图 ２ 混 合 储 能 系 统 控 制 Ｆｉｇ．２ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｈｙｂｒｉｄ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ
Ｐｒｅｆ＿ｓｃ（ｓ）＝ １ｓ＋ＴｓｆＴｆＰＨＥＳＳ（ｓ）
（１）
Ｐｒｅｆ＿ｂ（ｓ）＝ ＰＨＥＳＳ（ｓ）－Ｐｒｅｆ＿ｓｃ（ｓ）＝ １＋１ｓＴｆＰＨＥＳＳ（ｓ）
（２）
式中：Ｔｆ 为 滤 波 时 间 常 数，根 据 超 级 电 容 需 要 平 抑 的 功 率 波 动 频 带 确 定 ，常 为 秒 级 到 分 钟 级 。 从 式 （１）
在 混 合 储 能 控 制 技 术 中，能 量 型 储 能 与 功 率 型 储能的实时功率分 配 是 首 要 问 题，采 用 高 通 滤 波 器 对混合储能系统 功 率 指 令 ＰＨＥＳＳ进 行 滤 波 得 到 其 高 频波动分量作为超级电容储能的有功指令 Ｐｒｅｆ＿ｓｃ，再 将高通滤波后的功率指令剩余部分作为锂电池储能 的有功指令 Ｐｒｅｆ＿ｂ。规定功率 大 于 ０ 表 示 放 电，小 于 ０表示充 电，则 混 合 储 能 系 统 功 率 分 配 如 式 （１）和 式 （２）所 示 。
因 此，提 出 基 于 锂 电 池 充 放 电 状 态 的 协 调 控 制 策略：当锂电池放电（Ｐｂ＞０）时，使 超 级 电 容 储 能 电 量保 持 在 较 低 水 平，即 图 ３（ａ）所 示 目 标 区 域 ［ＱＳＯＣｍｉｎ＿ｓｃ，ＱＳＯＣｂｄ＿ｓｃ］，对 混 合 储 能 系 统 的 放 电 需 求 响 应 以 锂 电 池 为 主 、超 级 电 容 为 辅 ，对 充 电 需 求 响 应 以 超级 电 容 为 主、锂 电 池 为 辅；同 理，当 锂 电 池 充 电 （Ｐｂ＜０）时，使超 级 电 容 储 能 电 量 保 持 在 较 高 水 平， 即图 ３（ｂ）所 示目标区域［ＱＳＯＣｂｃ＿ｓｃ，ＱＳＯＣｍａｘ＿ｓｃ］，对混 合 储能系统的充电需 求 响 应 以 锂 电 池 为 主、超 级 电 容 为辅，对放 电 需 求 响 应 以 超 级 电 容 为 主、锂 电 池 为 辅。采用该协调控 制 策 略，进 行 ２ 种 储 能 之 间 的 状 态 配 合 ，可 以 进 一 步 发 挥 各 自 的 优 势 。
形式如图１所示。以超级电容和锂电池构成的混合 储能系统为例，２种储能系统通过 交 流 侧 并 联，根 据 功率型储能和能量 型 储 能 的 不 同 特 性，分 别 用 于 响 应高频功率波动和 低 频 功 率 波 动，充 分 发 挥 超 级 电 容响应速度快、循环 寿 命 长 和 锂 电 池 能 量 密 度 大 的 优 点 。 因 此 ，针 对 功 率 波 动 较 大 的 超 级 电 容 储 能 ，由 于组 串 电 压 范 围 宽，采 用 由 三 重 化 双 向 ＤＣ／ＤＣ 变 换器和双向并网变 流 器 组 成 的 两 级 式 控 制 结 构；而 对于所承担功率波 动 较 慢 变 化 的 锂 电 池 储 能，由 于 组串电压范 围 较 窄，采 用 单 级 式 控 制 结 构。２ 种 储 能系统本身的控制如附录 Ａ 所示。
除了 以 上 混 合 储 能 系 统 内 部 能 量 分 配 问 题，文 献［７］通过调整滑 动 窗 口 宽 度 和 蓄 电 池 功 率 给 定 值 补偿系数的大小，使 超 级 电 容 器 储 能 电 量 处 于 合 理 范围；文献［６，９－１０］采 用 模 糊 控 制 以 及 文 献 ［１１］采 用直接功率调节方 式，防 止 储 能 过 充 过 放 和 功 率 越 限；文献［９，１２］控制超 级 电 容 储 能 电 量 稳 定 在 ＳＯＣ 中 值 附 近 ，优 化 混 合 储 能 系 统 功 率 调 节 能 力 。
１ 混 合 储 能 系 统 的 结 构 与 控 制
混合 储 能 系 统 存 在 多 种 系 统 结 构，适 合 交 流 应 用模式的结构有利 于 储 能 的 大 规 模 使 用，典 型 结 构
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· 储 能 技 术 及 其 在 电 力 系 统 中 的 应 用 · 李 逢 兵 ，等 基 于 锂 电 池 充 放 电 状 态 的 混 合 储 能 系 统 控 制 策 略 设 计
收 稿 日 期 ：２０１２－０９－２９；修 回 日 期 ：２０１２－１１－２５。 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 （８６３ 计 划 ）资 助 项 目 （２０１１ＡＡ０５Ａ１０７）；国 家 电 网 公 司 科 技 项 目 “间 歇 式 可 再 生 能源海岛电网运行 技 术 研 究 及 工 程 示 范”和 “分 布 式 电 源 接 入 系 统 后 多 元 复 合 储 能 关 键 技 术 研 究 及 实 验 平 台 建 设 ”。
关 键 词 ：混 合 储 能 系 统 ；超 级 电 容 ；锂 离 子 电 池 ；高 通 滤 波 ；功 率 分 配 ；状 态 调 整 ；协 为 了 稳 定 电 网 运 行 、充 分 利 用 可 再 生 能 源及适应智能电网 等 需 要，电 力 储 能 技 术 作 为 一 种 新 兴 的 调 节 手 段 ，因 其 控 制 灵 活 、使 用 方 便 得 到 高 度 重视。电力储能有 多 种 形 式，通 常 可 分 为 能 量 型 储 能和功率型储能２类。能量型储能以铅酸蓄电池、 锂电池等为代表，能 量 密 度 大、储 能 时 间 长，但 功 率 密度小、循环寿命 短；功 率 型 储 能 以 超 级 电 容、飞 轮 储能等为代表，功 率 密 度 大、响 应 速 度 快、循 环 寿 命 长，但 能 量 密 度 小、自 放 电 率 高。 目 前，单 一 储 能 技 术还很难做到同时具备以上所有优点而满足所有应 用模式的需求。而混合储能可以充分利用能量型储 能和功率型储能在 技 术 特 性 上 的 互 补 性，来 满 足 不 同层次的技术需求，目 前 已 成 为 国 内 外 学 者 研 究 的 热点之一。
和式（２）可 知，Ｐｒｅｆ＿ｓｃ因 ＰＨＥＳＳ 的 变 化 而 快 速 变 化 ，呈
高频波动 ，Ｐｒｅｆ＿ｂ则随 ＰＨＥＳＳ缓慢变化。
２．２ 优 化 整 体 调 节 能 力
在混 合 储 能 系 统 中，锂 电 池 由 于 循 环 寿 命 相 对
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２０１３，３７（１）
较 短 ，要 求 其 避 免 频 繁 充 放 电 切 换 ，主 要 承 担 系 统 功 率指令中缓慢变化 的 非 高 频 波 动 部 分；超 级 电 容 虽 可发挥其优势承担系统功率指令的高频波动部分， 但能量密度低的缺点可能使其很快接近储能电量上 下限，从而影响控 制 效 果。 因 此 需 ２ 个 系 统 的 协 调 控 制 ，才 能 充 分 发 挥 混 合 储 能 系 统 的 性 能 。
混 合 储 能 技 术 就 是 将 具 有 快 速 响 应 特 性、循 环 周期寿命长的功率型储能和具有大容量储能特性的 能 量 型 储 能 联 合 使 用 、协 调 控 制 ，最 大 限 度 地 发 挥 各 种 储 能 技 术 的 长 处 ，提 高 储 能 系 统 的 技 术 经 济 优 势 。 文 献 ［１－２］在 独 立 光 伏 发 电 系 统 中 ，利 用 超 级 电 容 降 低 蓄 电 池 的 放 电 深 度 ；文 献 ［３］通 过 多 滞 环 调 节 控 制 策略，以超级电容高 功 率 密 度 特 性 稳 定 直 流 母 线 电 压 ，实 现 微 电 网 瞬 时 功 率 平 衡 ，优 化 蓄 电 池 充 放 电 过 程；文献［４－５］在 风 电 波 动 功 率 平 抑 中，采 用 超 级 电
综上所述，针 对 混 合 储 能 系 统 的 基 本 问 题，例 如，根据储能系统技 术 特 性 和 功 率 波 动 情 况 进 行 能 量分配、各单元独立 的 过 充 过 放 保 护 和 最 大 功 率 限 制 等 ，已 有 一 些 研 究 成 果 ；而 对 于 混 合 储 能 系 统 的 深 入 研 究 ，例 如 ，系 统 内 部 各 单 元 之 间 的 协 调 控 制 和 系 统整体性能的优 化 方 面，还 鲜 见 报 道。 本 文 在 混 合 储能系统 已 有 研 究 成 果 和 进 一 步 深 入 分 析 的 基 础 上，提出含储能单元 协 调 控 制 和 储 能 系 统 性 能 优 化 的混合储能 系 统 整 体 控 制 策 略，并 通 过 ＰＳＣＡＤ 仿 真算例分析验证该策略的正确性。
当 超 级 电 容 储 能 电 量 接 近 上 限 时 ，放 电 能 力 强 ， 充电 能 力 弱，对 正 向 较 大 或 骤 增 的 ＰＨＥＳＳ 响 应 能 力 强，但 对 负 向 较 大 或 骤 减 的 ＰＨＥＳＳ响 应 能 力 较 弱；同 理 ，接 近 下 限 时 ，充 电 能 力 强 ，放 电 能 力 弱 ，对 负 向 较 大或骤减的 ＰＨＥＳＳ响应能力强，但对正向较大或骤 增 的 ＰＨＥＳＳ响应 能 力 较 弱。２ 种 情 况 下 均 可 能 需 要 以 锂电池输出功率大幅度变化甚至切换充放电状态为 代价完成响应。此 外，若 通 过 控 制 使 超 级 电 容 储 能 电量始 终稳定在 中间点 ，虽 ［９，１２］ 既 能 吸 收能 量，也 能 释 放 能 量 ，但 相 当 于 容 量 减 半 。
容优先 响 应、蓄 电 池 实 时 调 整 超 级 电 容 荷 电 状 态 （ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ，ＳＯＣ）的 方 式，减 少 蓄 电 池 的 充 放 电 响 应 频 率 ；文 献 ［６］在 平 滑 可 再 生 能 源 输 出 功 率 波 动的混合储能系统 中，采 用 模 糊 控 制 理 论 进 行 功 率 分 配 ，当 超 级 电 容 电 量 充 足 时 ，由 其 独 立 补 偿 平 滑 所 需 功 率 ，从 而 减 少 蓄 电 池 充 放 电 次 数 ；文 献 ［７－１２］采 用 滑 动 平 均 滤 波 控 制 、低 通 或 高 通 滤 波 控 制 ，使 功 率 型储能和能量型储能分别承担混合储能系统功率指 令或电流指令的高 频 波 动 部 分 和 中 频 波 动 部 分，发 挥储能介质各自的优势。
第 ３７ 卷 第 １ 期 ２０１３ 年 １ 月 １０ 日