應(yīng)用于獨(dú)立供電的超級(jí)電容器電池混合功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)

1、應(yīng)用于獨(dú)立供電系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)的超級(jí)電容器和電池混合系統(tǒng)編譯：閆新育 （中國(guó)西電電氣股份有限公司 陜西 西安 摘要：獨(dú)立供電系統(tǒng)對(duì)于許多應(yīng)用遠(yuǎn)程設(shè)備的場(chǎng)合來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的選擇。它包括由間歇性電源構(gòu)成的可再生能源發(fā)電，其間歇電源需要合適的儲(chǔ)能裝置來(lái)平衡 和匹配發(fā)電功率和需求功率。用電池來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的是個(gè)顯而易見(jiàn)的選擇，然而系統(tǒng)中不規(guī)則的波動(dòng)和瞬變會(huì)加速損害電池的性能。文獻(xiàn)中介紹了許多基于超級(jí)電容器和電池相結(jié)合的混合儲(chǔ)能解決方案，其中超級(jí)電容器提供或吸收瞬變波動(dòng)。本文旨在研究這些系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，并在一個(gè)獨(dú)立的電源系統(tǒng)給出其仿真性能結(jié)論。 索引： DC-DC變換器、燃

2、料電池、通信系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng) 1 引言可再生能源在從大電網(wǎng)連接到偏遠(yuǎn)地方的獨(dú)立電力系統(tǒng)（SAPS）的過(guò)程中有許多應(yīng)用發(fā)展?jié)摿ΑAPS對(duì)供電可靠性、連續(xù)性和負(fù)載需求的滿意度有嚴(yán)格要求，但這對(duì)于間歇性強(qiáng)、嚴(yán)重依賴天氣的可再生能源發(fā)電來(lái)說(shuō)是很困難的。因此，儲(chǔ)能設(shè)備在平緩這類發(fā)電的能量供應(yīng)方面起著非常重要的作用。然而，作為最常見(jiàn)并且成熟的儲(chǔ)能裝置電池，由于具有不可回收的高污染物成分，被認(rèn)為是對(duì)環(huán)境有害的（盡管在這方面投入了很多努力，但還沒(méi)有得到真正有效地解決這個(gè)問(wèn)題的方式） 1 。此外，電池的衰減很快，特別是在SAPS波動(dòng)的工況下 2 。因此，對(duì)其它如基于氫類的儲(chǔ)能裝置進(jìn)行了研究，包括，儲(chǔ)氫罐和燃

3、料電池 2,3 ，但成熟度低、效率低、價(jià)格高一直是阻礙他們推廣應(yīng)用的主要障礙。這些缺點(diǎn)，也使得電池成為當(dāng)前的主流存儲(chǔ)組件，因?yàn)殡姵爻墒?、低成本、可用性和效率?4 ，盡管存在環(huán)境問(wèn)題。超級(jí)電容器儲(chǔ)能是基于正負(fù)電荷分離的物理過(guò)程，而不像電池那樣利用化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能 5 。因此，超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)是具有比電池更長(zhǎng)的壽命和快速充放電次數(shù)，其能夠在很短的時(shí)間內(nèi)提供高功率輸出。與電池不同，超級(jí)電容器在進(jìn)行幾十萬(wàn)次充放電循環(huán)后特性依然不會(huì)衰減很多；此外，它們受溫度的影響很小并且效率更高，然而，它們不能像電池那樣長(zhǎng)時(shí)間的提供能量。為了結(jié)合高功率和高能量密度的優(yōu)點(diǎn)，它們之間的復(fù)合一直作為電力系統(tǒng) 6-13 和混合動(dòng)

4、力汽車(chē) 14 的研究目標(biāo)，開(kāi)展了多種拓?fù)?6-12 、結(jié)合方法 8 和能量管理策略 16,17 的研究工作。采用超級(jí)電容器作為電池的補(bǔ)充的主要目標(biāo)是抑制和平緩瞬態(tài)、短時(shí)的可再生能源或負(fù)載 14 的能量爆發(fā)，而電池會(huì)提供或吸收平均功率負(fù)載。因此，整個(gè)系統(tǒng)的性能及尺寸得以優(yōu)化。本文提出了應(yīng)用于由電池和超級(jí)電容器組成的混合存儲(chǔ)系統(tǒng)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略。他們與光伏（PV）發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、典型性直流負(fù)載（電信設(shè)備）和所需的電力變換器集成在一起，整個(gè)獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。根據(jù)其組成優(yōu)化每一個(gè)電源接口（負(fù)載，發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能元件），但重點(diǎn)是兩種儲(chǔ)能元件的能量控制和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。下面，不同的操作模式下的仿真結(jié)

5、果將會(huì)展示所考慮的拓?fù)浼翱刂撇呗缘男阅?。圖1 獨(dú)立電源系統(tǒng)2 系統(tǒng)仿真 圖1的獨(dú)立供電系統(tǒng)第一次是在文獻(xiàn)7中進(jìn)行了分析。該系統(tǒng)包括一個(gè)光伏發(fā)電機(jī)，輸出端由非隔離降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行最大功率跟蹤控制 18 ；此外，還有一個(gè)6kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)組成 19 ，輸出為三相交流電壓，然后用二極管進(jìn)行整流，整流橋后面又是一個(gè)非隔離降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行最大功率點(diǎn)控制 20 。相關(guān)的模型包括那些電池和超級(jí)電容器21 22、電力電子控制策略等已經(jīng)在文獻(xiàn)7進(jìn)行了概述，以該系統(tǒng)作為出發(fā)點(diǎn)旨在進(jìn)行不同控制策略和混合存儲(chǔ)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究及評(píng)價(jià)。該系統(tǒng)中，電力是由可再生能源發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的

6、功率減去濾除的能量，高頻損失能量由超級(jí)電容器提供。然而，應(yīng)用策略不同。本文研究了以下形式的系統(tǒng)：1. 只對(duì)電池直流母線電壓控制的SAPS；2. SAPS連接電池，不控制超級(jí)電容器直流母線電壓(圖2) 6；3. SAPS連接超級(jí)電容，控制電池直流母線電壓并采用高通濾波器(圖3) 11 ；4. SAPS連接超級(jí)電容，控制電池直流母線電壓并對(duì)高通濾波器進(jìn)行自適應(yīng)控制(圖4和圖5)10；5. SAPS連接電池，控制超級(jí)電容器直流母線電壓并采用低通濾波器(圖6)；6. SAPS連接電池，控制超級(jí)電容器直流母線電壓并采用移動(dòng)平均控制(圖7)12。圖2 SAPS連接電池，不控制超級(jí)電容器直流母線電壓（系統(tǒng)2

7、）圖3 系統(tǒng)3中超級(jí)電容變換器的控制圖4 系統(tǒng)4中超級(jí)電容變換器的控制圖5適用于系統(tǒng)4的高通濾波器10圖6系統(tǒng)5中電池變換器的控制圖7系統(tǒng)6中電池變換器的控制第一個(gè)系統(tǒng)只有電池對(duì)SAPS起緩沖作用。非隔離雙向Buck-Boost變換器作為電池和直流總線（如圖8所示）的接口，可以保護(hù)電池安全，跟隨其輸出電壓和充放電電流，同時(shí)保持直流母線電壓在100 V恒壓狀態(tài)。在第二種情況下，電池不通過(guò)任何電源接口連接在直流母線電壓上，使用非隔離雙向Buck-Boost變換器將超級(jí)電容器連接到直流總線接口。這個(gè)轉(zhuǎn)換器用來(lái)控制電池的電流，使高頻諧波分量由超級(jí)電容器提供。該方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖9所示，轉(zhuǎn)換器的控制如圖

8、2所示。該系統(tǒng)具有的優(yōu)勢(shì)是：需要的轉(zhuǎn)換器比其它的少，只有一個(gè)用在超級(jí)電容器上，而其它的系統(tǒng)需要兩個(gè)雙向DC-DC變換器，如圖10所示。第三和第四系統(tǒng)中，電池通過(guò)轉(zhuǎn)換器接口對(duì)直流母線進(jìn)行控制。第四個(gè)系統(tǒng)是對(duì)第三個(gè)系統(tǒng)的改進(jìn)7，11，其應(yīng)用了自適應(yīng)高通濾波器 10，因?yàn)闉V波信號(hào)具有不同的需求，如被過(guò)濾的增加或減少時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)零信號(hào)（即使沒(méi)有零），這超過(guò)了原始信號(hào)。這種適應(yīng)的算法如圖5所示。在第五和第六系統(tǒng)中，超級(jí)電容器負(fù)責(zé)控制直流母線電壓，分別如圖6圖7所示。在第五系統(tǒng)中，電池的電流直接通過(guò)一個(gè)低通濾波器進(jìn)行控制（圖6），而第六系統(tǒng)是采用文獻(xiàn)12中所述的移動(dòng)平均控制方法（圖7）。圖8 非隔離型雙向B

9、uck-Boost變換器 圖9 只有一個(gè)變換器的混合存儲(chǔ)系統(tǒng)（系統(tǒng)2）圖10 混合存儲(chǔ)系統(tǒng)與兩個(gè)轉(zhuǎn)換器（系統(tǒng)3到6）3 仿真結(jié)果 在上一節(jié)中描述的是完整的獨(dú)立供電系統(tǒng)，采用Matlab / Simulink軟件環(huán)境中的Power Systems模塊對(duì)每個(gè)混合存儲(chǔ)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制進(jìn)行超過(guò)30s的仿真。這種動(dòng)態(tài)的模擬需要大量的時(shí)間步驟以獲得精確結(jié)果，因此，很難進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間范圍的模擬。為了證明該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能良好，采用隨機(jī)的Simulink模塊模擬極端氣候條件和不可預(yù)知的照射、溫度和風(fēng)，這樣的條件下的系統(tǒng)分別如圖11、12和13所示。圖14顯示了負(fù)載可變的功率需求，負(fù)載如許多許多位于偏遠(yuǎn)的地方無(wú)

10、線電基站需要48 V直流電壓和額定功率3kW 7。光伏和風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電力分別如圖15和圖16所示。很明顯，其所產(chǎn)生的功率不匹配負(fù)載的需求，總有能量的盈余或欠缺。這種產(chǎn)生和需求功率之間的不匹配必須采用獨(dú)立于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略的混合存儲(chǔ)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行平衡。然而，電池和系統(tǒng)效率的重要性是不同的，如表1所示，將所有考慮系統(tǒng)的電池電流（IRMS）的均方根值（RMS）和充電應(yīng)激因素的充電狀態(tài)（socstress，REL）與不含超級(jí)電容器的系統(tǒng)1進(jìn)行相比，應(yīng)力因子 10 是一個(gè)測(cè)量的電池充電深度和放電頻率的函數(shù)。它由以下公式定義：SoCstress=SoC2其中SoC()是對(duì)電池按頻率充電時(shí)的離散傅里葉變換的幅

11、值。圖11 太陽(yáng)輻射值 圖12 環(huán)境溫度值 當(dāng)與系統(tǒng)1（無(wú)超級(jí)電容器）進(jìn)行比較時(shí)，各系統(tǒng)的修訂值由下式得到：其中，i代表系統(tǒng)2到6。圖13 風(fēng)速 圖14 負(fù)荷功率變化圖15 光伏發(fā)電輸出功率 圖16 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率 圖17至圖22顯示了不同的系統(tǒng)中電池的電流波形，通過(guò)對(duì)比，將超級(jí)電容器添加到系統(tǒng)得到了明顯的改善。雖然曲線是相似的，但我可以通過(guò)數(shù)據(jù)表1詳細(xì)地比較每個(gè)系統(tǒng)的性能，并發(fā)現(xiàn)哪一個(gè)是最有效的。根據(jù)數(shù)據(jù)表1，系統(tǒng)2在降低rms電流值和減輕電池充電狀態(tài)的壓力方面是最好的。然而，這是唯一不允許控制直流母線電壓（它的充電狀態(tài)與電池輸出電壓相等）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而在一些系統(tǒng)中，這可能是一個(gè)重要的

12、要求。對(duì)于這種情況，系統(tǒng)4中采用超級(jí)電容器接口轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)保持直流母線電壓恒定，這是最令人滿意的，與沒(méi)有超級(jí)電容器的系統(tǒng)相比，測(cè)定 42 %的充電應(yīng)力狀態(tài)下，改善后的電池RMS電流值為22.6 A。圖23顯示了所研究了每種能量管理策略下的超級(jí)電容器電流波形。所有這些波形的特點(diǎn)都是高頻浪涌、尖峰和硬瞬變，而發(fā)電機(jī)和負(fù)載變化的功率是平滑的。圖17 在系統(tǒng)1電池的輸出電流和功率圖18 在系統(tǒng)2電池的輸出電流和功率圖19 在系統(tǒng)3電池的輸出電流和功率另一個(gè)重要問(wèn)題與直流母線電壓的控制有關(guān)，這在一些電氣要求非常嚴(yán)格的應(yīng)用中很重要。圖24給出了策略3到6提供的直流母線電壓。它應(yīng)該被控制在100 V，最大紋波

13、脈動(dòng)3%。如圖24所示，當(dāng)由超級(jí)電容器提供時(shí)（圖24（c）和（d），直流母線電壓控制的更好，這是因?yàn)樗哂懈吖β拭芏取Ｈ欢?dāng)使用電池時(shí)，在4秒到7秒之間有一個(gè)距期望值非常小的偏差，如圖24（a）和（b）所示。圖20 系統(tǒng)4中電池的輸出電流和功率圖21 系統(tǒng)5中電池的輸出電流和功率圖22 系統(tǒng)6中電池的輸出電流和功率圖23超級(jí)電容器的輸出電流(a)系統(tǒng)2；(b)系統(tǒng)3；(c)4系統(tǒng)；(d)系統(tǒng)5；(e)系統(tǒng)6圖24 直流母線電壓(a)系統(tǒng)3；(b)系統(tǒng)4；(c)系統(tǒng)5；(d)系統(tǒng)6表1 模擬系統(tǒng)的性能測(cè)試結(jié)果系統(tǒng)Ibatt_rmsSOCstress，REL128.90221.746324.72

14、7422.642523.733624.8314 結(jié)論將電池與超級(jí)電容器進(jìn)行混合無(wú)疑提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能，但要盡可能的考慮優(yōu)化等方面。文獻(xiàn)提供了許多關(guān)于使用電池和超級(jí)電容器混合為汽車(chē)和獨(dú)立供電的應(yīng)用，在本文中，對(duì)這些電力管理策略和設(shè)備進(jìn)行了介紹，并在包含光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電、沒(méi)有儲(chǔ)能系統(tǒng)的獨(dú)立電力系統(tǒng)中進(jìn)行了仿真比較。仿真結(jié)果表明，僅使用一個(gè)轉(zhuǎn)換器的控制設(shè)備是獲得最低的RMS電池電流值最有效的選擇。然而，它不能提供直流母線電壓控制，因?yàn)樗某潆娧b置等于電池電壓，因此，在應(yīng)用中是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題，電池的直流母線電壓控制與自適應(yīng)高通濾波器是最好的選擇。然而，超級(jí)電容器直流母線電壓控制策略可更好地調(diào)節(jié)

15、直流母線電壓，這也是一個(gè)重要的方法。所以在選擇最佳策略時(shí)必須考慮它的需求，并選擇其中一個(gè)折衷辦法。致 謝作者衷心感謝葡萄牙基礎(chǔ)科技金融支持（FCT）項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)no.sfrh/bd/ 47741/2008 PTDC/eea-eel/114846/2009。參考文獻(xiàn) 1 Hadjipaschalis, I.; Poullikkas, A.;Efthimiou, V.,“Overview of current and future energy storage technologies for electric power applications”, Renewable and Sustaina

16、ble Energy Reviews, vol. 13, issue 6-7, pp. 1513-1522,August-September 2009.2 Tesfahunegn, S. G.; Ulleberg, Ø.; Vie, P. J. S.; Undeland,T. M.,“Optimal shifting of photovoltaic and load fluctuations from fuel cell and electrolyzer to lead acid battery in a photovoltaic/hydrogen standalone power

17、system for improved performance and life time”, Journal of Power Sources, vol. 196, issue 23, pp. 10401-10414,December 2011.3 Ribeiro, E.; Cardoso, A. J. M.; Boccaletti, C., “Power conditioning Of an energy storage system for telecommunications”, International Symposium on Power Electronics, Electri

18、cal Drives, Automation and Motion,pp.1123-1128, June 2010.4 Glavin, M. E.; Hurley, W. G., “Ultracapacitor/ battery hybrid For solar energy storage”,42nd International Universities Power Engineering Conference,pp.791-795, September 2007.5 Smith, T. A.; Mars, J. P.; Turner, G. A., “Using supercapacito

19、rs to improve battery performance”, IEEE 33rd Annual Power Electronics Specialists Conference, vol.1, pp.124-128, 2002.6 Jia, Y.; Oti, K.; Yamamura, N.; Ishida, M., “A Study on electric power smoothing system for lead-acid battery of stand-alone natural energy power system using EDLC”, Power Convers

20、ion Conference, pp. 236-242,April 2007.7 Ribeiro, E.; Cardoso, A. J. M.; Boccaletti, C., “Power conditioning and energy management in a renewable energy based hybrid system for telecommunications”, IEEE 33rd International Telecommunications Energy Conference, 9 pp., October 2011.8 van Voorden, A. M.

21、; Elizondo, L. M. R.; Paap, G. C.;Verboomen, J.van der Sluis, L.,“The application of super capacitors to relieve battery-storage systems in autonomous renewable energy systems”, IEEE Lausanne Power Tech, pp. 479-484, July 2007.9 Li, W.; Joos, G.; Belanger, J., “Real-time simulation of a wind turbine

22、 generator coupled with a battery supercapacitor energy storage system”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 57, no. 4, pp. 1137-1145,April 2010.10 Hadartz, M.; Julander M., Battery-Supercapacitor Energy Storage, Master of Science Thesis in Electrical Engineering, Chalmers University o

23、f Technology,Göteborg, Sweden, 2008.11 Mendis, N.; Muttaqi, K. M.; Sayeef, S.; Perera, S.,“Application of a hybrid energy storage in a remote area power supply system”, 2010 IEEE International Energy Conference and Exhibition, pp. 576-581, December 2010.12 Liu, F.; Liu, J.; Zhou, L.,“A novel co

24、ntrol strategy for hybrid energy storage system to relieve battery stress”, 2nd IEEE International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems, pp. 929-934, June 2010.13 Boccaletti, C.; Macilletti, M., “Electrical storage systems in cogeneration plants based on the solar energy

25、 source”,2011 International Conference on Clean Electrical Power (ICCEP), pp. 407-412, 14-16 June 2011.14 Camara, M. B.; Gualous, H.; Gustin, F.; Berthon, A.,“Design and new control of dc/dc converters to share energy between supercapacitors and batteries in hybrid vehicles”, IEEE Transactions on Ve

26、hicular Technology, vol. 57, no. 5, pp. 2721-2735, September 2008.15 Sadoun, R.; Rizoug, N.; Bartholomeus, P.; Barbedette, B.;Le Moigne, P., “Optimal sizing of hybrid supply for electric vehicle using Li-ion battery and supercapacitor”,IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, pp. 1-8,September

27、2011.16 Miller, J. M.; Deshpande, U.; Dougherty, T. J.; Bohn, T.,“Power Electronic Enabled Active Hybrid Energy Storage System and its Economic Viability,” Twenty-Fourth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, pp. 190-198, February 2009.17 Tran, D.; Zhou, H.; Khambadkone, A.

28、 M., “Energy management and dynamic control in composite energy storage system for micro-grid applications,” 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, pp.1818-1824, November 2010.18 Hua, C.; Lin, J.; Shen, C., “Implementation of a DSP-controlled photovoltaic system with peak power tracking”,IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 24, no. 5,p