第37卷第3期 2016年6月 电力与能源 335 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 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 Application of Hybrid Energy Storage Device in MicroGrid ZHANG Ji—hong,WANG Peng—xu。YANG Pei—hong (Information Engineering School,UST Inner Mongolia,Baotou 0 1 40 1 0,China) Abstract:This paper introduces the working principles and functions of hybrid energy storage device,and de— signs 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 mierogrid running,the paper pro— poses stratified smooth control power fluctuation program and related control strategy.It can damp power fluc— tuation based on optimizing the ratio of energy storage capacity by adaptive droop algorithm,and take advan— tage 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 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口 ]。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 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 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 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。 336 张继红,等:混合储能在微电网系统中的应用 锂电池储能是一类由金属或氧化物作为极性 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变流器可以配置,满足各自的功 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 率需求。该结构适用于兆瓦级及以上的大容量储 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,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 。 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pc/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。 交 流 母 线 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 能系统,可以直接并联扩容。 交 流 母 线 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… 。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。 隔离变 l1r 叶uu’ 工 ●PCC \ Sl ● ——— — ● __{ ● 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0.4 kV侧,隔离变 压器采用△/Y连接,其中网内采用三相四线制方 张继红,等:混合储能在微电网系统中的应用 337 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。 优化计算I协制{ 输出执行 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P ,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(有功功率一频率、无功功率一电 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, SOC 、SOC …。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 K 、Q ;△P 为混合储能输入或输出功率;P d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P ,经过低频滤波后得到的功率为P。 , 则两者的关系为: P 一 P… (1) 为平抑负荷功率波动,实际微电网输出的期 望功率为: P0u。 一 l_Pne + △Ps==:P10 a(2) APs一(SOC 一SOC )×Qs×Ks SOC 一—SOCsT ̄ Q  ̄T + SO——_Cu—c ̄一Quc 式中 SOCBT,SOCuc——蓄电池和超级电容的荷电状 态;Q ,Q ——蓄电池和超级电容的容量。 假设t 一t2一t,则 1 P ;南 P…+APs) (3) 经推导可得,混合储能系统的设定功率为: Ps f===P。 f—P… (4) 由式(3)、式(4)可知: 1 Psref一 南P…+Pad—P… (5) 混合储能的功率变化量为: △Ps f—P d (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P。、无功功率为Q。、频率为 .厂0、公共点电压为Eo。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 P…和Q…时,则系统会有A点过渡到B点运 行_1 。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。 V(pu) Q 图6下垂控制原理图 一,o一一k (P…一Po) 338 张继红,等:混合储能在微电网系统中的应用 E…一E。===一k (Q 一Q。) (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。 下垂控制 图7协调分配控制策略 4 PSCAD/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、1o、20、15 kW。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1O kw,无功为3 kVar,储 能设备的下垂系数相等且S0C均为100 ,孤岛 时刻设置为第1 s,第2 S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1O为分别投入 蓄电池和超级电容时的频率波动曲线,由图lO可 知超级电容补偿后的频率波动比蓄电池要小。图 1l为系统投入蓄电池一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。 0 要 ≥ 图8单独投入蓄电池时的输出功率 0 詈 如如 昌l 如∞ ≥ 邑 图9单独投入超级电容时的输出功率 0.00 0.50 1.00 1.50 2.O0 2.5O 3.00 t/s 图1O单独投入电池/超级电容时的频率波形 盎 蛊 奎 言 窒 ≥ . 图1 1 混合储能状态下的功率分配波形 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 张继红,等:混合储能在微电网系统中的应用 339 砉 邑 套 图12 混合储能状态下的电压与频率波形 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人微电网,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, 达到了乎抑功率波动的目的,最后进行了数字化 仿真测试,验证了所提方案的有效性。 参考文献: [1] 粱才浩,段献忠.分布式发电及其对电力系统的影响EJ]. 电力系统自动化,2001,25(12):53—56. LIANG Cai—hao,DUAN Xian—zhong.Distributed genera— tion and its impact on power system.utomation of Elec— tric PowerSystems,2001,25(12):53—56. E23 张坤,黎春涅,毛承雄,等.基于超级电容器——蓄电池 复合储能的直驱风力发电系统的功率控制策略[J].中国 电机工程学报,2012,32(25):99—108. ZHANG Kun,LI Chun—sheng,MAO Cheng—xiong,et a1. Power control of directly-driven wind generation systems with battery/ultra—capacitor hybrid energy storage[J]. Proceedings of the CSEE,2012,32(25):99—108. [33 BANHAM—HALL D D,TAYLOR G A。SMITH CHRIS A,et a1.Flow batteries for enhancing wind power inte— gration[J].IEEE Transactions on Power Systems,2012, 27(3):1690—1697. [4] ESMAILI A,NOVAKOVIC B,NASIRI A.A hybrid system of Li—Ion capacitors and flow battery for dynamic wind energy support[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2013,49(4):1649—1657. [5] ONTIVEROS L J。MERCADO P E.Thy stor-based flexible ac transmission system for controlling the vanadi— um redox flow battery[J].1ET Renewable Power Gener— ation,2013.7(3):201-209. [6] 李军徽,朱昱,严于贵,等.储能系统控制策略及主电路 参数设计的研究[J].电力系统保护与控制,2012。40(7): 7—12. LI Jun—hui,ZHU Yu,YAN Gan—gui,et a1.Research on the control strategy and the design of main circuit param— eters of energy storage system[J].Power System Protec— tion and Contro1.2012,40(7):7-12. [7] LI W。JOOS G.A power electronic interface for a battery super—‘capacitor hybrid energy storage system for wind ap—- plications[C]//Power Electronics Specialists Conference IEEE,2008:1762—1768. [83 王鹏,王 晗,张建文,等.超级电容储能系统在风电系 统低电压穿越中的设计及应用[J].中国电机工程学报, 2014,34(10):l528—1537. WANG Peng,WANG Han,ZHANG Jian—wen.et a1. Design and application of supercapacitor energy storage system used in low voltage ride through of wind power generation system[J].Proceedings of the CSEE.2014, 34(10):1528-1537. [9] ETXEBERRIA A,VECHIU I,VINASSA J M.Hybrid energy storage systems for renewable energy sources inte— gration in micro—grids:a review[C]//Power Electronics Conference IEEE,2010:532-537. [10] 王海波,杨秀,张美霞.平抑光伏系统波动的混合储能 控制策略[J].电网技术,2013,37(9):2452—2458. WANG Hai—bo.YANG Xiu.ZHANG Mei—xia.A control strategy of hybrid energy storage system capable of sup— pressing output fluctuation of photovoltaic generation sys— tem[J].Power System Technology.2013,37(9):2452— 2458. [11] 张纯江,董杰,刘 君,等.蓄电池与超级电容混合储能 系统的控制策略[J].电工技术学报,2o14,29(4):334— 340. ZHANG Chun—jiang,DONG Jie,LIU Jun,et a1.A control strategy for battery—uhracapacitor hybrid energy storage system[J].Transactions of China Electr0technical Socie— ty,2014,29(4):334—340. E12] 文波,秦文萍,韩肖清,等.基于电压下垂法的直流微电 网混合储能系统控制策略[J].电网技术,2015,39(4): 892—898. WEN Bo,QIN Wen-ping,HAN Xiao—qing,et a1.Control strategy of hybrid energy storage systems in DC microgrid based on voltage droop method[J].Power System Teeh— nology,2015,39(4):892—898. 收稿日期:2016—03—04 (本文编辑:严加)