混合储能在微电网系统中的应用

【摘要】：微电网是一个能够实现自我控制和管理的自治系统，能对分布式电源实现协调管理，进而提高可再生能源的利用率。储能技术能够降低可再生能源的功率波动，实现需求侧管理，增加电网对可再生能源吸收接纳程度，在分布式发电与微电网中起着关键作用。混合储能系统（hybridenergystoragesystem，HESS），结合了不同储能介质的特点，最大程度地解决了单独使用功率型或能量型储能系统时受能量密度和运行寿命等因素制约的问题，具有更好的经济性和系统特性，有望成为提高系统稳定性和平滑可再生能源输出功率波动的有效储能形态。基于此，文中对混合储能在微电网系统中的应用进行了分析，仅供业内人士参考。

【关键词】：混合储能；微电网系统；应用

1 导言

微电网中的微电源大多含风机、光伏电池，这类微电源受风力大小、光照强度影响很大，输出功率并不稳定，因此需要借助储能环节来缓冲输出功率的不稳定性。蓄电池储能、抽水储能、飞轮储能、超级电容储能均可以作为其储能环节，但是为了避免储能单一化带来的缺陷。

2 概述

以化石燃料为基础的传统工业曾为人类发展做出了巨大贡献，但同时也带来了难以修复的环境污染及能源危机问题。近年来，随着世界各国节能减排意识的增强，以太阳能、风能等分布式、可再生能源的利用和研究成为人们关注的焦点。为提高可再生能源利用效率，减小分布式电源接入对大电网的冲击，微电网的提出为高渗透率的可再生能源发电提供了可能。微电网能够充分整合太阳能、风能资源并通过一定的技术手段为其并网接入提供了保障。另外，储能系统的设置可以有效抑制分布式发电过程功率波动问题，对于保证微电网稳定、可靠运行发挥了至关重要的作用。对单一储能设备的拓扑结构进行了深入研究，其中，抽水储能是利用电网低谷时的剩余电力将水从低水库抽到高水库，在用电高峰时借助回流水力推动水轮发电机进行发电，主要用于电力调峰和备用中，但缺陷在于选址困难、投资大、周期长及损耗高等。压缩空气蓄能也是利用电力低谷时的剩余电量驱动电机压缩空气并储存能量，在用电高峰时做功发电，但此方案存在效率低，对选址有一定要求且依赖常规化石燃料；飞轮储能是利用高速旋转的飞轮以动能的形式将能量进行储存，需要能量时则飞轮减速运行，释放出存储的能量。

3 微电网的关键技术

微电网的两种典型运行模式为并网模式和孤岛模式。并网模式下微电网通过PCC点与大电网相连，自身电量多余时向大电网提供电量，自身电量缺额时由大电网补充电量；由于特殊原因，微电网与大电网断开，进入孤岛运行模式，此时由微电网中的各微电源向自身负载供电。

由于光伏、风力发电受环境影响很大，其功率波动性很强。为了平抑其功率波动，保证对重要负载的稳定供电，在其出口添加储能装置。微电网能够安全运行的关键技术在于如何在运行模式切换时，通过控制电力电力器件，保证对自身负载的不间断供电。目前微电网主要的控制方法有基于电力电子技术的即插即用和对等控制、基于功率管理系统的控制、基于多技术的微电网控制。

4 混合储能系统的基本结构

混合储能技术不同于单一储能元件，它将不同优缺点的储能元件有机的组合在一起，优劣互补，将每种储能元件的作用最大化。目前研究最多的是将功率型储能元件和能量型储能元件组合成一个混合储能系统。这样的混合储能系统可以同时满足微电网对长时间大容量和瞬时大功率的需求。现在的研究中，蓄电池与超级电容器的组合最为常见，利用它们在功率和能量上的互补，提升了混合储能系统的整体性能。

储能系统的安装位置灵活多变，根据其接入微电网的方式不同可分为：集中式和分布式两种。集中式混合储能是指将不同的储能装置通过不同的DC-DC变换器接到同一交流母线上，然后通过DC-AC变流器连入微电网的交流母线。这种混合储能方式安装和运行成本较低，且对混合储能的控制更为简单。目前蓄电池和超级电容器组成的混合储能系统较多，技术也较为成熟，所以应用更为广泛。

5 混合储能系统的控制策略

分布式电源具有随机性，使得微电网的电压和功率时时变化，同时负荷也是不断变化的。为促使微电网电压、频率的稳定性得到进一步提高，需要对混合储能装置进行协调控制，不同系统控制策略都不尽相同。正确有效的协调控制可以更好满足微电网的需求，还能使每种储能元件更好发挥出自身的优点，并弥补了自身的缺陷。设计控制策略时需要考虑储能元件的荷电状态和使用寿命，使不同的储能元件之间的能量分配最优化，满足控制目标的同时又符合输出功率的要求。

相比于单一储能装置，混合储能系统的协调控制策略较为复杂，它需要根据混合储能系统中不同的储能元件的特点进行功率分配，再确定分布式电源的工作模式。利用储能装置的荷电状态来调整分布式电源的工作模式，混合储能系统负责平抑分布式电源发电和负荷的功率波动。在储能系统的功率分配中，一般按照下述原则进行分配：功率型储能元件（如超级电容器）承担微电网中功率波动频率高及幅值较大的功率，充分发挥其功率密度大、响应速度快、循环使用次数多的优势；能量型储能元件（如多硫化物-溴电池）则承担微电网中所需功率的平滑部分，避免深度放电，减少循环充放电次数，延长使用寿命。

本文拟采用模糊控制进行混合储能系统中各储能元件的功率优化配置。模糊控制器可以使超级电容器只在系统功率超过某一限定值时才开始工作，使其功率密度大、吸收和释放能量速度快的特点得到充分利用，也避免了多硫化物-溴电池过高的充放电电流，因此模糊控制器的设计尤为重要。

6 结束语

总之，随着可再生能源的不断发展，微电网的优势越来越明显，这对微电网的电能质量和稳定运行提出了更高的要求。而混合储能系统对于微电网内部能量的瞬时平衡、维持微电网的稳定运行和提高微电网的电能质量不可或缺。混合储能系统的研究越来越深入，本文论述的采用超级电容器和多硫化物-溴电池组成的混合储能系统具有很高的研究价值和良好的应用前景。

【参考文献】

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