蓄電池/超級(jí)電容HESS功率分配策略研究

引言

單一的儲(chǔ)能介質(zhì)無法滿足所有應(yīng)用場(chǎng)合的需求,因而使用多種儲(chǔ)能介質(zhì)組成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)HESS成為當(dāng)前研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。超級(jí)電容器擁有較高的功率密度,并且循環(huán)壽命和深度放電等性能優(yōu)于蓄電池,在蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中加入超級(jí)電容器可以有效地減少蓄電池充放電循環(huán)次數(shù)。

本文以混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在可再生能源領(lǐng)域的應(yīng)用為背景,提出了基于超級(jí)電容SOC的功率再分配的優(yōu)化方案,并建立了仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明,所提出的策略具有較好的補(bǔ)償作用,達(dá)到了優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)的目的。

1混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

蓄電池/超級(jí)電容HESS根據(jù)儲(chǔ)能元件以及DC/DC變換器的位置不同分為多種結(jié)構(gòu)。圖1為一種廣泛使用的結(jié)構(gòu),蓄電池和超級(jí)電容通過DC/DC變換器并聯(lián)到直流母線,該結(jié)構(gòu)可以對(duì)每種儲(chǔ)能元件使用不同的控制策略,具有較高的靈活性和可靠性,本文中的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)以這種典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為研究對(duì)象。

2混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率初次分配

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率初次分配是指采用低通濾波器電路來對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率PHESS進(jìn)行濾波,然后將濾波后得到的一部分功率當(dāng)作蓄電池的功率補(bǔ)償指令Py-1,具體表達(dá)式如式(1）所示:同時(shí),剩余的功率由超級(jí)電容補(bǔ)償,該部分功率記為Psc-1,具體表達(dá)式如式(2）所示。

式中,1s為低通濾波時(shí)間常數(shù):Py-1和Psc-1分別表示初次功率分配后蓄電池和超級(jí)電容的功率參考值。

3基于超級(jí)電容SOC的功率再分配控制方法

假設(shè)11時(shí)刻蓄電池和超級(jí)電容分別處于放電狀態(tài)和充電狀態(tài),如圖2(a）所示。此時(shí),單位時(shí)間內(nèi)釋放的蓄電池能量Ey-i和吸收的超級(jí)電容能量Esc-c以及系統(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)哪芰縀n之間有如下關(guān)系:

當(dāng)兩個(gè)儲(chǔ)能裝置的充放電狀態(tài)相反時(shí),如圖2(y）所示,滿足下式:

超級(jí)電容與蓄電池之間存在能量的交換,但是這一部分交換功率不會(huì)補(bǔ)償系統(tǒng)的總功率PHESS,因此需要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣頊p小儲(chǔ)能裝置間的能量轉(zhuǎn)移。

對(duì)于圖2中(c）和(d）,滿足:

此時(shí),不存在儲(chǔ)能裝置之間的能量轉(zhuǎn)移,低通濾波時(shí)間常數(shù)越大,蓄電池吸收或釋放的能量越少。

濾波時(shí)間常數(shù)的大小與延長(zhǎng)蓄電池的循環(huán)壽命和儲(chǔ)能裝置間的能量轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。調(diào)整濾波時(shí)間常數(shù)的大小時(shí),需要考慮超級(jí)電容的荷電狀態(tài)。具體的參數(shù)調(diào)整方式如表1所示。

4系統(tǒng)仿真

為了驗(yàn)證本文提出的方案,在Matlay/Srmulrnk中搭建混合儲(chǔ)能系統(tǒng)并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。在仿真中,蓄電池和超級(jí)電容的SOC起始值均設(shè)為0.5,取低通濾波時(shí)間常數(shù)1s的值為30s,△t為20。具體參數(shù)如表2所示。

仿真中驗(yàn)證基于超級(jí)電容SOC的功率再分配方案的實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)功率的情況、蓄電池補(bǔ)償?shù)皖l功率部分、超級(jí)電容補(bǔ)償高頻功率部分及超級(jí)電容SOC變化趨勢(shì)。仿真結(jié)果如圖3～6所示。

從圖3中可以看出,基于超級(jí)電容SOC的功率再分配策略的功率跟蹤補(bǔ)償效果較好。圖4和圖5分別驗(yàn)證了蓄電池主要補(bǔ)償?shù)皖l功率部分和超級(jí)電容主要補(bǔ)償高頻功率部分。從圖6中可以看出超級(jí)電容SOC變化范圍為(0.15,0.95）,因此能夠更充分地利用超級(jí)電容的容量。

5結(jié)語

本文以混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在可再生能源領(lǐng)域的應(yīng)用為背景,提出了基于超級(jí)電容SOC的功率再分配的優(yōu)化方案,并建立了仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明,所提出的策略具有較好的補(bǔ)償作用,達(dá)到了優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)的目的。