含超級(jí)電容器的混合儲(chǔ)能充放電控制方法研究

劉星 張旭峰 俞嘯玲 趙莉莉

摘 要：針對(duì)當(dāng)風(fēng)力功率出現(xiàn)波動(dòng)，蓄電池因充放電速度慢，無(wú)法使直流母線上的電壓快速恢復(fù)穩(wěn)定的情況。提出一種混合儲(chǔ)能單元采用分階段充電、限流恒壓放電的充放電策略。仿真結(jié)果表明：該方法能夠平穩(wěn)地輸出電流，顯著提升電網(wǎng)側(cè)母線電壓輸出的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：蓄電池;超級(jí)電容;穩(wěn)定電壓

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.178

1 引言

基于化石能源的危機(jī)以及環(huán)境的壓力，風(fēng)機(jī)、光伏的裝機(jī)容量不斷擴(kuò)大。然而，其具有的隨機(jī)性與不穩(wěn)定性會(huì)對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行造成影響[1-2]。儲(chǔ)能裝置依靠自身充放電特性可有效抑制分布式能量輸出的波動(dòng)，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

目前，蓄電池在生活中被廣泛使用。其價(jià)格便宜，還有較高的能量密度，能夠滿足日常分布式發(fā)電系統(tǒng)對(duì)能量密度的要求。但是，由于其自身內(nèi)部條件限制，其功率密度相對(duì)較小，且無(wú)法快速充電或放電，循環(huán)壽命較短。如果要以蓄電池為電源來(lái)滿足波動(dòng)性負(fù)載功率需求，那將需配置極大容量的蓄電池。不僅蓄電池體積過(guò)于龐大，還將會(huì)增大投資和容量浪費(fèi);超級(jí)電容器能快速充電，而且具有循環(huán)壽命較長(zhǎng)的特點(diǎn)，但是因其容量較低所以不能用作大規(guī)模電力的存儲(chǔ)裝置。所以，可以結(jié)合二者的能量特性，能充分利用電池的高能量密度和超級(jí)電容器的快速充放電特點(diǎn)的混合儲(chǔ)能單元的研究得到廣泛關(guān)注[3]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

能量存儲(chǔ)單元由超級(jí)電容和電池組成，兩者通過(guò)轉(zhuǎn)換器并聯(lián)連接到直流母線以形成混合能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。為簡(jiǎn)化模型，僅僅以風(fēng)能作為分布式電源。

雙向DC/DC元件可將直流電變?yōu)榱硗庖环N輸出特性的直流電，且在工作時(shí)能針對(duì)實(shí)際情況抑制功率波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電池雙向流動(dòng)，對(duì)電池能量進(jìn)行控制和管理。其拓?fù)淙鐖D1所示。雙向DC/DC器件電路內(nèi)部擁有兩個(gè)開(kāi)關(guān)管S1和S2。通過(guò)控制兩個(gè)開(kāi)關(guān)的占空比D，可以滿足實(shí)際所需的電流流動(dòng)方向，例如低壓側(cè)電流可以流向高壓側(cè)，并且高壓側(cè)電流也可以流向低壓側(cè)，這與儲(chǔ)能電池的充放電特性完美匹配。

在升壓模式下工作時(shí)，雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)S2完全打開(kāi)，開(kāi)關(guān)S1在打開(kāi)和關(guān)閉之間連續(xù)切換。與S2并聯(lián)的二極管D2只能將能量從低壓側(cè)傳輸?shù)礁邏簜?cè)。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1閉合時(shí)，低壓側(cè)電壓源U1提供能量，電容器C2用作電壓調(diào)節(jié)器，使得高壓側(cè)電壓不會(huì)突然改變;當(dāng)開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)時(shí)，低壓側(cè)電壓源U1和儲(chǔ)能元件電感器L通過(guò)電容器C2的二極管一起充電。通過(guò)這種轉(zhuǎn)移，電能從低壓側(cè)傳遞到高壓側(cè)。

在降壓模式下操作時(shí)，雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)S1完全打開(kāi)，開(kāi)關(guān)S2在閉合和打開(kāi)之間來(lái)回切換。開(kāi)關(guān)S2閉合時(shí)，高壓側(cè)電流通過(guò)儲(chǔ)能器件L流向低壓側(cè)，相當(dāng)于由高壓側(cè)對(duì)其充電，電容C2穩(wěn)住低壓側(cè)電壓，使其不能發(fā)生突變;當(dāng)開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)時(shí)，電感器L和電容器C1放電至低壓側(cè)，并且高壓側(cè)斷開(kāi)不能放電。所以高壓側(cè)能量流向了低壓側(cè)。

3 充放電控制策略

儲(chǔ)能單元常見(jiàn)的充電方法有恒定電流法、恒定電壓法以及分階段充電法。目前，蓄電池作為傳統(tǒng)的儲(chǔ)能電池，技術(shù)發(fā)展已經(jīng)處于十分成熟的狀態(tài)，現(xiàn)已得到大量應(yīng)用，人們以此為基礎(chǔ)開(kāi)展了充電方法的研究。

恒定電流法充電是指在充電過(guò)程中，電流維持恒定值不變化，電池外部端電壓呈規(guī)律變化。此種方法優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，但是也存在一些缺陷。例如在初始階段充電電流可能太小，在后期充電電壓與電流偏高，降低電池壽命，浪費(fèi)能源。恒定電壓充電法是使用某一恒定的電壓為電池充電。充電初始階段，電池外部電壓低，導(dǎo)致會(huì)產(chǎn)生很大的電流，影響電池使用壽命。充電過(guò)程中，電池兩端電壓隨著充電進(jìn)行而慢慢增大，電流則慢慢減小，導(dǎo)致后期充電時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)。分階段充電法又可以稱為恒流恒壓充電。

超級(jí)電容器的控制方法必須考慮其能接受電流的能力。在充電前期，它可以承受更大峰值的電流，而隨著充電的進(jìn)行，可承受的電流值變得越來(lái)越小。因此，超級(jí)電容器不應(yīng)使用恒定電流或恒定電壓操作模式。所以，本文針對(duì)這一問(wèn)題，對(duì)超級(jí)電容施加一種新的分階段的充電方式，為實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的精確控制，使用單個(gè)閉環(huán)控制和PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電流。

混合能量存儲(chǔ)單元使用分階段充電控制方法。在開(kāi)始階段，以恒定電流對(duì)電池充電，然后以恒定電壓充電。以這種方式充電，蓄電池就不會(huì)發(fā)生充電電流在充電的初始階段太大而在后一階段電壓太高的現(xiàn)象。因此，為了合理地進(jìn)行電池充放電，采用電流和電壓雙調(diào)節(jié)控制。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器中的電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器可以精確控制主控制量，例如電感器電流、電池電壓和直流母線電壓。充電采用的恒定電壓值U*用作標(biāo)準(zhǔn)電壓，并且與電池端電壓UB比較，通過(guò)外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器放大所獲得的誤差信號(hào)，以獲得內(nèi)環(huán)電流i*的給定電流。電流采樣電路將實(shí)時(shí)檢測(cè)到的充電電流i與i*進(jìn)行比較，并且由內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的控制信號(hào)通過(guò)脈沖寬度調(diào)制器得到輸入脈沖。

為了維持風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)中的儲(chǔ)能單元通常采用恒壓方式放電。為增加電池壽命，電池必須在某一電壓值停止放電。這一電壓值即為切斷電壓。當(dāng)恒壓放電模式下的電池外部電壓低于切斷電壓時(shí)，蓄電池保護(hù)動(dòng)作并停止放電。同時(shí)，電池的放電電流也被限制在一定范圍內(nèi)，當(dāng)電流大于限定放電電流值時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)限流。

4 仿真驗(yàn)證

仿真模型中設(shè)定風(fēng)速在0.5s時(shí)的7.2m/s突變?yōu)?.7m/s，在1.5時(shí)又恢復(fù)正常，根據(jù)仿真測(cè)得前后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表1、2所示：

可以看出，當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)，系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)母線上的電壓產(chǎn)生波動(dòng)。由蓄電池構(gòu)成的儲(chǔ)能系統(tǒng)依靠自身充放電特性，平抑風(fēng)力波動(dòng)性變化，令母線電壓趨于穩(wěn)定。由表2數(shù)據(jù)看出，混合儲(chǔ)能單元采用恒壓閉環(huán)放電控制后，能使母線電壓波動(dòng)迅速消除，較于僅由蓄電池構(gòu)成的儲(chǔ)能單元，其效果更優(yōu)。

5 結(jié)論

本文提出的充放電控制模式可以有效發(fā)揮超級(jí)電容和蓄電池各自的特點(diǎn)。分階段充電策略中，前者以大電流充電的方式發(fā)揮其能夠快速大功率充放電的特點(diǎn)，后者為延長(zhǎng)使用壽命以小電流模式充電。限流恒壓放電策略中，通過(guò)設(shè)定不同的放電電流值以及不同等級(jí)的直流母線參考電壓，充分利用了二者的優(yōu)點(diǎn)。此策略不僅可以發(fā)揮超級(jí)電容器本身快速高功率的放電性能，也能夠防止蓄電池在大電流下放電，提高了電池性能。仿真結(jié)果表明：所提出的混合能量存儲(chǔ)單元的充放電控制方法可以快速平抑風(fēng)電的波動(dòng)，顯著提升電網(wǎng)側(cè)母線電壓輸出的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

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