蓄電池/超級電容HESS 功率分配策略研究

引言

單一的儲能介質(zhì)無法滿足所有應用場合的需求,因而使用多種儲能介質(zhì)組成混合儲能系統(tǒng)HESS成為當前研究和應用的重點。超級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,在蓄電池儲能系統(tǒng)中加入超級電容器可以有效地減少蓄電池充放電循環(huán)次數(shù)。

本文以混合儲能系統(tǒng)在可再生能源領域的應用為背景,提出了基于超級電容SOC的功率再分配的優(yōu)化方案,并建立了仿真模型進行驗證。結(jié)果表明,所提出的策略具有較好的補償作用,達到了優(yōu)化儲能系統(tǒng)的目的。

1混合儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

蓄電池/超級電容HESS根據(jù)儲能元件以及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)可以對每種儲能元件使用不同的控制策略,具有較高的靈活性和可靠性,本文中的混合儲能系統(tǒng)以這種典型的拓撲結(jié)構(gòu)為研究對象。

2混合儲能系統(tǒng)的功率初次分配

混合儲能系統(tǒng)的功率初次分配是指采用低通濾波器電路來對儲能系統(tǒng)的功率PHESS進行濾波,然后將濾波后得到的一部分功率當作蓄電池的功率補償指令Pb[1,具體表達式如式(1）所示:同時,剩余的功率由超級電容補償,該部分功率記為Psc[1,具體表達式如式(2）所示。

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

3基于超級電容SOC的功率再分配控制方法

假設11時刻蓄電池和超級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,單位時間內(nèi)釋放的蓄電池能量Eb[d和吸收的超級電容能量Esc[c以及系統(tǒng)需要補償?shù)哪芰縀n之間有如下關系:

當兩個儲能裝置的充放電狀態(tài)相反時,如圖2(b）所示,滿足下式:

超級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補償系統(tǒng)的總功率PHESS,因此需要采取適當?shù)拇胧﹣頊p小儲能裝置間的能量轉(zhuǎn)移。

對于圖2中(c）和(d）,滿足:

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

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

4系統(tǒng)仿真

為了驗證本文提出的方案,在Matlab!simulink中搭建混合儲能系統(tǒng)并對仿真結(jié)果進行分析。在仿真中,蓄電池和超級電容的aso起始值均設為0.5,取低通濾波時間常數(shù)1s的值為30s,A1為20。具體參數(shù)如表2所示。

仿真中驗證基于超級電容aso的功率再分配方案的實時補償系統(tǒng)功率的情況、蓄電池補償?shù)皖l功率部分、超級電容補償高頻功率部分及超級電容aso變化趨勢。仿真結(jié)果如圖3～6所示。

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

5結(jié)語

本文以混合儲能系統(tǒng)在可再生能源領域的應用為背景,提出了基于超級電容aso的功率再分配的優(yōu)化方案,并建立了仿真模型進行驗證。仿真結(jié)果表明,所提出的策略具有較好的補償作用,達到了優(yōu)化儲能系統(tǒng)的目的。