蓄电池/超级电容HESS功率分配策略研究

引言

单一的储能介质无法满足所有应用场合的需求,因而使用多种储能介质组成混合储能系统HESS成为当前研究和应用的重点。超级电容器拥有较高的功率密度,并且循环寿命和深度放电等性能优于蓄电池,在蓄电池储能系统中加入超级电容器可以有效地减少蓄电池充放电循环次数。

本文以混合储能系统在可再生能源领域的应用为背景,提出了基于超级电容SOC的功率再分配的优化方案,并建立了仿真模型进行验证。结果表明,所提出的策略具有较好的补偿作用,达到了优化储能系统的目的。

1混合储能系统的结构

蓄电池/超级电容HESS根据储能元件以及DC/DC变换器的位置不同分为多种结构。图1为一种广泛使用的结构,蓄电池和超级电容通过DC/DC变换器并联到直流母线,该结构可以对每种储能元件使用不同的控制策略,具有较高的灵活性和可靠性,本文中的混合储能系统以这种典型的拓扑结构为研究对象。

2混合储能系统的功率初次分配

混合储能系统的功率初次分配是指采用低通滤波器电路来对储能系统的功率PHESS进行滤波,然后将滤波后得到的一部分功率当作蓄电池的功率补偿指令Py-1,具体表达式如式(1）所示:同时,剩余的功率由超级电容补偿,该部分功率记为Psc-1,具体表达式如式(2）所示。

式中,1s为低通滤波时间常数:Py-1和Psc-1分别表示初次功率分配后蓄电池和超级电容的功率参考值。

3基于超级电容SOC的功率再分配控制方法

假设11时刻蓄电池和超级电容分别处于放电状态和充电状态,如图2(a）所示。此时,单位时间内释放的蓄电池能量Ey-i和吸收的超级电容能量Esc-c以及系统需要补偿的能量En之间有如下关系:

当两个储能装置的充放电状态相反时,如图2(y）所示,满足下式:

超级电容与蓄电池之间存在能量的交换,但是这一部分交换功率不会补偿系统的总功率PHESS,因此需要采取适当的措施来减小储能装置间的能量转移。

对于图2中(c）和(d）,满足:

此时,不存在储能装置之间的能量转移,低通滤波时间常数越大,蓄电池吸收或释放的能量越少。

滤波时间常数的大小与延长蓄电池的循环寿命和储能装置间的能量转移密切相关。调整滤波时间常数的大小时,需要考虑超级电容的荷电状态。具体的参数调整方式如表1所示。

4系统仿真

为了验证本文提出的方案,在Matlay/Srmulrnk中搭建混合储能系统并对仿真结果进行分析。在仿真中,蓄电池和超级电容的SOC起始值均设为0.5,取低通滤波时间常数1s的值为30s,△t为20。具体参数如表2所示。

仿真中验证基于超级电容SOC的功率再分配方案的实时补偿系统功率的情况、蓄电池补偿低频功率部分、超级电容补偿高频功率部分及超级电容SOC变化趋势。仿真结果如图3～6所示。

从图3中可以看出,基于超级电容SOC的功率再分配策略的功率跟踪补偿效果较好。图4和图5分别验证了蓄电池主要补偿低频功率部分和超级电容主要补偿高频功率部分。从图6中可以看出超级电容SOC变化范围为(0.15,0.95）,因此能够更充分地利用超级电容的容量。

5结语

本文以混合储能系统在可再生能源领域的应用为背景,提出了基于超级电容SOC的功率再分配的优化方案,并建立了仿真模型进行验证。仿真结果表明,所提出的策略具有较好的补偿作用,达到了优化储能系统的目的。