超级电容器与蓄电池混合储能系统在微网中的应用

超级电容器与蓄电池混合储能系统在微网中的应用 张国驹1 ,2 , 唐西胜2 , 齐智平2 (1. 中国科学院研究生院 , 北京市 100190 ; 2. 中国科学院电工研究所 , 北京市 100190) 摘要 : 由于微网中含有发电单元输出功率与负荷功率 2 组不相关随机变量 ,储能需要频繁吸收 (发 出)有功功率以维持微网的稳定运行 ,这对传统蓄电池储能的工作状况产生了较大的负面影响 ,缩 短了其使用寿命。文中提出了适用于微网的超级电容器与蓄电池混合储能结构 ,采用统一建模方 法进行了建模 ,并采用小信号分析方法推导了储能的稳定条件。针对该混合储能结构 ,采用多滞环 调节控制策略提高了储能的灵活性与实用性。利用超级电容器功率密度高和循环寿命长的优点 , 通过控制双向 DC/ DC 变换器实现对蓄电池充放电过程的优化控制 ,可以避免蓄电池单独储能时 的容量浪费 ,延长其使用寿命 ,提高储能的技术经济性。仿真和实验结果验证了所提出的混合储能 结构及其控制策略的有效性。 关键词 : 微网 ; 超级电容器 ; 蓄电池 ; 混合储能系统 ; 多滞环调节控制 收稿日期 : 2009211212 ; 修回日期 : 2010204210。 国家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 ( 863 计 划 ) 资 助 项 目 (2009AA05Z210) ;国家自然科学基金资助项目 (50777064) ; 中国科学院知识创新工程方向性项目“适用于微网的分布式 光伏电源关键技术研究与示范”。 0 　引言 为整合分布式发电的优势 ,削弱分布式发电对 电网的冲击和负面影响 ,最大限度发挥分布式发电 的技术经济性 , 2001 年 , 美国威斯康星大学 R. H. Lasseter 等人提出了微网的概念[1 ] 。一个典 型的微网由多种分布式发电单元、储能及负荷组成 , 并由一个中央能量管理单元负责微网内的发电调 度。其中 ,储能对于微网的稳定控制、电能质量的改 善和不间断供电具有非常重要的作用[223 ] ,是微网安 全可靠运行的关键。铅酸蓄电池因技术成熟、成本 较低而获得了广泛应用。 微网中 ,风电和太阳能光伏等分布式发电单元 的输出功率具有间歇性和随机性的特点 ,而负荷的 变化也具有随机性 ,这给微网的稳定运行带来了较 大挑战。为了维持微网内部的瞬时能量平衡 ,储能 往往需要频繁地吸收 (发出)较大功率。频繁的大功 率充放电和深度放电会造成铅酸蓄电池温度升高、 正负极板上的活性物质脱落等现象 ,导致电池容量 积累性亏损并在短时间内快速下降 ,严重影响电池 的使用寿命[425 ] 。 为了优化蓄电池的工作过程 ,延长其使用寿命 , 文献[ 6 ]提出了超级电容器与蓄电池混合储能的思 路 ,从理论上证明了混合储能可以充分利用蓄电池 和超级电容器的互补特性 ,提高储能的功率输出能 力 ,减少蓄电池的充放电次数从而延长其使用寿命。 随后 ,在电动汽车[7 ] 、工程机械[ 8 ]等领域都有混合储 能的应用研究。文献[ 9210 ]对混合储能应用于独立 光伏等分布式发电系统进行了研究 ,结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 ,混合 储能可以优化蓄电池的充放电过程 ,减少充放电小 循环次数 ,延长蓄电池的使用寿命。基于以上研究 , 可以预见 ,超级电容器与蓄电池混合储能在应对微 网中频繁快速的功率和能量变化方面具有很好的技 术经济性 ,但目前尚无相关研究文献。 本文在分析微网稳定运行对储能需求的基础 上 ,提出适用于微网的超级电容器与蓄电池混合储 能结构 ,采用多滞环调节控制策略以提高储能的灵 活性与实用性。在满足微网运行需求的前提下 ,混 合储能结构能够延长蓄电池的使用寿命 ,提高储能 的经济性。通过仿真和实验验证了所提出的混合储 能结构及其控制策略的有效性。 1 　应用于微网的混合储能结构 本文采用如图 1 所示的超级电容器与蓄电池混 合储能结构。蓄电池组通过双向 DC/ DC 变换器与 三相脉宽调制 ( PWM)变换器的直流母线相连 ;超级 电容器组则直接与三相 PWM 变换器的直流母线相 连 ;三相 PWM 变换器经升压变压器接入微网的交 流母线 ,通过与微网之间的有功和无功功率交换实 现系统的瞬时功率平衡和稳定控制。 —58— 第 34 卷 　第 12 期 2010 年 6 月 25 日 Vol. 34 　No. 12 J une 25 , 2010 图 1 　应用于微网的混合储能系统结构 Fig. 1 　Structure of the hybrid energy storage system of super2capacitors and batteries in a microgrid 相比于其他超级电容器与蓄电池混合储能的拓 扑[6 ,9 ,11 ] ,图 1 所示拓扑可以充分利用超级电容器本 身储存的能量 ,优化蓄电池的充放电过程 ;而且超级 电容器直接接入直流母线 ,可以发挥其功率密度高 的优势 ,提升混合储能单元的功率输出能力和响应 速度。 2 　混合储能单元的建模与分析 在建立超级电容器与蓄电池混合储能单元及其 接入微网的模型时 ,考虑到双向 DC/ DC 变换器的 开关频率远大于微网状态的变化速率 ,因此 ,在短时 间内可以认为混合储能单元的直流母线功率恒定 , 等效为一个恒功率负载。 超级电容器虽然具有电容特性 ,但是由于其容 量巨大 ,因而时间常数τ较大 ,充放电周期长 ,在双 向 DC/ DC 变换器的一个开关周期内 ,可以认为超 级电容器的端电压不变 ,故把超级电容器等效为 1 个理想电压源与 1 个等效内阻串联。 在混合储能单元中 ,双向 DC/ DC 变换器是其 能量管理的关键。本文采用了 Buck/ Boost 双向功 率变换器 ( Buck/ Boost bi2directional converter , BBBC) ,其具有体积小、功率器件数量少、工作效率 高[12 ]等优点。对于 BBBC 的建模 ,可以采用 Buck 和 Boo st 这 2 种工作状态独立建模的方式[13 ] ,也可 以采用统一建模方式[ 14 ] ,本文采用统一建模方式。 图 1 对应的超级电容器与蓄电池混合储能系统等效 电路如图 2 所示。 设开关 S1 或者 D1 导通的时间为 d ,以电感电 流iL 和理想电容电压 u C为状态变量 ,利用状态空 间平均法 ,可得状态方程如下 : L d iLd t = V B - du C - RB iL C d uCd t = di L + V UC - uC R UC - uC R CPL (1) 式中 : RCPL为恒功率负载 ,当负载功率为 P0 时 ,有 RCPL = u2C/ P0 。 图 2 　混合储能系统等效电路 Fig. 2 　Equivalent circuit of the hybrid energy storage system 在稳态工作点 ( d0 , uC0 , iL0 ) 对状态方程进行线 性化 ,可得控制—电感电流输出传递函数如下 : 　 i ^ L d^ = - sCu C0 + 1RUC + 1 RCPL uC0 + s 2 L C + s 1RUC + 1 RCPL L + RB C + → ← di L0 RB 1RUC + 1 RCPL + d20 (2) 对于恒功率负载 RCPL ,假设在 t 时刻混合储能 单元的输出功率为 P0 ,端电压为 U ,则有[ 15 ] : R^ CPL = - RCPL = - U 2 P0 (3) 　　由此可得 : 　 i ^ L d^ = - sCu C0 + 1RUC - P0 u 2 C0 uC0 + s 2 L C + s 1RUC - P0 u 2 C0 L + RB C + → ← di L0 RB 1RUC - P0 u 2 C0 + d20 (4) 系统传递函数的极点为 : 　s = - 1 RUC - P0 u 2 C0 L + RB C ± 1RUC - P0 u 2 C0 L + RB C 2 - 4L C RB 1RUC - P0 u 2 C + d20 2L C (5) —68— 2010 , 34 (12) 　 　　由此可得系统的稳定条件为 : 1 RUC - P0 u 2 C0 L + RB C > 0 RB 1RUC - P0 u 2 C0 + d20 > 0 (6) 　　在实际系统中 ,只需满足 : P0 < u 2 C0 RUC (7) 就可以保证系统稳定。 采用本文第 4 节给出的仿真和实验验证参数 , 可得 BBBC 工作于 Boost 状态和 Buck 状态下开环 系统的控制—电感电流波特图分别如图 3 和图 4 所 示。可以看出 :当工作于 Boost 状态时 ,相位裕量为 90°;当工作于 Buck 状态时 ,相位裕量为 89. 8°。 图 3 　BBBC工作于 Boost 状态时的控制2输出波特图 Fig. 3 　Bode plots of BBBC working in Boost condition 图 4 　BBBC工作于 Buck状态时的控制2输出波特图 Fig. 4 　Bode plots of BBBC working in Buck condition 3 　混合储能单元的多滞环调节控制策略 超级电容器与蓄电池混合储能单元的能量管理 主要取决于 BBBC 的控制方案 ,为了满足微网运行 的功率与能量需求 ,并改善蓄电池的充放电过程 ,本 文采用了多滞环调节控制策略。该控制策略可以根 据系统实际情况 ,灵活多层次地设定蓄电池充放电 电流及其相互之间的转换过程 ,具有较高的实际应 用价值。 如图 1 所示 ,多滞环调节控制策略由多滞环电 流给定计算单元和电流调节器 2 个部分组成。多滞 环电流给定计算单元的控制逻辑由 2 个 3 模态滞环 组成 ,其输入是直流母线电容电压 uC ,输出是电流 给定值 iL_ref和 BBBC 的工作模式指令 ,如图 5 所示。 图 5 　电流给定计算单元 Fig. 5 　Reference current calculation block 电流给定计算单元首先根据 uC 值确定 i L_ref 值 的正负 , 即处于滞环的哪个半区 , 然后结合当前 BBBC 的工作模式 k 确定下一拍的工作模式 k + 1 , 最后根据滞环曲线得到电流输出指令 iL_ref ,并发送 到电流调节器。电流调节器根据工作模式指令确定 BBBC 的运行方式 :当 BBBC 运行于 Buck 模式时 , S2 的驱动封锁 ,S1 开关动作 ;当BBBC 运行于Boost 模式时 ,S1 的驱动封锁 ,S2 开关动作。通过 PI 调节 器实现电感电流 iL 对电流给定值 i L_ref 的无静差跟 踪控制。 4 　仿真与实验验证 为验证混合储能单元及多滞环调节控制策略的 有效性 ,本文基于 MA TL AB/ Simulink 建立了微网 仿真模型 ,如图 6 所示 ,并对微网的孤岛运行状态进 行了仿真。微网仿真模型包括定桨距失速型异步风 力发电机、配备励磁调节和转速控制的同步发电机、 混合储能单元和负荷等。仿真参数如下 :同步发电 机容量 30 kVA ,异步风力发电机容量 15 kVA ,混 合储能逆变器容量 15 kVA (蓄电池容量 100 A ·h , 额定电压 240 V ;超级电容器电容 15 F ,额定电压 360 V) ,负荷有功功率 15 kW、无功功率 20 kvar。 图 6 　微网仿真模型 Fig. 6 　Simulation model of a microgrid —78— ·绿色电力自动化 ·　张国驹 ,等 　超级电容器与蓄电池混合储能系统在微网中的应用 　　针对图 6 所示微网仿真模型的暂态仿真结果如 图 7 所示。 图 7 　微网暂态仿真结果 Fig. 7 　Transient simulation results for the scene microgrid 从图 7 的仿真结果可以看出 :蓄电池储能由于 蓄电池本身的限制 ,输出功率有限 ,不能满足微网稳 定运行时的功率需求 ,导致微网电压与频率的大幅 波动 ;采用混合储能时 ,由于超级电容器的高功率密 度特性 ,大幅度提高了混合储能单元的功率输出能 力 ,有效实现了微网的瞬时功率平衡 ,提高了微网运 行的稳定性。 为了充分验证本文所提出的混合储能系统的有 效性 ,搭建了 10 kW 的混合储能实验平台 ,实验参 数为 :超级电容器电容 20 F ,额定电压 270 V ,内阻 0. 1Ω ;蓄电池额定电压 120 V ,内阻 0. 5 Ω ;双向 DC/ DC 变换器电感 0. 5 m H ,开关频率 10 k Hz。 根据式 (7)计算可得 : P0 < u 2 C R UC = (300 V) 2 0 . 1Ω = 900 kW 可见混合储能系统能够稳定运行。 模拟微网运行过程中的状态变化 ,对混合储能 单元的工作过程进行了控制 ,蓄电池的充放电电流 设定为 10 A 和 20 A ,实验结果如图 8 所示。 图 8 中 :0 s～38 s 和 463 s～500 s 时段 ,微网处 于并网运行状态 ,混合储能单元与微网之间没有能 量交换 ,处于待机状态 ;38 s～463 s 时段 ,微网处于 孤岛运行状态。从图 8 可以看出 ,微网孤岛运行时 , 混合储能单元吸收 (发出) 的功率具有波动性大、峰 值功率高的特点 ;超级电容器能够快速响应微网的 功率变化 ,满足了微网的大部分功率需求 ;蓄电池则 根据直流母线的状态和系统指令以分段恒流的方式 充放电 ,其工作过程与蓄电池单独充放电相比得到 了优化。 图 8 　混合储能系统应用于微网的实验结果 Fig. 8 　Experimental results of the hybrid energy storage system for the scene microgrid 5 　结语 储能对于实现微网内部能量的瞬时平衡、维持 微网的稳定运行具有非常重要的作用。鉴于微网运 行过程对蓄电池储能的不利影响 ,本文提出了适用 于微网的超级电容器与蓄电池混合储能结构 ,并采 用多滞环调节控制策略 ,提高了储能的灵活性与实 用性。仿真和实验结果表明 ,本文所提出的混合储 能结构能够充分利用超级电容器功率密度高和循环 寿命长的优点 ,在满足微网运行过程中对储能需求 的同时 ,可以实现对蓄电池充放电的灵活控制 ,优化 蓄电池的工作过程 ,减少充放电循环次数 ,延长使用 寿命 ,提高储能装置应用于微网的技术经济性。 参 考 文 献 [ 1 ] LASSETER R H , A KHIL A , MARNA Y C , et al . Consortium for elect ric reliability technology solutions white paper on protection issues of t he microgrid concept [ R/ OL ] . [ 20022032 17 ] . http :/ / cert s. lbl . gov. [ 2 ] 王成山 ,王守相. 分布式发电供能系统若干问题研究. 电力系统 自动化 ,2008 ,32 (20) :124. WAN G Chengshan , WAN G Shouxiang. Study on some key problems related to dist ributed generation systems. Automation of Elect ric Power Systems , 2008 , 32 (20) : 124. [ 3 ] 鲁宗相 ,王彩霞 ,闵勇 ,等. 微电网研究综述. 电力系统自动化 , 2007 ,31 (19) :1002107. L U Zongxiang , WAN G Caixia , MIN Yong , et al . Overview on microgrid research. Automation of Elect ric Power Systems , 2007 , 31 (19) : 1002107. —88— 2010 , 34 (12) 　 [ 4 ] 朱松燃 ,张勃然. 铅酸蓄电池技术. 北京 :机械工业出版社 ,1988. [ 5 ] 李立伟 ,邹积岩. 蓄电池放电能量并网装置. 电力系统自动化 , 2003 ,27 (6) :80283. L I Liwei , ZOU Jiyan. An inst rument for connecting t he discharge energy of battery to power grid. Automation of Elect ric Power Systems , 2003 , 27 (6) : 80283. [ 6 ] DOU GAL R A , L IU S , WHITE R E. Power and life extension of battery2ult racapacitor hybrids. IEEE Trans on Component s and Packaging Technologies , 2002 , 25 (1) : 1202131. [ 7 ] 孙立清 ,陈伟 ,王仁贞 ,等. 超级电容系统在电动汽车中的应用/ / 中国汽车工程学会 2003 学术年会 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 集 ,2003 年 10 月 14216 日 ,北京. 北京 :机械工业出版社 ,2003. [ 8 ] 张彦廷. 基于混合动力与能量回收的液压挖掘机节能研究 [ D ] . 杭州 :浙江大学 ,2006. [ 9 ] 唐西胜. 超级电容器储能应用于分布式发电系统的能量管理及 稳定性研究 [ D ] . 北京 :中国科学院研究生院 (电工研究所) , 2006. [ 10 ] 唐西胜 ,武鑫 ,齐智平. 超级电容器蓄电池混合储能独立光伏系 统研究. 太阳能学报 ,2007 ,28 (2) :1782183. TAN G Xisheng , WU Xin , QI Zhiping. Study on a stand2alone PV system wit h bat tery/ ult racapacitor hybrid energy storage. Acta Energiae Solaris Sinica , 2007 , 28 (2) : 1782183. [ 11 ] GAO Lijun , DOU GAL R A , L IU Shengyi . Power enhancement of an actively cont rolled battery/ ult racapacitor hybrid. IEEE Trans on Power Elect ronics , 2005 , 20 ( 1 ) : 2362243. [ 12 ] ZUBIETA L , BON ER T R. Characterization of double2layer capacitors for power elect ronics applications. IEEE Trans on Indust ry Applications , 2000 , 36 (1) : 1992205. [ 13 ] XU Haiping , KON G Li , WEN Xuhui. Fuel cell power system and high power DC2DC converter . IEEE Trans on Power Elect ronics , 2004 , 19 (5) : 125021255. [ 14 ] 朱品才 ,张华 ,薛观东. 阀控式密封铅酸蓄电池的运行与维护. 北京 :人民邮电出版社 ,2006. [ 15 ] GRIGORE V , HA TON EN J , KYYRA J , et al . Dynamics of a Buck converter wit h a constant power load/ / Proceedings of t he 29t h Annual IEEE Power Elect ronics Specialist s Conference : Vol 1 , May 17222 , 1998 , Fukuoka , J apan : 72278. 张国驹 (1984 —) ,男 ,通信作者 ,博士研究生 ,主要研究 方向 :微型电网的储能技术。E2mail : zhangguoju @mail. iee. ac. cn 唐西胜 (1975 —) ,男 ,博士 ,副研究员 ,主要研究方向 :电 力系统稳定与控制、分布式电力与储能、微型电网。 齐智平 (1958 —) ,女 ,研究员 ,博士生导师 ,主要研究方 向 :分布式电力与储能、微型电网和智能电网。 Application of Hybrid Energy Storage System of Super2capacitors and Batteries in a Microgrid Z HA N G Guoj u , TA N G X isheng , Q I Zhi pi ng (Chinese Academy of Sciences , Beijing 100190 , China) Abstract : Because of the uncertainties and significant fluctuations of both power generation and consumption in a microgrid , the lead2acid battery energy storage system (BESS) endures too large fluctuations in battery charge and discharge current s to maintain the battery lifetime. This paper present s a hybrid energy storage system composed of super2capacitors and batteries. The mathematical model is given and it s small signal stability criteria is also derived. Based on the topology of the hybrid energy storage system , the multi2hysteresis control st rategy is adopted to improve the flexibility and practicability of the energy storage. Comparing the hybrid energy storage system with the BESS , it can be concluded that because of the high power density of the super2capacitor and the optimized control of the bi2directional DC/ DC converter , some advantages can be attained. These include higher capacity usage rate and reduction of maintenance interruptions and operation cost s. Both the simulation and experimental result s verify the excellent performance of the proposed hybrid energy storage system. This work is jointly supported by the National High Technology Research and Development Program of China ( 863 Program) (No. 2009AA05Z210) , National Natural Science Foundation of China (No. 50777064) , and Knowledge Innovation Program of Chinese Academy of Sciences. Key words : microgrid ; super2capacitor ; battery ; hybrid energy storage system ; multi2hysteresis control 立足行业 　鼓励创新 　面向应用 促 进 电 力 工 业 科 技 进 步 —98— ·绿色电力自动化 ·　张国驹 ,等 　超级电容器与蓄电池混合储能系统在微网中的应用