混合储能系统功率分配效果的表征参数研究

 

在仿真分析等效时间常数影响因素的基础上，比较基于SOC和滤波的两类功率分配方法对应时间常数可能的取值范围；进而以时间常数作为分配效果的表征参数，解释了基于SOC的功率分配方法优于滤波法的原因。

 

储能系统由于其功率流动的双向可控性越来越成为电力系统中不可或缺的环节：大规模风电和光伏发电并网依靠大规模储能系统消化自然条件变化引起的各时间尺度上的发电功率波动；分布式发电单元中储能环节的加入使其具有了成为大电网友好可调度单元的可能性。

 

在以风、光等发电形式为主的小容量微电网中，当自然资源不具备发电条件或发电功率短缺时，储能系统可能需要维持重要负荷数小时供电；而当风光资源突变造成发电功率大幅波动或大功率负荷投切时，储能系统需迅速弥补发电和用电之间的功率缺额，以保证微电网安全稳定运行。

 

储能环节在电动交通工具方面也得到大量应用。超级电容公交车早在2010年上海世博会期间就进行了示范性运行；以铅酸电池或锂离子电池作为储能装置的电动车或电动汽车也逐渐成为出行交通工具的重要选择之一；通过合理设计，电动交通工具采用的储能环节能够实现制动过程中的能量回收，起到提高效率、节能环保的作用。船舶领域的能量管理系统越来越受到重视，引入储能环节将为能量管理带来更大的灵活性和可操作空间。

 

上述应用对储能环节的功率响应和大容量储能能力均提出需求，而超级电容、超导储能、飞轮储能、蓄电池等常用储能形式较难两者兼具；因此，采用单一储能形式在某些应用场合不可避免具有局限性。例如，蓄电池在充电倍率方面的弱势使其在达到电动汽车长续航里程要求的同时难以实现快速充电。

 

针对这类局限性，将两种或两种以上类型储能装置组合成实行统一控制的混合储能系统，是在储能本体性能获得突破性进展之前的一种应对方案。根据应用场合的具体要求选择具有对应特性的储能装置组成混合储能系统并设计合理的控制和功率分配策略，将尽可能地发挥各储能装置的优势，使储能环节达到更好的技术性能和经济性。

 

大功率充放电能力强、循环寿命长的超级电容或超导储能加上容易达到较大容量规模的蓄电池是混合储能系统常见的组合方式。文献分别对超导/蓄电池混合储能、超级电容/锂离子电池混合储能在风力发电和海浪发电系统中的应用进行了研究。

 

滤波是混合储能相关文献中最为常用的功率分配手段，利用滤波器分离出功率波动中的高频、低频分量，将对储能装置储能容量要求较低、而对充放电次数要求高的高频波动分量分配给能量密度低、循环寿命长的超级电容或超导储能装置处理，同时由蓄电池等能量密度相对较高、而不宜频繁充放电的储能装置处理可能引起较长时间尺度内能量大幅变化的低频波动分量。尽管滤波法易于理解和实现，但同时也存在对储能装置状态缺乏有效控制、依赖滤波后续处理、滤波器参数适用范围有限、设计方法通用性不强等缺点。

 

另一种功率分配方法是对混合储能系统需处理的瞬时功率的幅值进行分解，通过调节可大功率充放电的超级电容的电流指令来控制电池需要承受的充放电倍率，以达到优化电池工作条件、从而延长其工作寿命的目的。该方法依然存在导致储能装置荷电状态可能发生不受控制地偏移的固有局限性。

 

文献提出一种基于各储能装置荷电状态的功率分配思路，并通过仿真和实验说明了这种方法与定参数一阶低通滤波器相比在处理典型周期性功率波动方面的优势。为进一步在不失一般性的不规则功率波动条件下比较两种方法的功率分配效果，得出更具普遍意义的结论。

 

本文针对基于SOC的功率分配方法提出“等效时间常数”的概念，用时间常数表征两种方法的功率分配效果；并将以超级电容和电池组成的混合储能系统为例，在分析等效时间常数影响因素的基础上，解释基于荷电状态（State of Charge，SOC）的分配方法优于滤波法的原因。

 

等效时间常数的变化范围图

 

结论

 

为比较基于不同设计思路的混合储能系统功率分配方法的分配效果，本文类比滤波法采用的低通滤波器的时间常数概念，从表征能量型储能装置功率指令对混合储能系统整体功率指令的跟随特性入手，针对基于SOC的功率分配方法定义了等效时间常数。

 

对特定混合储能系统组成形式和特定功率分配函数形式下等效时间常数的影响因素进行了仿真分析。仿真结果表明，用等效时间常数能够合理地表征功率分配效果，且由于基于SOC的功率分配方法等效的时间常数始终大于定参数低通滤波器能够取到的时间常数，因此前者能够达到优于滤波法的功率分配效果。

 

同时，等效时间常数的提出也为定性分析多种基于不同手段的混合储能系统功率分配方法提供了一种思路，可以作为各应用场合下不同功率分配方法评价和选用的参考。