混合储能系统功率分配效果的表征参数研究

[1,2]
。在以风、光等发电形式为
储能装置的电动车或电动汽车也逐渐成为出行交通
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丁若星 等
混合储能系统功率分配效果的表征参数研究
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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 [3] ，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 [4,5] 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 [6-8] 。 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 [10] 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
2016 年 第 31 卷增刊 1
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.31
Sup.1 2016
混合储能系统功率分配效果的表征参数研究
丁若星
（ 1. 中国舰船研究设计中心
1,2
董
430064 北京
戈
3
吴和平
4
肖
曦
2
武汉
S SU S1 L 2 PE,ref g1 S1 Pmax S S U L 2 P P,ref Pref PE,ref
2
等效时间常数定义及仿真
通过根据具体应用场景的需求来设计参数，滤
波法与基于 SOC 功率分配方法均可应用于不同场 合，但由于两种方法在 Pref 不规则波动的情况下分 配结果也不规则，因此难以对两种分配方法进行具 有普遍意义的评估。为此，需要提出一种通用的表 征参数，用以比较各种应用背景下两种功率分配方 法的效果。 根据各自的设计思路可知，两种方法均意图使 能 量 型 储 能 单 元 的 功 率 指 令 PE,ref 更 平 缓 地 跟 踪 Pref ，从而减小大电流充放电和频繁充放电对其寿命 的不利影响；这一目标与采用低通滤波器处理 Pref 、 且低通滤波器时间 并将滤波器输出作为 PE,ref 一致， 常数越大，PE,ref 受到的平滑作用越明显。因此，本 文参照滤波器时间常数的概念， 针对基于 SOC 的功 率分配方法定义等效时间常数，用以表征该方法平 抑 PE,ref 波动的能力。 以形式最简单的一阶低通滤波器时间常数作为 参照。时间常数为 Tc 的一阶低通滤波器单位阶跃响 应为 1 e
of charge (SOC), the definition of equivalent time constant is proposed for its similarity to the time constant of low-pass filter. Attempting to make a general evaluation for different sharing strategies, the time constant is used as an indicator of power sharing results in this paper. Simulation results are presented to verify this indicator and its influencing factors. For two power sharing strategies of HESS, based on SOC or filtering, the advantage of the former is explained by comparing value ranges of the equivalent time constant and the time constant of the filter. Keywords： Hybrid energy storage, power sharing, state of charge, equivalent time constant 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
2. State Key Lab of Power Systems Department of Electrical Engineering Tsinghua Uniห้องสมุดไป่ตู้ersity Xuchang
For the hybrid energy storage system (HESS) power sharing strategy based on the state
PE,ref Pa Pb Pa 1 e 1


（ 1）
则令 T ce = t1 t0。可以认为，在功率型储能装置 荷电状态为 S a 的初始条件下，基于 SOC 的功率分 配方法中 Pref 从 Pa 至 Pb 的功率阶跃响应结果，与采 用时间常数为 T ce 的一阶低通滤波器进行功率分配 的结果等效。
收稿日期 2015-09-20 改稿日期 2016-05-07
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引言
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
2. 电力系统国家重点实验室（清华大学） 100084 4. 许继集团有限公司 许昌
北京
100084
3. 清华大学航天航空学院 摘要
461000 ）
针对混合储能系统基于 SOC 的功率分配方法，参照滤波器时间常数的概念，定义“等
效时间常数” ，将其作为功率分配效果的评判指标，并通过仿真证明了定义的合理性。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。 关键词： 混合储能 中图分类号： TM912 功率分配 荷电状态 等效时间常数
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果，说明在 Pref 周期性波动的情况下，该方法的分配 效果优于采用给定参数滤波器的滤波法。
据此定义基于 SOC 功率分配方法的等效时间 常数 T ce 。假设 t0 时刻以前，混合储能系统整体的功 率指令保持为 Pref =Pa，功率分配已达到稳定，即恒 定的 Pref 完全由能量型储能装置处理，功率型储能 装置输出功率指令 PP,ref = 0 、SOC 保持为恒定值 Sa 。 t0 时刻， Pref 从 Pa 阶跃至 Pb。设 t1 时刻有
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基于 SOC 功率分配的设计思路
对由功率型和能量型储能单元组成的混合储能
系统来说，将系统整体的功率指令进行幅值或频率 分解是比较直接的功率分配方法。功率型储能单元 处理频率高或幅值大、波动剧烈的功率分量，而能 量型储能单元处理变化幅度较小、但经过一段时间 累积使得能量变化幅度大的功率分量。由于这类方 法的处理对象为瞬时功率，未考虑功率随时间累积 （即能量）对储能装置储能状态的影响，因此储能 装置难以在较长时间尺度下始终处于预期状态。 如采用另一种思路，将荷电状态（ SOC）和功率 同时作为控制对象，则能够使储能装置在各时间尺 度均保持能量平衡，避免出现不可控的状态偏移。 文献 [12] 给出了基于上述思路的一种功率分配方法 以及超级电容 - 锂离子电池混合储能系统的功率分 配实例。即超级电容作为功率型储能单元直接响应 储能系统整体的输出功率指令 Pref ，同时将以超级 电容荷电状态 S 1 为自变量的函数 g 1(S 1) 作为能量型 储能单元电池的输出功率指令 PE,ref，从而电池能够 随时调整 S 1，使超级电容不会由于容量较小、处理 的功率波动幅值较大而超出设定的正常工作范围。 这种方法的本质是，较剧烈的功率指令波动， 如典型的短时尖峰功率，经过具有一定储能容量的 超级电容缓冲，转化成反映时间累积效应、波动幅 度相对平缓的超级电容荷电状态变化，然后将这种 较平缓的波动映射到电池的功率指令上，达到减小 电池充放电倍率和循环次数、延长其寿命、从而提 高混合储能系统整体性能的目的。 文献 [10]给出的仿真结果如图 1 所示。当混合 储能系统功率指令以周期 T = 10s 的方波形式波动 时，采用时间常数 τ =1s 或 τ =5s 的一阶低通滤波器 得到的电池功率 p B 的波动幅度大于采用基于 SOC 的功率分配方法得到的分配结果。基于 SOC 的功率 分配方法虽未依据频率或幅值对 Pref 进行分解，但 电池功率的波动幅度仍然能够小于采用滤波器的结