微电网中混合储能系统的容量优化配置

微电网中混合储能系统的容量优化配置

石兴波  郑立国

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摘要：近年来，可再生能源如光伏、风电等在分布式微电网中渗透率不断增加，但绝大部分可再生能源都易受天气、温度和湿度等环境因素影响，导致其能量供应具有波动性、随机性和不可预测性的特点。因此，可再生能源在接入微电网时，会出现其发电功率与负荷需求不匹配的现象，造成微电网无法安全稳定运行。本文对微电网中混合储能系统的容量优化配置进行分析，以供参考。

关键词：微电网；混合储能；容量优化

引言

在微电网系统中，风、光等分布式能源存在着随机与不可控性，因此，为了保证微电网中的储能负荷和用电量匹配，储能装置也必须进行合理的配置。这样能在改善系统稳定性的同时提高系统中电能的供需平衡度。但因为各种储能单元价格有差异且储能效果不同，在选择储能装置的时候，应在保证储能容量的最优配置下，获得最高的经济效益。混合储能系统不仅能有效解决微电网中自调节能力差、体积小、电压骤降或跌落等问题，而且能提高用电可靠性。

1混合储能系统控制策略

混合储能系统的基本控制思想是将储能系统需补偿的直流微网内不平衡功率按照频率高低进行分解。其中，低频段的平均功率波动幅值小，但持续时间长，需补偿的能量大，因此适合电池这类能量型储能器件补偿；高频段的瞬时功率波动幅值大，但持续时间短，往往是毫秒级，因而需要超级电容这类功率型器件进行平抑。由此可知，合理的功率分解策略是混合储能系统控制的关。1）混合储能系统动态响应提升方法，混合储能系统控制方法的基本思想是将不平衡功率进行高低频分解，由电池平抑低频段功率分量，超级电容平滑高频段功率波动。但是，该基本控制方法未考虑因电池、电池控制器以及双向DC/DC变换器较慢的动态响应而引起的电池储能系统电流跟踪误差，从而导致混合储能系统整体响应偏慢，微电网运行稳定性下降的问题。因此，如何提高混合储能系统的动态响应速度，成为了混合储能系统控制方法研究中的一个重点。2）预测控制法，前馈控制是在扰动发生之后被控变量未改变之前，根据其作用的大小进行控制用以补偿扰动作用对被控量的影响。将功率前馈控制引入混合储能系统，基于传统一阶分频控制，在超级电容控制回路增加功率前馈补偿项，充分利用超级电容快速充放电的特性，以补偿直流母线的电压扰动量。基于动态演化控制的混合储能系统控制方法。该方法在保留电流补偿回路的基础上增加了母线电压预测环节，并由动态演化控制进行调节。该方法不仅提升了直流母线电压的恢复速度，还减小了电压纹波。

2微电网的混合储能系统

适于应用在微电网中的储能装置的适配参数如下：（1）电化学储能系统：铅酸蓄电池，综合效率75%～85%，寿命5～10年，循环次数500～1500次，能量密度35～50Wh/kg，功率密度75～300W/kg，响应时间为100ms级；锂离子电池，综合效率90%～95%，寿命5～15年，循环次数1000～4000次，能量密度460～600Wh/kg，功率密度200～300W/kg，响应时间为100ms级；全钒液流电池，综合效率40%～70%，寿命10～20年，循环次数5000～10000次，能量密度80～130Wh/kg，功率密度50～140W/kg，响应时间为100ms级；钠硫电池，综合效率80%～85%，寿命10～15年，循环次数2500～6000次，能量密度150～240Wh/kg，功率密度90～230W/kg，响应时间为100ms级；镍氢电池，综合效率80%～85%，寿命10～15年，循环次数大于2500次，能量密度100～120Wh/kg，功率密度150～200W/kg，响应时间为100ms级；（2）电磁储能系统：超级电容，综合效率90%～95%，寿命大于20年，循环次数100万次，能量密度小于10Wh/kg，功率密度100～1万W/kg，响应时间为10ms级；超导储能，综合效率90%～95%，寿命大于20年，循环次数大于10万次，能量密度1～10Wh/kg，响应时间为1ms级；飞轮储能，综合效率70%～90%，寿命20年，循环次数大于100000次，能量密度40～230Wh/kg，功率密度大于5000W/kg，响应时间为10ms级。

3容量优化配置应考虑因素

不同种类储能系统的性能具有明显差别，且经济性也具有很大不同，不仅要考虑各储能系统的性能问题，也应考虑不同储能系统的经济性问题。其中，铅酸蓄电池的功率成本约为4000～1万元/kW，能量成本为1500～2500/kWh；锂电子电池的功率成本为8400～28000/kW，能量成本为2500～3000/kWh；全钒液流电池的功率成本为9000～15000元/kW，能量成本为2200～3700元/kWh；钠硫电池的功率成本为1万～2万元/kW，能量成本为3300元/kWh；镍氢电池的功率成本为5万元/kW，能量成本为3300元/kWh；超级电容的功率成本为1000～2000/kW，能量成本为40万～100万元/kWh；超导储能的功率成本为1500～3500元/kW，能量成本为550万～600万元/kWh；飞轮储能的功率成本为1000～4200元/kW，能量成本为42万～70万元/kWh。由此可见，储能系统的功率成本和能量成本之间有显著差异，因此在组合选择的过程中，容量配置的经济性问题是需要考虑的主要问题之一。

4混合储能DVR运行模式分析

4.1储能系统初始化充电模式

DVR系统初始化时，若光照充足，则由光伏系统向储能单元充电。蓄电池成本较高，充电环境不佳会缩短蓄电池寿命，为抑制光伏系统输出电流波动对蓄电池的冲击，光伏系统首先向超级电容器充电，当超级电容器的端电压上升到蓄电池额定端电压时，蓄电池开始接受充电电流。若光照不足，则由配电网通过整流装置向储能系统充电。充电完毕后蓄电池与超级电容器并联开关K7断开。

4.2电网电压正常时DVR工作模式

微电网中的分布式电源按照并网方式可分为逆变型电源、同步机型电源和异步机型电源，大部分微电网的电源是基于电力电子技术的逆变型分布式电源，如光伏发电系统、燃料电池等类型的电源[16]。而有源电能质量治理装置如DVR正好与逆变型DG的变流器拓扑一致。当配电网和微电网电压未发生电压暂降，即在电网电压处于正常状态下时，传统DVR处于待机状态，这造成了设备利用率低下的问题。电压正常时，DVR不发挥动态电压补偿功能。如果光照充足，满足负载要求，则DVR所接的光伏可配合微电网为负载供电。将配电网与微电网连接开关K1断开，接地开关K3闭合，此时微电网中的各逆变型分布式电源，连同作为微电源的DVR系统，进入孤网运行状态。此时光伏电池一方面给储能单元充电，另一方面通过斩波器、逆变器和滤波器将电能输送给负荷。

结束语

对微电网和超级电容器的输出功率做出建模，为了能让一次投资成本最小，保证微电网供电经济性，确定了其各个方面的约束函数，为了能够解决这些问题，用粒子群算法进行求解，并对算法进行了改进，算法经过改进之后，局部搜索能力提高，从而避免了算法出现早熟。

参考文献

[1]石肖.风光储直流微电网中混合储能系统容量配置研究[D].湖北工业大学,2019.

[2]李斐.微电网中混合储能系统的功率分配和容量配置研究[D].湖南大学,2018.

[3]冯小珊.混合储能多目标组合优化配置研究[D].上海交通大学,2017.

[4]伦振坚,微电网中电池储能系统的容量优化配置方法研究[J].南方能源建设,2017,2(S1):5-9.