中國儲能網訊：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。在海島上建設由波浪能、潮流能和儲能等多種分布式電源組成的微網系統(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，提升微網系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和可靠性，必須添加相應的儲能設施。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
論文首先根據微網整體結構特征，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，在進行協調控制時提出了一種新的基于母線電壓的復合儲能協調控制策略，通過實驗，證明了此種控制策略的可行性。
系統(tǒng)結構分析
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)結構如圖1所示。該直流微網系統(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，其輸出的電能經海底電纜輸送上岸后，經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)結構
3.2復合儲能拓撲結構研究
通過分析對比3種復合儲能系統(tǒng)結構：蓄電池直接并聯在母線上，超級電容通過DC/DC變換器并聯在蓄電池上;超級電容直接并聯在母線上，蓄電池通過DC/DC變換器并聯在超級電容上;蓄電池和超級電容分別通過各自的DC/DC變換器并聯在直流母線上。最終確定了第3種復合儲能結構。
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整直流母線電壓，維持整個微網內部的功率平衡，所以采用電壓電流雙環(huán)控制實現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速度，采用電壓單環(huán)控制實現超級電容的恒壓充/放電功能。
4.3協調控制策略
本文提出了一種新的基于母線電壓的復合儲能協調控制策略，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。通過協調控制，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實驗設計
本文實驗設計了儲能系統(tǒng)充電和放電2種實驗方案，以驗證不同工況下所設計的復合儲能系統(tǒng)協調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實驗結果分析
2 種實驗方案的參數波形圖分別如圖3、圖4所示。實驗結果表明，本文設計的復合儲能協調控制策略能夠實現儲能裝置根據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)定在設定范圍內。
圖3 實驗方案1參數波形圖
圖4 實驗方案2參數波形圖
結論
本文提出了一種適用于海島直流微網的復合儲能協調控制策略，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. 實現復合儲能系統(tǒng)依據直流母線電壓大小自動進行工作模式切換，響應速度快;
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定范圍內，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動作造成的系統(tǒng)諧波。
