混合储能在风光互补发电系统中的能量管理与控制策略.pdf

第 3 8卷 第 3期 2 0 1 5年 6月 电 子器 件 C h i n e s e J o u r n a l o f E l e c tr o n D e v ic e s V0 1 3 8 No 3 J u n e 2 0 1 5 Po we r M a n a g e me n t a n d Co n t r o l S t r a t e g y o f a Hy b r i d En e r g y S t o r a g e i n W i n d- S o l a r Hy b r i d Ge ne r a t i o n S y s t e m S U N Y u n q u a n ， Z H A NG Y u n x i n ， L I Y a fi e ( C o l l e g e o fE l e c t r i c a l a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g， J i a n g s u U n i v e r s i t y ， Z h e n j i a n g J i a n g s u 2 1 2 0 1 3 ， C h i n a) Abs t r a c t ： T he a p p l i c a t i o n o f e n e r g y s t o r a g e t e c h no l o gy e ns u r e s t h e s t a b i l i t y a nd s e c u rit y o f t he s y s t e m a nd t he i m- p r o v e me n t o f t h e e ffic i e n c y a n d l i f e s p a nBy i n t e g r a t i n g t h e a d v a n t a g e o f s t o r a g e b a t t e r y i n hi g h e n e r gy d e ns i t y wi t h t h a t o f s u p e r c a p a c i t o r i n hi g h p o we r de ns i t y， a k i n d o f mi x e d e n e r gy s t o r a g e s t r u c t u r e wi t h s t o r a g e b a t t e ry a nd s u p e r c a p a c i t o r i S p r o v e d Th e s l i d i n g fi l t e r i s a p p l i e d t o e n e r gy d i s t rib u t i o n， a n d t h e DC DC c h a n g e r i s u s e d t o c o n t r o l t h o s e e n e r g y s t o r a g e mo d e l s i n a r e a l t i me wa y， S O a s t o i mpr o v e t h e f l e x i bi l i t y a n d wi d e n t h e a p p l i c a t i o n fi e l d s o f t he wh o l e s y s t e m Ke y wo r d s ： w i n d s o l a r h y b ri d； h y b ri d e n e r gy s t o r a g e ； s l i d i n g fi l t e r ； c o n t r o l t e c h n o l o g i e s E E AC C： 8 1 1 0 B d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 - 9 4 9 0 2 0 1 5 O 3 0 4 3 混合储 能在 风光互补发 电系统 中的 能量管理与控制策 略 孙运全 ， 张蕴昕， 李亚杰 ( 江苏大学电气信息工程学院， 江苏 镇江 2 1 2 0 1 3 ) 摘 要 ： 储能技术在风光互补发电技术中的应用使得风光互补发电技术得到了进一步完善， 各个部分的控制更加合理、 有 效， 系统更加稳定 、 安全， 并且使用效率及寿命得到了提高。通过仿真验证 了一种蓄电池与超级电容混合储能结构， 在这种结 构中通过控制 D C D C变换器将蓄电池的高能量密度及超级电容的高功率密度的特点相结合， 并且运用滑动滤波器进行二者 的能量分配， 同时通过 D C D C变换器达到对各储能部分实时控制的目的， 从而提高了混合储能系统的灵活性与实用性。 关键 词 ： 风光互补； 混合储能； 双向 D C D C变换器； 滤波技术； 控制技术 中图分类号 ： T M6 1 4 ； T M6 1 5 ； T M5 3 ； T M9 1 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 5 9 4 9 0 ( 2 0 1 5 ) 0 3 - 0 6 8 8 - 0 5 风能与太阳能 ， 能源充足 ， 分布广泛 ， 且具有环保 清洁的特质 ， 是两种使用较普遍的自然资源。为了弥 补两种能源在资源利用上的缺陷 ， 风光互补系统利用 了两者天然的互补性和时空上的匹配性 ， 将两者相结 合 ， 提高了系统的稳定性与实用性， 开拓了可再生能 源更广阔的前景。对于远离电网、 地域偏远的区域来 讲 ， 风光互补发电系统可以充分利用当地丰富的自然 资源来进行稳定、 独立且充足的电量供应。 为了减轻风能与太 阳能的随机性与间歇性带来 的影响， 储能系统成为系统功率调控、 能量平衡 的有 效技术手段。蓄电池能量密度大， 功率密度小是典型 的能量型储能介质 ； 超级电容器具有功率密度大、 循 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 5 3 0 修改 日期 ： 2 0 1 4 0 8 2 7 环寿命长、 能量密度小、 响应速度快等特点， 是典型的 功率型储能介质。文献 6 根据两种储 能介质特性 上的互补性 ， 提出了混合储能技术， 并且在理论上对 这种互补性进行了验证 ， 证明了这种方式能够使蓄电 池寿命得以延长、 系统功率输出得 以提高等观点。文 献 8 对混合储能于独立光伏发电系统的应用进行 研究 ， 得出混合储能系统可以优化充放 电过程、 减少 充放电小循环次数 、 延长蓄电池寿命等结论。 在构建混合储能系统 ， 加强对储能系统的控制， 提高储能系统的整体性能等方面 ， 相关研究 已经取 得了一定成果。文献 9 中提出了蓄 电池组通过双 向 D C D C变换器与直流母线相连 ； 超级 电容器直接 第 3期 孙运全 ， 张蕴昕等 ： 混合储 能在风光互补发 电系统 中的能量管理与控制策略 6 8 9 与直流母线相连的混合储能结构 ， 通过与微网之间 的功率交换实现系统 的功率平衡及稳定控制。文献 1 0 中 ， 为了得 到稳 定的直流母线 电压 ， 通过 功率 变换器将超级电容器与直流母线 相连 ， 并且在蓄电 池与直流母线之间添加双向 D C D C变换器 ， 以提高 蓄电池管理的灵活性 。 基于相关研究 ， 本文提 出了适 用于风光互补发 电系统的超级电容器蓄 电池混合储 能结构 ， 并就能 量分配及控制技术问题进行了研 究 ， 以此提高系统 的稳定性及灵活性。在满足风光互补发电的需求基 础上 ， 延长了蓄电池的使用寿命 ， 提高 了系统的经济 性。最后 ， 通过仿真验证 了此混合储能结构及控制 策略的有效性。 1 基本结构 风光互补发 电系统主要可以分为发 电环节 、 控 制环节和能量消耗及存储环节。本文 中混合储能系 统参与的风光互补发电基本 系统结构如图 1 ( a ) 所 示。风力发 电机产生的风能首先要经过不可控整流 装置进行整 流 ， 再 由滤波装 置进行滤波处 理 ， 经 由 D C D C变换 器控制 ， 最终 流 向能量 消耗及 存储 环 节。为 了防止产生 电流倒灌损害光伏发电系统 ， 其 产生的电能需要通过防反二极管 ， 再 由D C D C变换 器控制 ， 流 向能量消耗及存储环节。 根据图 1 ( b ) 所示混合储能单元拓扑所示 ， 蓄 电 池及超级电容器分别通 过半桥 型非隔离双 向 D C 蓄 电 池 ( a ) 风光互补系统结构图 ( b ) 混合储能单元结构 图 1 基本 结构 图 超 级 电 容 器 D C变换器 与直 流母 线相 连。半 桥型非 隔 离双 向 D C D C变换器的所用器件较少 ， 成本较低 ， 构造 比 较简单 ， 且较稳定 、 易于控制。图中 与 R 为蓄电 池组等压源及其 等效 内阻 ； L 、 L 为半 桥型非 隔离 双 向 D C D C变换器电感 ； U c为直流母 线电压 ； U s 与 为超级电容器等压源及其等效 内阻。 2 风光互补发 电系统 的能量协调控制 图 2所示风光互补发电系统 的能量协调分配的 决策过程。当风光互补发 电系统提供 的能量 P 超 出负载所需能量 P 时， 超级电容器蓄电池混合储能 系统要及时吸收多余 的电能 ( P 一 ) ， 并根据下一 节提出的能量管理策略在超级电容器与蓄电池之间 进行合理分配。如果多余的电能超出了混合储能系 统 的最大容量 ( P 一 P 一 P 一 P 0 ) ， 卸荷负载 发挥 作用 ， 开始承担多出能量。然而， 如果能量超出了卸 荷负载的最大容量( P ) 时， 此时考虑对发 电系统 的发电功率做出调整。同理 ， 在发 电系统提供的能 量不足以支持负载( P 一 P 即 E E ， 表示蓄 电池存储 能量过 多 ， 此时， 增大 ， 增大蓄电池释放功率 ， 减小超级电 容器释放功率 ， 以达到减少蓄电池存储能量的 目的； I 。 E b 。 ， 表示 蓄 电池 存储能 量过 时间 0 ( b ) T = I 0 时， 蓄电池所分配功率 ( d ) T = 2 0 时， 蓄电池所分配功率 O 2 4 6 8 l O 时间 s ( e ) T = 2 0 时， 超极 电容器所分配功率 图 4滑动 平均滤波仿真波形 第 3期 孙运全 ， 张蕴昕等 ： 混合储能在风光互补发电系统 中的能量管理与控制策略 6 9 1 多 ， 此时， 减小 ， 减小蓄 电池的充电功率 ， 同时增大 超级 电容器充电功率 ， 以达 到减少 蓄电池存储能量 的目的； U b l 。 U b U b 。 ， 即 E b 0 E b E b 1 ， 表示此时超级 电容器与蓄电池之 间能量存储较为合理 ， 不需要调 整功率大小 ， 即保持 不变 ； U b l 即 E h E b 0 ， 表示 蓄电池存储量过小 ， 需要增大蓄电池充 电功率 ， 故增大 ， 增大蓄电池 的 充电功率 ， 减少超级 电容器可以分配到的电能。 4 各部分控制策略 4 1 蓄 电池储能单元 如上节所述 ， 蓄电池用 于满足发 电系统与 负载 不匹配能量 的低频分量 ， 从 而避免 高深度发 电给蓄 电池带来的损伤 ， 延长蓄电池的寿命 。如图 1 ( b ) 所 示 ， 蓄电池通过半桥型非隔离双 向 D C D C变换器与 直流母线相连。文献 4 根据 D C D C变换 器工作 原理推导出以电感 电流为变量的一种易于实现的控 制策略 ， 具有算法实现简单 ， 响应速度快等 的优点。 基于此 ， 本文提出以电感 电流为控制变量 的变换器 控制策略 ， 如图 5 ( a ) 所示 。 其 中， 参考功率 J P 与实 际测 量 电压 所得 的计算电流， 即电感 电流参考值 ， ， 通过滑模 变结 构控制器对开关量进行控制 。滑模变结构控制器本 身也是一种开关型控制方法 ， 对 于控制变换器来说 是一种较为理想 的控制方法 。在蓄电池储能单元控 制中 ， 选取实际电感 电流 ， 为被控量 ， 建立如下切 换函数 ： S =， 一 ， ( ， b 为 电感 电流参考值 ) ， 取 u = s i g n ( Js ) 为约束条件。实际电感 电流与 电感 电流参 考值的差值经 由s i g n函数判断得到控制量 ， 并 由 “ ( a ) 蓄电池储能单元变换器控制 ( b ) 超级 电容器储 能单元变换 器控制 图 5 储 能单元控 制策略 获得 P WM的驱动信号 ， 从而控 制变换 器开关管 的 通断。 4 2 超级 电容器储能单元 超级电容器根据 自身特性承担发电量与负载用 电量之间差值 中的高频分量 ， 从而弥补单一蓄 电池 储能的不足 ， 延长蓄 电池寿命 ， 提高系统 的稳定性。 由图 1 ( b ) 可知超级电容器同样通过双向 D C D C变 换器与直流母线相连 ， 其变换器控制策略如图 5 ( b ) 所示 。 通过参考功率 P 与实际电压 U 得到计算 电 流 ， 即电流参考值 ， 耐， 其 与实际电流 。 的差值经 P I D控制器后 ， 与特定值的重复序列进行 比较运算 ， 从而得到开关量 ， 对 P WM进行驱动 ， 达到控制变换 器通断的 目的。 5 仿真与分析 通过 S i m u l i n k模 拟 了 随机 设 定 时 刻 为 某 天 O 4 ： 0 0 2 4 ： 0 o内( 实际模拟 时间为第 01 0 S ) 风光 互补发电系统的功率输 出特性 ， 如图 6 ( a ) 所示 。