

1 引言

隨著霧霾、大氣溫度上升及化石資源短缺等環(huán)境問題進一步惡化，大力發(fā)展新型的清潔可再生能源已不可避免[1]。但是風(fēng)速、光照等自然資源具有強間歇性，從而導(dǎo)致相關(guān)機組發(fā)電的功率出力具有明顯的不確定性，在接入電網(wǎng)的同時不可避免的對電網(wǎng)整體的優(yōu)化、運行及調(diào)度等工作帶來一定的挑戰(zhàn)，限制了其大規(guī)模的發(fā)展[2-3]。微電網(wǎng)(Micro-grid,MG)作為一種新型的發(fā)電模式，其因為含有充裕的儲能系統(tǒng)容量配置，能在一定程度上緩解風(fēng)、光發(fā)電的波動幅度，為其接入電網(wǎng)提供相關(guān)便利。

儲能技術(shù)因為其擁有一定功率平滑性能，最近幾年得到了大量學(xué)者們的關(guān)注，由于它可以對間歇性出力資源的輸出功率進行一定程度平滑，因此其在間歇性能源發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域取得了巨大的成功和應(yīng)用[4]。但是單一類型的儲能技術(shù)因為其運行成本高、使用場合要求高和平滑效果差等因數(shù)的影響，具有一定的局限性，從根本上限制了其大規(guī)模發(fā)展[5]。相比于單一儲能方式來說，混合儲能系統(tǒng)(Hybrid Energy Storage System，HESS)具有無法比擬的優(yōu)勢，能更好、更快速的對外部功率特性曲線進行動態(tài)平滑，是現(xiàn)有微電網(wǎng)儲能方式發(fā)展的一種新型有效手段[6-7]。文獻[8]建立了混合儲能的數(shù)學(xué)模型，提出一種MG中混合儲能的優(yōu)化配置數(shù)學(xué)模型，利用粒子群算法進行模型求解，有效改善了MG中的各項運行指標(biāo)。文獻[9]搭建了蓄電池-超級電容器混合儲能模型，并提出了一種基于二階低通濾波法的混合儲能控制策略，該策略能夠?qū)夥娬境隽崿F(xiàn)有效平滑。文獻[10]在搭建蓄電池-超級電容器混合儲能模塊的基礎(chǔ)上，對電池內(nèi)部的充放電深度進行合理估算，同時建立混合儲能系統(tǒng)綜合成本最小的微電網(wǎng)優(yōu)化配置模型，利用粒子群算法進行問題求解，具有很好的經(jīng)濟性能。以上文獻深度分析混合儲能在平滑微電網(wǎng)間歇性資源出力問題，具有很好的工程實用價值。

本文結(jié)合現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上搭建磷酸鐵鋰電池和超級電容器的混合儲能模型；設(shè)計一種基于二階低通濾波器原理的功率分配策略，合理分配儲能系統(tǒng)的配置功率及容量；建立考慮微電網(wǎng)源荷側(cè)不確定性出力的風(fēng)力、光伏和負(fù)荷模型，分析搭建的混合儲能系統(tǒng)在平滑微電網(wǎng)不確定出力上的高效性。

2 微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)工作特性分析

2.1 鋰電池工作特性分析

常用的評價鋰電池工作的性能參數(shù)主要有電池容量、荷電狀態(tài)、放電深度，其對應(yīng)的基本概念如下：

(1)電池容量

鋰電池的電池容量就是在恒定的放電狀態(tài)下，當(dāng)其對應(yīng)的端電壓下降到臨界電壓的時刻，所釋放出來的總電量，其對應(yīng)的計算公式為：

Cdis=Idistdis

(1)

式中：Idis為放電電流(A)；tdis為放電時間；Cdis為鋰電池的放電容量(Ah)。

若放電過程中的放電電流非恒定，則需要采用積分的處理手段來計算其電池容量：

(2)

(2)荷電狀態(tài)

鋰電池的SOC指標(biāo)常用于評估其在充放電狀態(tài)下的實時剩余電量，其對應(yīng)的計算公式如下：

(3)

式中：QR為評估時刻下鋰電池剩余電量；Qsum為評估時刻下鋰電池的最大釋放容量。

如果將電池充滿電狀態(tài)定義為SOC=1，那么：

Qsum=QR+Q

(4)

結(jié)合公式(4)，荷電狀態(tài)的另外一種表達形式為：

(5)

式中：Q評估時刻下已釋放電量。

(3)放電深度

鋰電池的放電深度(depth of discharge，DOD)是指當(dāng)前時刻下所釋放出來的電量和能全部釋放總電量的比值，其對應(yīng)的計算公式如下：

(6)

DOD=1-SOC

(7)

2.2 超級電容器工作特性分析

超級電容器的電容大小與自身能存電量多少密切相關(guān)，本文將超級電容等效成一個理想電容和一個電阻并聯(lián)，再與一個小電阻串聯(lián)的形式，其對應(yīng)的本征容量C定義為：

(8)

對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型如下：

通過實驗來確定C=C(T(t),I(t))和R=R(T(t),I(t))，然后定義下式：

(9)

那么超級電容的端電壓U和其開路電壓Uc可得：

(10)

式中：U0為超級電容初始電壓；Ileak為漏電流；R為等效內(nèi)阻；C為本征容量；t為充放電時間。

參照荷電狀態(tài)的定義，超級電容器的SOC可以表示為：

(11)

式中：Qremain表示殘余電量；Qtotal表示總電量。

3 混合儲能模塊搭建

本文搭建的混合儲能模塊中鋰電池等效為一個理想電壓源和一個其對應(yīng)的電阻串聯(lián)模塊，與此同時，超級電容器等效為一個理想電容和一個小電阻串聯(lián)模塊，同時通過功率變化器將鋰電池和超級電容器并聯(lián)，構(gòu)成本文的混合儲能系統(tǒng)，其對應(yīng)的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)

圖1中混合儲能系統(tǒng)首先通過DC-AC變換器將直流源轉(zhuǎn)化為交流源，再通過升壓變壓器單相接入電壓等級為10kV的交流微電網(wǎng)中，其中鋰電池模塊與超級電容模塊借助于DC-DC變流器并聯(lián)接在一起，免去了鋰電池兩端電壓和超級電容的電壓要求必須一致的限制，該混合儲能系統(tǒng)首先將超級電容器放置前段，與DC/AC變流器相連，充分發(fā)揮了功率密度大、相應(yīng)時間短、可承受充放電次數(shù)多等優(yōu)點，通過主動控制功率開關(guān)VT1、VT2來精確的控制鋰電池的輸出功率，優(yōu)化其工作狀態(tài)，從而避免過大功率、過于頻繁的對鋰電池進行充放電。圖1中的并網(wǎng)控制器通過采集微電網(wǎng)側(cè)的交流母線電壓來生成儲能系統(tǒng)輸出電流的參考值，然后再同實際輸出值相比較產(chǎn)生控制DC/AC變流器的SVPWM信號。而控制鋰電池放電的DC/DC變流器中的SVPWM信號則是通過電流控制器采集的超級電容器端電壓和并網(wǎng)控制器給出的充放電信號來生成輸出電流參考值，同實際值進行比較而產(chǎn)生的。

4 混合儲能系統(tǒng)功率分配策略

微電網(wǎng)中風(fēng)、光互補系統(tǒng)能在一定程度上減少單一微電源的波動幅度，有效提高微網(wǎng)運行的可靠性，但是受外部環(huán)境因數(shù)的影響，其出力任然存在較強波動，對微網(wǎng)合理運行埋下潛在隱患。利用二階低通濾波原理對混合儲能功率進行分配，合理發(fā)揮各儲能設(shè)備的優(yōu)勢。不考慮系統(tǒng)損耗因數(shù)的影響，微電網(wǎng)中風(fēng)、光微電源的功率出力之和可以表述為：

PMC(t)=Pwind(t)+Psolar(t)=PHESS(t)+Pun(t)

(12)

式中：PMC(t)為t時刻微網(wǎng)實際輸出的有功功率PHESS(t)為t時刻微網(wǎng)混合儲能吞吐的有功功率；Pun(t)為t時刻微網(wǎng)總輸出有功功率的一次目標(biāo)值。

混合儲能的吞吐功率值與微網(wǎng)實際有功功率輸出值和接入電網(wǎng)的一次目標(biāo)值密切相關(guān)，若PMC(t)小于Pun(t)時，混合儲能應(yīng)釋放部分電量以補償微網(wǎng)的有功功率；若PMC(t)大于Pun(t)時，混合儲能應(yīng)吸收部分電量以儲存微網(wǎng)的有功功率。

在對兩種儲能裝置進行功率分配研究之前，首先需要對原始輸出功率進行頻譜分析。利用傅里葉變換手段對原始輸出的隨機波動功率數(shù)值進行變換，得到其對應(yīng)的功率波動頻譜圖如圖2所示。

圖2 傅里葉變換后的原始功率頻譜

本文利用二階低通濾波器原理對儲能系統(tǒng)功率進行分配。由圖3所示，Pun(t)為原始輸出功率、PSC(t)為超級電容器運行功率、PBAT(t)為鋰電池運行功率，經(jīng)微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)平抑后的并網(wǎng)功率波動量大小由fBAT所決定，超級電容器與鋰電池的功率波動平抑范圍由超級電容器的低通濾波截止頻率fSC決定。

根據(jù)確定的各自平抑范圍選擇與之對應(yīng)低通濾波時間常數(shù)。二者的運行功率計算公式如下：

圖3 二階低通濾波器功率分配原理

(13)

(14)

5 微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)沖放電控制方法

對MG中HESS的每個儲能單元的充放電狀態(tài)進行監(jiān)測能減少其發(fā)生過充或過放的現(xiàn)象，有效提高MG中HESS的工作效率并延長其使用壽命。本文考慮各儲能單元的電量裕度，對混合儲能單元中鋰電池和超級電容器的實時SOC進行估計，合理的安排各儲能裝置所承擔(dān)的充放電任務(wù)。

(1)當(dāng)PHESS<0時

若混合儲能模塊中第i個電池的DOD值滿足DODi≥DODmax，表示這個所對應(yīng)的電池?zé)o法繼續(xù)放電，則雙向變流器上流動的功率為：

PHESS-i(t)=0

(15)

若混合儲能模塊第j個電池的DOD值滿足DODj

PHESS-j=-PHESS(t)

(16)

式中:CHESS-j為第j個儲能單元的基本容量；CHESS-j(DODmax-DODj)為第j個儲能單元剩余容量。

(2)當(dāng)PHESS>0時

若混合儲能模塊第i個電池的SOC值滿足SOCi>SOCmax，表示這個所對應(yīng)的電池?zé)o法繼續(xù)充電，則雙向變流器上流動的功率為：

PHESS-i(t)=0

(17)

若混合儲能模塊第j個電池的SOC值滿足SOCj

PHESS-j=PHESS(t)

(18)

式中：CHESS-j(SOCmax-SOCj)為第j個儲能單元的可充電容量。

6 算例分析

6.1 混合儲能模型分析

圖4是在simulink中所搭建的單個混合儲能系統(tǒng)仿真電路，其對應(yīng)額定安裝容量為500kW，其中單個超級電容器電芯型號為2.7V/200uf，單個鋰電池型號為2.7V/20Ah，500kW混合儲能系統(tǒng)中每一個電池模塊由10個電芯串聯(lián)，6個電芯并聯(lián)組合，其對應(yīng)的端電壓為27V，端電流為120A，500kW混合儲能系統(tǒng)中每一簇電池模塊由26個電池模塊組成，其對應(yīng)的額定電壓為702V，額定電流為760A，混合儲能模塊通過Boost電路級聯(lián)在一起，并通過PCS控制電路接入電網(wǎng)。

圖4 儲能系統(tǒng)仿真模型

運行Matlab/Simulink中搭建的儲能部分仿真電路。首先，對DC/DC電路輸出電壓進行分析，圖5中給出了DC/DC電路仿真運行結(jié)果。

圖5 DC/DC電路電壓運行結(jié)果

可以看出，圖5中直流電壓經(jīng)升壓環(huán)節(jié)被調(diào)制為700V，調(diào)節(jié)過程迅速且無超調(diào)，表明DC/DC控制環(huán)節(jié)電壓外環(huán)調(diào)節(jié)的有效性。

并網(wǎng)逆變器微電網(wǎng)混合儲能與交流電網(wǎng)交互的橋梁，其運行性能直接決定了微電網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)對波動電網(wǎng)支撐的有效性。圖6中給出了小功率支撐下并網(wǎng)逆變器穩(wěn)態(tài)運行仿真結(jié)果。

圖6 小功率支撐下并網(wǎng)逆變器穩(wěn)態(tài)運行結(jié)果

可以看出，并網(wǎng)逆變器穩(wěn)態(tài)電壓、電流分布規(guī)律，其中圖6(a)穩(wěn)態(tài)線電壓呈PWM波形特性，圖6(b)穩(wěn)態(tài)電流呈高正弦度特性，且總畸變率小于5%，滿足并網(wǎng)電流運行要求。

6.2 混合儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用

為驗證所采用的功率波動平抑策略及所設(shè)計的儲能系統(tǒng)配置策略的合理性，給儲能系統(tǒng)提供一個類似于微電網(wǎng)并網(wǎng)時刻的波動頻率，時間常數(shù)設(shè)置為2400s，原始風(fēng)力和光伏出力數(shù)據(jù)從matlab調(diào)用函數(shù)中直接導(dǎo)入至simulink數(shù)據(jù)組中，混合儲能系統(tǒng)配置總?cè)萘坎怀^分布式資源的10%，取其值為7MW，考慮到單個混合儲能模塊的額定容量僅為500kW，因此需要并聯(lián)10個混合儲能單元才能滿足實驗要求。對一組隨機生成的風(fēng)、光不確定性功率出力進行平滑處理，原始風(fēng)、光功率波形分布情況如圖7所示。經(jīng)過HESS平抑后的波形分布情況如圖8所示。

由圖8可知，在平滑原始功率波動性方面，采用HESS處理的效果比采用超級電容器的效果更佳，是因為MG中HESS的能量密度相對于單一儲能方式來說有很大改善。最終輸出的功率波形滿足系統(tǒng)調(diào)度需求，證明了所搭建儲能系統(tǒng)具有平抑功率波動的功能。

圖7 原始并網(wǎng)功率分布情況

圖8 經(jīng)HESS平抑后并網(wǎng)功率分布情況

將超級電容和鋰電池的充放電功率波形提取出來單獨對比，兩者的充放電曲線分布分別如圖9、圖10所示。

觀察對比兩組波形可以發(fā)現(xiàn)，圖9中超級電容每個時間點的充放電量大且更加頻繁；圖10中鋰電池各個時間點充放電電量較小且頻率低。原因是因為本文的HESS采用二階濾波原理，首先第一階主要利用超級電容器平滑原始輸出功率的高頻波動分量及系統(tǒng)需要快速響應(yīng)時鋰電池的功率響應(yīng)延遲量，然后再由第二階的鋰電池對其進行進一步的平滑。這樣的設(shè)計可以高效的利用超級電容的特點，保證以鋰電池在正常工作為前提，緩解其過多的充放電的壓力，有效地增加了鋰電池的效率運行時長。

圖9 超級電容器充放電功率波形

圖10 鋰電池的充放電功率波形

7 結(jié)論

本文基于二階低通濾波法配置超級電容器與鋰電池的功率及容量，在充分考慮儲能系統(tǒng)的工作特性的前提下，同時考慮儲能單元的放電深度以及荷電狀態(tài)對系統(tǒng)充放電狀態(tài)的影響，對鋰電池和超級電容的平抑功率進行合理分配。仿真算例結(jié)果驗證了該混合儲能系統(tǒng)能夠在有效平抑功率波動的前提下優(yōu)勢互補，超級電容高頻率快速的充放功率，承擔(dān)了更多高頻波動平抑任務(wù)。此復(fù)合式儲能組合有效降低了鋰電池的充放電次數(shù)，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，延長了鋰電池運行時長。