半主动式混合储能能量的双向流动研究

半主动式混合储能能量的双向流动研究

武俊

（山西省化工设计院山西030024）

摘要：目前，对半主动式的混合储能研究较少，而且多采用单向的DC变换器，只研究其放电状态，而未真正涉及充电状态。本文针对脉动负载，对半主动式混合储能结构进行了理论分析和MATLAB仿真实验，采用了双向DC变换器控制能量的流动方向，重点提出了给锂电池进行恒流充电的思路与控制，并用SIMULINK波形进行了验证。仿真结果表明，半主动式混合储能对解决光伏，风能等可再生能源系统中的储能问题，具有现实可行性。

关键词：储能；电池；超级电容器

0引言

为了应对全球的能源与环境问题，分布式发电得到了更多的重视和应用。当分布式电源独立运行时，负荷所消耗的能量全部由分布式电源供给，分布式电源发出的电能是系统中惟一的能量来源。由于分布式电源存在着间歇性的变化，使分布式电源发电系统的输出功率时刻变动，负荷很难获得连续而稳定的电能供应。为此，储能是离网型分布式电源的主要配置系统。储能装置具有快速的功率吞吐和灵活的四象限运行能力，在分布式系统中引入储能环节，不仅能促进可再生能源的应用，还可提高分布式电源运行稳定性、维持系统频率和电压稳定、补偿分布式电源和负荷的随机波动。

现阶段来看，单一的储能装置往往不能满足要求。采用超级电容器和蓄电池混合储能的思路，可以充分利用蓄电池和超级电容器的互补特性，提高储能的功率输出能力，同时满足短时停电时提供大电流和电压频繁波动时拥有充足功率储备的要求，减少了蓄电池的充放电次数从而延长其使用寿命。文献[1]对超级电容器和蓄电池的混合储能进行了研究。研究表明在满足微网运行需求的前提下，混合储能结构能够延长蓄电池的使用寿命，提高储能的经济性。文献[2]对各种混合储能结构进行了分析比较，文献[3]提出了半主动式的混合储能，研究发现这种结构不仅及时响应了负荷的需求，同时优化了蓄电池的放电状态。但是都仅限于能量的单向流动，即储能放电状态。

本文设计了一种能量可以双向流动的半主动式混合储能结构。当负载脉动时，由超级电容器进行补偿，锂电池采用恒压放电，工作在优化状态，延长了锂电池的寿命；当电源给锂电池充电时，采用恒流充电的方式，验证了半主动式混合储能能量的反向流动状态。通过MATLAB仿真说明了半主动式混合储能结构的优越性和控制的可行性。

1半主动式混合储能的拓扑结构

半主动式混合储能拓扑结构如图1所示。超级电容器与储能系统输出直流母线直接并联，蓄电池经过DC/DC变换器后与直流母线并联。负载接入电路时，储能系统放电。正常运行时，由于经常性负载的稳定性，端电压变化非常小，超级电容器输出电流接近零，负载电流由蓄电池组提供。此时，蓄电池稳定输出，当有负载冲击作用时，内阻小的超级电容器给负载提供大部分功率需求。蓄电池组输出电流缓慢增加，给负载提供少部分能量。而负载电流在它们的共同作用下保持稳定。电源接入电路时，储能系统充电。由于采用双向DC/DC变换器，实现了能量的双向流动。

图1半主动式混合储能的拓扑结构

这种结构的优势在于：利用双向DC/DC变换器可精确控制蓄电池的充放电功率，避免蓄电池进行频繁往复性、大功率的充放电，并可对蓄电池的充放电过程进行优化。UC是直接连接到直流母线，作为低通滤波器工作。并联功率密度大的、循环寿命长的超级电容器的目的是为了提高直流系统的功率输出能力和缓解蓄电池输出波动从而延长其寿命。应用到这个拓扑结构的控制策略使直流环节电压在允许的范围内变化，UC的能量可以更有效地使用。考虑到成本问题，又为了保证蓄电池的寿命，同时保证反应的速度和灵敏性，该结构是最佳的选择。

2半主动式混合储能的放电情况

蓄电池通过双向DC/DC变换器与超级电容器混合储能，利用双向DC/DC变换器的变流控制作用，可以实现储能装置性能的大幅度提高，并可以进一步优化蓄电池的工作过程，延长其使用寿命。

本文主要研究半主动式混合储能系统对波动负载的补偿，Matlab/Simulink中搭建实验仿真平台。锂电池电压100V，容量40Ah，荷电状态85%；L=1e-3H；C=100F，内阻0.01Ω，初始电压为200V；R=10Ω；PID中P=0.02，I=5，D=0；反馈参考为200V；触发脉冲占空比为40%，周期0.01S。则输出波形如下图2所示，锂电池输出电压基本恒定，在104到105.5之间，属于恒压输出，能够保证锂电池的寿命。由于反馈信号的触发，电流时大时小，但很有规律，没有随着负载的波动而突然变化。

图3超级电容器的电压与电流变化

相应对比上面的三张图会发现，在负载突然增加时超级电容的电压突然下降，电流突然增大。负载突然增加的20A均由超级电容提供，而锂电池电流仍按原规律进行微小波动，基本为恒压输出。由此可见超级电容很好地保护了锂电池。

3锂电池充电情况

半主动式混合储能能量反向流动时，给锂电池充电，即工作在BUCK状态。通过选择开关设置为3，将下半桥的GTO可靠关闭。充电初期，蓄电池一般处于低荷电状态，使用恒压充电，电流很大，容易造成蓄电池极板弯曲，以及极板上活性物质脱落，进而缩短电池的寿命。因此采用恒流充电方式，以限制系统的充电电流。锂电池额定电压为100v，荷电状态为30%，容量为40AH。直流母线电压为200V。电流参考值为80A。

PID中，P=10，I=0.3。L=1e-1H；C=100F，内阻0.01Ω，初始电压为200V。锂电池的电压，电流及荷电状态仿真结果如图4所示：

图4锂电池的电压，电流及荷电状态

观察图中可以发现，锂电池电压为109V，略高于额定电压。其充电电流恒定维持在80A左右，荷电状态高于初态的30%，呈上升趋势。验证了半主动式混合储能能量的反向流动及其恒流充电的方式。

4结论

半主动式混合储能系统利用双向DC/DC变换器可精确控制锂电池的充放电，避免锂电池进行频繁往复性、大功率的充放电，并可对锂电池的充放电过程进行优化。并联功率密度大、循环寿命长的超级电容器提高了直流系统的功率输出能力，缓解了锂电池输出波动从而延长其寿命。当负载波动时，半主动式混合储能恒压输出，同时负载波动由超级电容器给予，充分利用了超级电容器的特性。既满足了负荷需求又保护了锂电池，达到了半主动式混合储能系统对于波动负载补偿研究的目的。同时，半主动式混合储能可以平滑地给锂电池充电，很好地保护了锂电池，实现了能量的双向流动。

本文将半主动式混合储能用于波动负载，使之既可以满足负载的瞬时脉动性能甚至干扰，又可以使锂电池工作在最优的放电方式，很好地延长了锂电池的寿命。优化锂电池单独储能时，功率密度小、循环寿命短等缺点，通过搭建Matlab仿真模型来验证系统的可行性。仿真结果可以看出，由此达到了提高波动负载中锂电池储能性能的目的。此外，还通过SIMULINK验证了半主动式混合储能对锂电池的恒流充电过程。出于成本，配置，性能等各方面的考虑，半主动式混合储能在微电网中都有着广阔的发展前景。

参考文献：

[1]张国驹，唐西胜，齐智平.超级电容器与蓄电池混合储能系统在微网中的应用[J].电力系统自动化，2010，（34）12.

[2]JianCao，Member，IEEE，andAliEmadi，SeniorMember.ANewBattery–UltraCapacitorHybridEnergyStorageSystemforElectric，Hybrid，andPlug-InHybridElectricVehicles.IEEE.TRANSACTIONSONPOWERELECTRONICS，VOL.27，NO.1，JANUARY2012.

[3]A.Kuperman，Member，IEEE，I.Aharon，S.Malki，andA.Kara.DesignofaSemi-activeBattery-UltracapacitorHybridEnergySource.IEEE.TRANSACTIONSONPOWERELECTRONICS，VOL.28，NO.2，FEBRUARY2013.

作者简介：

武俊（1979.9~），女，山西太原人，单位：山西省化工设计院，研究方向：电气设计，