分布式新能源发电中储能系统能量管理.docx
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分布式新能源发电中储能系统能量管理
第31卷第1期2012年1月
电工电能新技术
AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergy
Vol．31,No．1Jan．2012
收稿日期:
2011-02-21作者简介:
董
博（1983-,黑龙江籍,博士研究生,研究方向为分布式发电与储能系统;
李永东（1962-,河北籍,教授/博导,研究方向为电力电子与电力传动。
分布式新能源发电中储能系统能量管理
董
博,李永东,郑治雪
（清华大学电机工程与应用电子技术系,北京100084
摘要:
本文对蓄电池和超级电容组成储能系统的能量管理进行研究,根据两种储能装置的特点和剩余容量以及分布式发电系统的状态,将储能系统的工作模式分类,并对每种工作模式采用不同的控制策略,发挥蓄电池和超级电容自身的优点,保证系统内部的功率平衡,减小风能、太阳能等新能源发电系统功率波动对外部电网的冲击,并实现孤岛运行。
最后通过分布式新能源发电系统仿真和实验平台对控制策略进行了验证。
关键词:
蓄电池;超级电容;分布式新能源发电;能量管理
中图分类号:
TM912
文献标识码:
A
文章编号:
1003-3076（201201-0022-04
1引言
随着风能、太阳能等新能源发展越来越迅速,在
分布式发电系统中,由于系统需要具有运行在孤岛条件下的能力,并给本地负载提供持续可靠的电能,同时,为了减小新能源输出功率的波动对外部电网的影响,储能系统是必不可少的。
一种高能量存储密度、
响应时间短、成本低、寿命长、易维护的储能装置是我们期望的,但是目前任何一种储能设备均不能满足上述所有要求。
蓄电池具有存储容量大,成本低,维护简单等优点,目前已经广泛应用于电动车、微电网等领域[1],但是其响应速度慢,充放电次数少等缺点在与风能、
太阳能等新能源发电系统配合时显得尤为明显。
而超级电容具有能够快速响应、反复充放电次数多等特点,因此将二者结合成为一个储能系统,通过电力电子变流器和能量管理系统的协调控制,使得两个储能装置能够发挥各自的
优点,在分布式新能源发电中将得到广泛应用[2,
3]
。
在如图1所示的交直流母线混合型分布式发电系统中,采用风能（2KW和太阳能（1KW发电,通常情况下,二者均运行在最大功率点跟踪状态,由于风能和太阳能输出功率会随天气等因素发生剧烈变化,因此需要超级电容（72V,70F作为快速储能装置;为了保持系统长时间能够稳定运行在孤岛状态,采用蓄电池（6节12V,65AH串联作为长期储能装
置。
但是,对于两种不同的储能单元,需要根据自身的特性和剩余容量状态以及外电网的情况采取不同控制策略。
2储能系统工作模式
超级电容和蓄电池的剩余容量（SOC是决定系
统能量管理的主要参考数据。
超级电容的SOC与端电压的平方成正比,因此通过测量超级电容端电压就可以获得其剩余容量。
但是蓄电池工作时端电压与剩余容量没有确定的函数关系,因此需要间接测量,本系统采用卡尔曼滤波和系统参数集成的方法在线计算蓄电池SOC,
在文章[4]中有所论述。
根据超级电容和蓄电池的特性,设定超级电容SOC在20%90%间是正常状态,低于20%为低容量状态,高于90%为高容量状态;蓄电池SOC在30%90%间是正常状态,低于30%为低容量状态,高于90%为高容量状态。
因此,在实际应用中可能出现如表1所示的九种模式,我们对每一个模式采取一种控制策略,在系统运行时通过对超级电容和蓄电池SOC的检测和外电网的情况来确定储能的控制策略。
为了描述方便,
将这九种模式分为四类:
均正常（模式MNN、
超级电容异常（模式MLN、MHN、蓄电池异常（模式MNL、MNH、均异常（模式MLH、MHL、MLL、MHH[5]。
本文将对储能系统在不同模式下并网和孤岛的控制策略进行介绍。
第1期董博,等:
分布式新能源发电中储能系统能量管理
23
Tab．1ModesbasedonSOCofstoragesystem
SOC
battSOC
sc
低
＜30%
正常
30%90%
高
＞90%
低＜20%M
LL
M
LN
M
LH
正常20%－90%M
NL
M
NN
M
NH
高＞90%M
HL
M
HN
M
HH
3不同工作模式的控制策略
为了保证系统内的功率平衡,减少功率波动对外部电网的影响,储能系统用于吸收或释放新能源输出与负载消耗的功率差,在忽略变流器损耗等情况下,可以得到等式（1:
P
storage=P
batt
+P
sc
=
P
wind+P
solar
－P
load
（1
其中P
storage为储能系统吸收的总功率,P
batt
为蓄电池
吸收的功率,P
sc为超级电容吸收的功率,P
wind
为风
机发出的功率,P
solar
为太阳能电池板发出的功率,
P
load
为负载吸收的功率。
通过检测风机和太阳能输出的功率和负载吸收的功率可以得到储能系统应该吸收或释放的总功率
P
storage
因此需要根据蓄电池和超级电容的特点和剩
余容量状态分配P
batt和P
sc
。
通过检测蓄电池和超
级电容的端电压,可以分别得到充放电电流的参考
值I
batt-ref=P
batt
/V
batt
和I
sc－ref
=P
sc
/V
sc
。
根据电流参
考值,对图1中储能系统双向DC-DC变流器采用恒
流控制,使储能系统按照要求输出相应的功率,超级
电容控制框图如图2所示,蓄电池电流控制与超级
电容一致。
图2双向DC-DC恒流控制框图
Fig．2ControlstrategyofBi-DC-DCconverter
3.1储能系统正常模式（M
NN
这是最常见的工作模式,超级电容和蓄电池的
剩余容量均处于正常的区间。
由于风能、太阳能具
有间歇性特点,而且分布式发电系统中本地负载的
增加或减少也是很突然的,因此会产生瞬时的功率
变化,即高频功率波动,而由于蓄电池充放电时间常
数较大,不能够快速响应高频功率波动,因此需要超
级电容吸收或释放这部分功率;而超级电容由于存
储能量有限,因此需要蓄电池提供长时间可靠、持续
的供电。
根据超级电容和蓄电池各自的特点,采用
如图3所示的控制策略[6]。
在并网或者孤岛运行时,均可以采用图3所示
的控制框图将储能系统需要的总功率按照蓄电池和
超级电容的特点分配,并分别得到充放电电流的参
考值,再根据图2所示的控制策略产生相应的功率。
同时,通过调节增益K,可以改变超级电容和蓄电池
的功率分配,数值由超级电容和蓄电池的额定容量
24电工电能新技术第31卷
和剩余容量确定,例如蓄电池的额定容量和剩余容
量均较高时,可以增大K,使得蓄电池承担的功率较
多。
在并网-孤岛的过渡过程中,通过超级电容快速
充放电的特点保证过渡过程功率平衡也非常重要,
因此这种控制方法也适用于过渡过程
。
图3储能系统功率分配控制框图
Fig．3Blockdiagramofpowerinstoragesystem
3.2超级电容异常模式（M
LN、M
HN
这种模式下,蓄电池剩余容量处于正常区间,而超级电容剩余容量过高或过低,会导致整个储能系统吸收或释放高频功率的能力下降,严重时甚至会使系统丧失对突然天气变化或负载突变的响应能力。
因此希望这种异常模式能够快速过渡到正常模式,保持系统的稳定。
并网运行时,可以认为外部电网对分布式发电系统来说是无穷大电网,因此超级电容可以从外部电网吸收能量或将过多的能量传递给电网,直到超级电容剩余容量达到正常状态,然后控制策略切换到正常模式。
虽然这种控制方法会对电网造成冲击,但由于超级电容存储能量较小,对电网的冲击非常有限,为了保证分布式发电系统的稳定,这种做法是值得的。
孤岛运行时,由于没有外部电网的支持,必须实时保证分布式发电系统内的功率平衡,因此超级电容快速响应的能力更是不可缺少的,否则会造成系统失稳。
而由于风能、太阳能等新能源输出功率的不确定性,因此在蓄电池和超级电容之间的能量传递就尤为重要,完成这个任务的主要渠道是直流母线。
例如,超级电容剩余容量过低时,控制蓄电池输出能量增多,多输出的部分能量由超级电容通过直流母线吸收,直到超级电容剩余容量回归到正常区间。
3.3蓄电池异常模式（M
NL、M
NH
在蓄电池异常模式下,超级电容剩余容量处于正常区间,而蓄电池剩余容量过高或过低,会导致整个微电网系统长时间稳定工作的能力下降,严重威胁到系统的可靠性,因此需要尽快恢复到正常模式。
并网运行时,与超级电容异常模式类似,通过与外部电网交换能量的方式使蓄电池剩余容量恢复到正常区间。
同样,也会对电网运行产生一定的冲击,但与新能源发电系统直接并网相比影响会小很多。
孤岛运行时,需要超级电容通过直流母线给蓄电池传递能量,不过由于超级电容存储能量有限,很难使蓄电池达到正常模式,但系统又没有多余的能量传递给蓄电池,除非切除一定的负载,这是不希望看到的,因此仅能通过超级电容传递能量给蓄电池的方式维持,等待外电网恢复后并网再将蓄电池充电至正常剩余容量状态。
3.4超级电容、蓄电池均异常模式（M
LH
M
HL
M
HH
M
LL
首先考虑前两种情况M
LH
和M
HL
模式,无论在并网还是孤岛运行时,均可以通过直流母线互相均衡,进入到前面所述的某个模式下,再按照相应的模式进行控制。
如果出现蓄电池和超级电容的剩余容量均过高
的情况（M
HH
模式,在并网运行时,储能系统将多余的能量传递给电网;孤岛运行时,需要风机和太阳能的控制器放弃最大功率点跟踪,控制其输出功率低于负载吸收的功率,差值由储能系统输出,直到储能系统达到正常模式,风机和太阳能重新开始工作在MPPT模式下。
若蓄电池和超级电容的剩余容量均过低（M
LL模式,并网运行时,储能系统通过电网吸收能量,使储能系统恢复到正常模式;孤岛运行时,如果风能和太阳能在MPPT工作时仍不能满足负载的需求,只能通过切除不重要负载来保证敏感负荷的正常运行,维持分布式发电系统的稳定,等待新能源输出更大的能量或外部电网恢复后重新并网,这也是最糟糕的一种情况。
4仿真和实验结果
采用图1所示的分布式新能源发电系统结构,蓄电池（6节12V,65AH铅酸蓄电池单体串联和超级电容（72V,70F通过双向DC－DC变流器与直流母线相连。
若二者的剩余容量均处于正常状态,通过图3所示的控制策略,高频功率由超级电容释放或吸收,低频功率由蓄电池释放或吸收。
图4所示的仿真结果和图5所示的实验结果为储能功率输出
之和P
storage
由于负载变化,在1s时由800W上升至
第1期董博,等:
分布式新能源发电中储能系统能量管理25
1800W,在3.2s时下降至800W过程中,超级电容和蓄电池放电电流的变化曲线,其中取K=0.9
。
图4正常模式下储能装置充放电电流仿真波形Fig．4
CurrentsofstoragewithsimulationinM
NN
图5正常模式下储能装置充放电电流实验波形Fig．5
CurrentsofstoragewithexperimentinMNN
图6超级电容异常模式下储能装置充放电电流Fig．6
CurrentsofstorageinMLN
在超级电容异常模式下,如果剩余容量过低,需要超级电容在有高频功率变化时继续为系统提供支持,在空闲时由蓄电池通过直流母线传递能量至超级电容,使其剩余容量恢复至正常区
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