分布式电源的混合储能配置分析与研究
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分布式电源的混合储能配置分析与研究
吴鸣1，苏剑1，余杰2，刘海涛1，杨碧峰2，信诚2，季宇1
（1.中国电力科学研究院，北京市100192；2.浙江绍兴电力局，浙江省绍兴市312000）
摘要：在分析分布式电源配置混合储能的原理及优势的基础上，提出并离网情况下混合储能的结构配置方案，分析并提出能量型储能和功率型储能的容量配置原则，并构建混合储能在并离网运行模式下的仿真模型，验证了引入混合系统是解决分布式并网发电和独立发电系统的有效途径。关键词：超级电容；化学电池；混合储能；分布式电源中图分类号：TM464
文献标识码：A
文章编号：1006-6357（2013）01-0006-06
Hybrid Energy Storage Configuration Analysis and
Research of Distributed Power
WU Ming 1，SU Jian 1，YU Jie 2，LIU Haitao 1，YANG Bifeng 2，XIN Cheng 2，JI Yu 1
(1.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China;
2.ShaoXin Electricity Authority,Shaoxing 312000,China )
ABSTRACT:The paper bases on analysing principle and advantages of distributed power hybrid energy storage,and puts forward construction configuration strategy of hybrid energy storage in situations of connecting into and getting out of grid.At the same time,the paper analyses and raises capacity configuration principle of energy type and power type storage,and constructs simulation model of hybrid energy storage in modes of connecting to and getting out of grid.Also,the paper verifies that hybrid system is an effective way to solve generation problem of distributed power whether it is connected to grid or independent.
KEY WORDS:Super capacitor ；Chemical battery ；Hybrid energy storage ；Distributed power
0引言
当分布式电源独立运行时，负荷所消耗能量全
部由分布式电源供给，分布式电源发出的电能是系统中唯一的能量来源。由于分布式能源存在着间隙性的变化，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主要配置的系统。
近年来，分布式电源正逐渐从过去的小规模离
基金项目：国家863项目支持（2011AA05A107）含分布式电源的微电网关键技术研发。
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网系统，向大规模并网发电方向发展。随着分布式
电源渗透率的不断增大，大规模分布式电源的接入将会对电网的安全、稳定运行造成越来越大的冲击。分布式电源并网产生很多问题，根本原因在于其出力的间歇性和随机性。
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。
1混合储能系统分析
电能存储的方式主要分为物理储能（机械储能
与热力储能等）、化学储能（各种蓄电池储能）和电磁储能（超导和超级电容）等。在各种储能技术中，物理储能中的抽水蓄能和压缩空气储能比较适用于电网调峰；化学储能比较适用于中小规模储能和用户需求侧管理；超导电磁储能和飞轮储能比较适用于电网调频和电能质量保障；超级电容器储能比较适用于电动汽车储能和混合储能。
分布式电源配置储能系统可将电量充足时系统产生的多余电能储存起来，留到负荷需求时使用，可以解决发电与用电不一致和电能储存问题。蓄电池组有较强的储能能力和良好的充/放电性能，为分布式电源独立供电时，发电系统功率和能量的调节提供了有利条件，可充电蓄电池由于技术成熟、性能可靠，被广泛使用。
具有脉冲性功率负载日益增多，如电动汽车、移动数字设备等，其典型特征是峰值功率很高，但平均功率较低。驱动脉冲性动负荷时，要求电源具有较高的功率输出能力。但蓄电池功率密度相对较小，由于在能量的存储和释放过程中要发生电化学反应，并受到参与反应的离子扩散速度的影响，蓄电池的大电流输出和输入能力不足。如果单纯采用蓄电池作为脉冲型负载的主电源或备用电源，需要配置很大的容量，才能满足负荷的峰值功率需求，造成容量浪费。此外，当驱动大功率脉冲型负荷时，蓄电池的内部损耗和发热量大，端电压会出现较大的跌落，
严重的甚至会造成蓄电池过早地发生过放电保护而停止供电，给用电设备带来不便甚至损坏。
超级电容具有响应快，比功率高、成本高，比能量低、平台电压不稳定的特点，是一种新型用于短时大功率输出的储能介质，它的充放电过程与电池不同，在储存能量过程中并不发生化学反应，且储能过程是可逆的，反复充放电可以达到数十万次，不会造成环境污染。将超级电容器通过一定的方式与蓄电池混合使用，可以使储能装置具有很好的负荷适应能力，提高直流侧电压稳定水平，提高供电可靠性，提高系统的能量转化效率，减小蓄电池的安装容量，缩小储能装置体积，减轻重量，优化蓄电池的充放电过程，降低内部损耗、延长放电时间，改善储能装置的经济性能，延缓失效进程,延长系统使用寿命。
超级电容器与蓄电池混合使用，可以使二者在技术性能上实现优势互补，是解决目前电力储能问题的良好选择。
2储能系统的结构配置2.1
离网型储能结构配置
采用超级电容器蓄电池混合储能的分布式发电
系统独立运行，主要由分布式电源、充放电控制器、超级电容器组、蓄电池和功率控制与双向逆变器及交直流负荷等构成，如图1所示。充放电控制器对分布式电源输出能量进行控制，根据系统实际状态，以一定方式向后级供电，包括MPPT 方式、限流方式和恒压方式。系统中配置一定容量的超级电容器，除了作为能量储备装置外，还对分布式电源的输出能量进行滤波，优化蓄电池的工作环境（包括充电电流和放电电流）。蓄电池作为系统主要的能量储备装置。功率控制器是超级电容器向蓄电池传递能量的
图1含混合储能独立分布式电源结构图
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控制环节，对其控制的目的，就是使蓄电池处于较理想的工作状态，并使充放电循环次数最少，延长使用寿命。
2.2并网型储能结构配置
分布式发电正逐渐从过去的小规模离网系统，
向大规模并网发电方向发展。针对分布式电源发电因环境变化而导致的发电功率波动等问题,提出以分
布式发点最优效率运行和智能并网逆变控制为基础,引入超级电容和锂电池储能系统，将锂电池能量密度大和超级电容器功率密度大、循环寿命长的特点相结合的储能型分布式电源并网发电系统。
通过先进的智能控制系统，对分布式电源-混合储能系统进行智能控制，主要可以实现抑制功率波动、无功补偿和电压支撑、低电压穿越、孤岛运行以及“黑启动”等功能。
图2含混合储能并网分布式电源结构图
3功率型储能和能量型储能的容量配置3.1
离网型容量配置
独立分布式电源配置蓄电池容量的设计我们重
点设定以下6项原则：①将负载需要的用电量乘以最长分布式电源供电间隙得到初步的电池容量；②将所得的蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度，确定目标容量；③结合储能的化学特性，蓄电池不能在系统自给中完全放电，否则降低使用寿命；④结合储能的运行特性，综合利用蓄电池的能量/功率特性，提供稳定电压支撑；⑤结合储能的功能特性，功率平衡型、防灾应对型或紧急备用型，确定安全系数；⑥结合储能的经济特性，蓄电池充放电控制与负荷的分类分级管理，降低储能系统的投资。
在计算确定容量的同时，考虑上述的影响因素，我们设计蓄电池容量的公式如下：C battery =（A 1Wn ）TB 1/η1（Ud ）（1）
式中：A 1为关键负荷及不可间断负荷的占总负荷的比
例；W 为负荷每小时累计用电量，kWh ；n 为由安装场所的环境等外部条件和负荷的重要性设最长分布式电源间隙小时数，h ；T 为环境修正系数,不同分布式电源的受环境特性影响的系数，如温度、湿度等；B 1为安
全系数；η1为蓄电池充放电效率；U 为标称蓄电池电压；d 为放电深度，由蓄电池的期望寿命设定。
式（1）没有考虑超级电容器容量，假设超级电容器容量为C c ，
则蓄电池总容量为：C battery =（A 1Wn ）TB 1/η1（Ud
）-C c （2）
独立分布式电源配置超级容量的设计我们重点
设定以下6项原则：①将脉冲负荷所需要的用电量乘以所需时间得到初步的超级电容容量；②将所得的超级电容容量除以工作电压差内的最大放电深度，确定目标容量；③结合超级电容结构特性，高的功率密度和较长的循环寿命，优化蓄电池使用；④结合超级电容功能特性，瞬间支撑型、稳态应对型或容量补充型，确定安全系数；⑤结合超级电容经济特性，充放电控制与功率型负荷的分类分级管理，降低超级电容的投资；⑥结合超级电容的运行特性，快速放电的电压平台变化，确定合适接口装置。
系统含普通负荷P m ，脉冲负载P t ，且（P m +P t ）≥
P ρ，
其中P ρ为不影响蓄电池寿命下的蓄电池的最大功率密度，脉动负荷周期为T 1，占空比为D ，B 2为安全系数，则必须为分布式电源系统配置超级电容器容量
C c1，
应满足以下关系：12
NC c1（U max -U min ）≥
P m +P t -P ρη2T 1DB 2（3）超级电池总容量应满足：C c1≥2
P m +P t -P ρ
η2
T 1DB 2/N （U max -U min ）
（4）
式中：U max 为电容器最高工作电压，
V ；U min 为电容器放电至最低电压,V ；N 为单体电容器数量，个；
η2为超级电容器放电效率。
3.2并网型容量配置
并网型分布式电源配置蓄电池容量的设计我们
同样设定以下6项原则：①将负荷需要的用电量乘
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以最长电网停电时间得到初步的电池容量；②将所得的蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度，确定目标容量；③结合储能的化学特性，蓄电池与电网交换能量不能过充、过放；④结合储能的运行特性，与大电网友好互动，削峰填谷及适当的无功支撑；⑤结合储能的功能特性，与分布式电源友好互动，平抑功率波动，支持孤岛运行；⑥结合储能的经济特性，跟踪实时电价，提高储能系统收益，降低储能系统投资。
储能系统主要用于并网型分布式电源输出功率的功率平滑。以目前的技术水平,分布式电源系统输入能量的日太阳辐射是很难精确预测的变化量，一般设计中常采用建设地10～20年的太阳辐射平均值作为计算依据，而非典型性天气以采取向电网调度上报曲线，避免配置太大的锂电池容量造成不必要的浪费，根据每季度太阳辐射典型曲线得到并网分布式电源给调度的平滑曲线（该曲线为加入储能系统后的曲线）。通过该平滑曲线可以得到锂电池所需存储容量，因此，根据四个季度典型曲线可以得到为电站配置的锂电池存储容量为四个值，一般选择容量最大值即为锂电池最低存储容量值。
假设图3蓝色曲线为光伏电站没有配置储能系统时春季典型输出曲线，当光伏电站加入储能系统后让其输出曲线符合P =A sin θ，该曲线全天输出与没有配置储能系统时总输出相等，该曲线为黑色曲线，根据两条曲线可以得到各时刻锂电池容量变化如图4所示，从而可以得到春季需要锂电池可存储容量值。同理，根据夏、秋和冬季典型输出功率曲线可以得到这三个季节所需锂电池的最小存储容量，最终对四个季节计算出的最小储存容量进行比较得到为光伏电站配置的锂电池存储容量为C battery1。考虑到放电深度、效率等因素，得到最终为光伏
电站配置锂电池最小容量为：
C battery =C battery1A 3B 3/（
η1η3η4Ud ）（5）
式中：C battery1为光伏电站配置的锂电池存储容量；A 3为电网企业所要求的储能备用系数；B 3为安全系数；T 为温度修正系数；η4为逆变器效率；η1为锂电池放电
效率；η3为锂电池充电效率；
d 为放电深度,由锂电池的期望寿命设定；U 为标称锂电池电压。
依据《光伏电站接入电网技术规定》，并网光伏电站应具有限制输出功率变化率的能力，并可以接受因太阳光辐射强度快速减少引起的光伏电站输出功率下降速度超过最大变化率的情况。当超级电容-锂电池储能系统用于并网光伏电站时，锂电池控制各时刻输出功率变化率；锂电池的功率密度小，当太阳光辐射强度快速减少时，锂电池响应跟不上（或大电流变化伤害储能本体），该种情况超级电容参与动作，从而使输出功率下降速度维持在最大变化率以内。
我们设定超级电容的容量大小匹配计算如下：
12
NC c （U 2max -U 2min ）η2≥∑i =1m (P 1i -P 2i )t i （6）
C c ≥2∑i =1m
(P 1i -P 2i )t i /（
N （U 2max -U 2min ）η2）（7）式中：U max 为电容器最高工作电压；U min 为电容器放电
最低电压；N 为单体电容器数量；η2为超级电容器组
的放电效率；P 1i 为第i 次太阳光照强度跌落前光伏电
站输出功率；P 2i 为第i 次无储能系统时太阳光照强度跌落后光伏电站输出功率；t i 为第i 次输出功率降低持续时间；m 为每日太阳辐射强度改变使
得
图3
典型春季输出功率曲线和通过储能系统后输出功率曲线
图4
锂电池功率变化曲线
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P 1i -P 2i
t i
>Pl 次数，P l 为锂电池最大功率密度。目前，超级电容器价格十分昂贵，为常规动力电池的十几倍甚至几十倍，因此，考虑到经济性因素，为光伏系统匹配超级电容器容量为C c 。
4仿真与分析
4.1
独立运行时的仿真分析
对稳态时蓄电池支路和超级电容器支路的电流
进行仿真。其中，设定负荷的脉动周期为20ms ，占空比为D =0.2，电流幅值I =50A 。通过计算到为满足负载需要，锂电池和超级电容器各时刻输出曲线如图5所示。
图5锂电池和超级电容器各时刻输出曲线
第一组蓝色曲线为锂电池电流曲线，第二组红色曲线为超级电容器电流曲线，第三组绿色曲线为负载脉动电流图；当没有超级电容器情况时，锂电池输出为脉动负荷电流曲线，由此可以看出，锂电池电流变化比较频繁，影响寿命，而加入超级电容器后，锂电池各时刻输出电流相对比较平缓，这无疑优化了功能特性，将增大锂电池的使用寿命。
4.2并网运行时的仿真分析
光伏-储能电站首先根据天气预测系统得到光
伏出力预测曲线，上报区域电网调度系统，调度对当地负荷情况进行综合分析后给出一天指令出力曲线，当光伏电站的实际出力达不到调度指令时，储能进行动态补偿，从而有效地平抑光伏输出的功率波动。
假设为光伏系统匹配的混合储能系统容量比较大，因此区域电网调度下达曲线可高于光伏系统可输出电能，如图6所示，波动率大的曲线是光伏发电实际出力曲线，绿色曲线为调度根据功率预测和当地的负荷情况，下发给光伏电站的指令曲线。此时需要储能系统输出的出力曲线如图7所示。
图7储能出力曲线和调度的指令曲线
由图7可知看出，储能变流装置接受电网的指令，混合储能实时补偿的出力曲线如图6所示。可以看出两条曲线非常吻合，说明储能系统能够快速响应电网调度，曲线斜率的变化能够分析出超级电容的作用。
图8需要储能输出的曲线和实际的储能出力曲线
实际光伏出力和储能出力的综合输出如图9中PV_ESSout 曲线所示，这条曲线除了在光伏电站输出波动很大的情况下有所较小偏差之外，其余时段都按照调度指令输出。说明通过优化的混合储能能都平抑光伏输出功率波动。
通过分布式电源-混合储能系统的研究得到了
图6光伏出力曲线和调度的指令曲线
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将超级电容器和锂电池混合储能系统，分别对离网型光伏系统和并网型光伏系统进行容量匹配进行研究，验证了引入混合系统是解决分布式并网发电和独立发电系统的有效途径，得到了为分布式电源匹配超级电容器和锂电池的合理方法，验证了匹配方法的正确。
5结语
通过混合储能系统首先构建优化的能量型和功
率型配置，有利于推广储能系统应用，有效弥补可再生能源发电的间歇性和不稳定性缺陷，实现分布式电源稳定的电力供应和可再生能源电力平滑并入电网。储能技术的应用前景广阔，并得到了国家大力支持，科技部发布的《国家“十二五”科学和技术发展规划》把储能作为战略必争领域。储能技术改变现有的电网发展模式提供了可能，随着储能本体技术、控制技术，尤其多种储能混合利用技术的发展，储能未来有望更大范围应用。随着新能源发电规模的继续扩大，储能问题将更为迫切。将富余的能量储存起来，用能高峰期再释放出来，是解决新能源间歇性的重点，也是未来新能源大规模发展的重要支点。
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In
Proceedings
of
IEEE
Power
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Specialists
Conference,Aaehen ，Germany ，2004(1):690-696.收稿日期：2012-12-18作者简介：
吴鸣（1981-），男，博士，中国电力科学研究院高级工程师，主要从事分布式能源和微电网方向的研究；
苏剑（1971-），男，高级工程师，主要从事配电网规划和微电网方向的研究；
余杰（1970-），男，高级工程师，主从事配电网运行与管理、配网自动化等领域研究；
刘海涛（1978-），男，高级工程师，主要从事配电网规划和微电网方向的研究。
（责任编辑
杨
青）
图9调度的指令曲线和光伏储能配合后的曲线
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作者：吴鸣， 苏剑， 余杰， 刘海涛， 杨碧峰， 信诚， 季宇
作者单位：吴鸣,苏剑,刘海涛,季宇(中国电力科学研究院,北京市 100192)， 余杰,杨碧峰,信诚(浙江绍兴电力局,浙江省 绍兴市 312000)
刊名：
供用电
英文刊名：Distribution & Utilization
年，卷(期)：2013(1)
参考文献(11条)
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3.王鑫超级电容器对微电网电能质量影响的研究[学位论文] 2009
4.DOU GAL R A;LIU S;WHITE R E Power and life extension of battery-ultracapacitor hybrids 2002(01)
5.屈伟平;林燕智能微电网中的超级电容技术 2009(04)
6.唐西胜;武鑫;齐智平超级电容器蓄电池混合储能独立光伏系统研究[期刊论文]-{H}太阳能学报 2007(02)
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10.GAO Lijun;DOU GAL R A;LIU Shengyi Power enhancement of an actively cont rolled battery ultracapacitorhybrid 2005(01)
11.RizougN;BartholomefisP;PierreX Voltage Sharing in Supereapaeitor ModuleS：Experimental Study 2004
引用本文格式：吴鸣.苏剑.余杰.刘海涛.杨碧峰.信诚.季宇分布式电源的混合储能配置分析与研究[期刊论文]-供用电 2013(1)