中國儲能網(wǎng)訊：我國海岸線綿長，島嶼眾多，合理、有效地利用可再生能源發(fā)電，對解決海島供電問題具有顯著的實際意義。在海島上建設(shè)由波浪能、潮流能和儲能等多種分布式電源組成的微網(wǎng)系統(tǒng)，為海島發(fā)展提供綠色電力，成為了目前海島供電的新思路。但波浪能和潮流能發(fā)電的輸出功率依賴于氣候條件，具有很大的間歇性及不可控性，供電質(zhì)量難以滿足用戶需求。為了平抑直流母線電壓的波動，提升微網(wǎng)系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和可靠性，必須添加相應(yīng)的儲能設(shè)施。然而，單一的儲能單元無法完全滿足海島發(fā)電微源的波動性。因此，復合儲能的充放電控制策略在近年來成為直流微網(wǎng)系統(tǒng)的研究熱點。
整體研究思路及創(chuàng)新點
論文首先根據(jù)微網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)特征，確定了儲能系統(tǒng)采用恒壓充放電模式來維持母線電壓穩(wěn)定。通過分析對比蓄電池和超級電容的充放電特性，制定了各自的控制策略，在進行協(xié)調(diào)控制時提出了一種新的基于母線電壓的復合儲能協(xié)調(diào)控制策略，通過實驗，證明了此種控制策略的可行性。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析
3.1集成供電系統(tǒng)介紹
本文的研究基于“300 kW海洋能集成供電示范系統(tǒng)”(863計劃)項目開展，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該直流微網(wǎng)系統(tǒng)由海上發(fā)電廠、儲能單元、電能變換及傳輸和終端負載四部分組成。其中發(fā)電端為2臺100kW的波浪能裝置和1臺100kW的潮流能發(fā)電裝置，其輸出的電能經(jīng)海底電纜輸送上岸后，經(jīng)AC/DC、DC/DC變換器并入直流母線;儲能單元各自通過雙向DC/DC變換器并入母線，最終統(tǒng)一經(jīng)DC/AC變換器逆變后，為終端負載供電。
圖1 集成供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3.2復合儲能拓撲結(jié)構(gòu)研究
通過分析對比3種復合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：蓄電池直接并聯(lián)在母線上，超級電容通過DC/DC變換器并聯(lián)在蓄電池上;超級電容直接并聯(lián)在母線上，蓄電池通過DC/DC變換器并聯(lián)在超級電容上;蓄電池和超級電容分別通過各自的DC/DC變換器并聯(lián)在直流母線上。最終確定了第3種復合儲能結(jié)構(gòu)。
復合儲能控制策略研究
4.1蓄電池控制策略
蓄電池的控制目標是調(diào)整直流母線電壓，維持整個微網(wǎng)內(nèi)部的功率平衡，所以采用電壓電流雙環(huán)控制實現(xiàn)蓄電池的恒壓放電和恒壓充電。同時對恒壓放電模式又根據(jù)需求分為恒壓限流模式和恒壓不限流模式，而充電時采用恒壓限流充電模式。
4.2超級電容控制策略
為了充分利用超級電容瞬時大功率放電特性，加快超級電容的響應(yīng)速度，采用電壓單環(huán)控制實現(xiàn)超級電容的恒壓充/放電功能。
4.3協(xié)調(diào)控制策略
本文提出了一種新的基于母線電壓的復合儲能協(xié)調(diào)控制策略，如圖2所示。將母線電壓用3個閾值分成5個工作區(qū)域。在不同的工作區(qū)域采用不同模式。通過協(xié)調(diào)控制，來共同維持母線電壓。
圖2 復合儲能系統(tǒng)工作模式及母線電壓示意圖
實驗驗證
5.1實驗設(shè)計
本文實驗設(shè)計了儲能系統(tǒng)充電和放電2種實驗方案，以驗證不同工況下所設(shè)計的復合儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略的合理性和有效性，2種實驗方案如下。
a. 實驗方案1：系統(tǒng)初始狀態(tài)下母線功率達到動態(tài)平衡，母線電壓維持在540V，某一時刻減小負載功率，使直流母線電壓突然抬升，觀察蓄電池能否自動進入充電模式;之后某一時刻，繼續(xù)減小負載功率，使母線電壓繼續(xù)抬升，觀察超級電容能否自動投入工作，維持母線電壓穩(wěn)定。此方案下的負載功率變化過程為10kW→5kW→0。
b. 實驗方案2：系統(tǒng)初始狀態(tài)下母線功率達到動態(tài)平衡，母線電壓維持在540V，某一時刻增大負載功率，使直流母線電壓突然降低，觀察蓄電池能否自動進入放電模式;之后某一時刻，繼續(xù)增大負載功率，使母線電壓繼續(xù)降低，觀察超級電容能否自動投入工作;持續(xù)運行一段時間后，觀察當超級電容停止放電(放電電壓至工作下限保護值)時，蓄電池能否持續(xù)維持母線電壓的穩(wěn)定;隨后不斷減小負載功率，觀察超級電容、蓄電池能否依次停止放電，并將母線電壓穩(wěn)定至額定值540V。此方案下負載功率變化過程為10kW→15kW→20kW→15kW→10kW。
5.2實驗結(jié)果分析
2 種實驗方案的參數(shù)波形圖分別如圖3、圖4所示。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的復合儲能協(xié)調(diào)控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)儲能裝置根據(jù)母線電壓的變化進行充放電模式的自動切換，并有效、迅速地將母線電壓穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)。
圖3 實驗方案1參數(shù)波形圖
圖4 實驗方案2參數(shù)波形圖
結(jié)論
本文提出了一種適用于海島直流微網(wǎng)的復合儲能協(xié)調(diào)控制策略，通過300 kW海洋能集成供電系統(tǒng)實驗平臺的實驗驗證，表明該控制策略具備以下優(yōu)點：
a. 實現(xiàn)復合儲能系統(tǒng)依據(jù)直流母線電壓大小自動進行工作模式切換，響應(yīng)速度快;
b. 充分利用蓄電池大容量存儲和超級電容大功率放電的特性，有效地維持直流母線電壓在設(shè)定范圍內(nèi)，降低蓄電池的配置容量，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性;
c. 以容量型儲能單元蓄電池作為儲能系統(tǒng)主要出力單元，避免超級電容頻繁投切的現(xiàn)象，提高了儲能系統(tǒng)的使用壽命，減少了儲能控制器不必要的開關(guān)動作造成的系統(tǒng)諧波。
