直流微网中复合储能装置的并联技术研究
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
国家能源主动配电网技术研发中心(北京交通大学) 、北京电动车辆协同创新中心的研究人员陈美福、赵新、金新民、刘京斗、吴学智，在2016年《电工技术学报》增刊2上撰文指出，随着电网中分布式电源的日益增多，储能技术在提高系统的稳定性和改善电能质量方面显得越来越重要。
考虑到当前储能元件的特性，复合储能系统比单一储能系统具有更多优点，但当前复合储能技术多基于主从控制，需要高带宽通信，系统可靠性被削弱，不适合于分布式特点的直流微网。
从提高直流微网中储能装置的扩展性及冗余度角度出发，提出了一种新型复合储能装置的并联控制策略。该策略中，电池采用电压-电流(U-I)下垂控制，超级电容采用电压变化率-电流(U'-I)下垂控制。该系统在仅依靠储能装置本地信息时，实现不同类型储能装置响应对应频段的分量和同类型储能装置之间的功率自动分配。最后，仿真和实验结果验证了该策略的正确性和有效性。
为了缓解分布式发电(Distributed Generation， DG)对传统电网稳定性的冲击，同时最大限度地发挥分布式发电的技术经济性，微网结构的使用成为一个有效手段[1]。相比于交流微网，直流微网无需考虑电压相位同步、无功功率等问题，在一定电压等级下，直流微源(光伏、储能等)和直流负荷可以直接接入直流母线，因此具有电力电子器件数量和损耗更少等优势，重要性日益突出[2]。
由于分布式电源的输出功率具有间歇性和随机性的特点，储能对微网的稳定、电能质量的改善和不间断供电具有重要的意义[3]。然而基于电池的单一储能系统功率密度低，可循环的次数少，从储能效果和经济性出发，需要对储能系统进行优化。
在电力储能中，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(Supercapacitor,SC)、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。二者特性互补性强，相比单一能量型储能，结合使用既可以提高储能系统的响应速度，又可以延长储能系统的使用寿命[4,5]。
复合储能系统(Hybrid Energy Storage System, HESS)中，控制策略跟复合储能使用的拓扑结构有很大关系[6,7]。当前复合储能主要采用储能元件经变换器并联于直流母线的拓扑结构，采用主从控制的方式，通过集中控制器统一进行功率分频，重点在滤波算法的选取上。
经典滤波算法上，文献[8-11]采用一阶滤波进行功率区分，通过灵活调节滤波常数进行储能能量管理，控制较简单；文献[12]采用了滑动平均滤波算法，通过调节时间窗口，对脉动性负载更加适用。现代滤波算法上，文献[13,14]采用小波分频算法，可以准确获得各频段的功率，使平抑效果容易满足波动指标；文献[15]引入了卡尔曼滤波方法，方法比较复杂。然而主从控制需要高速通信线，对系统设计要求高。
然而对于具有分布式特点的直流微网，复合储能装置的并联如果采用高速通信线，系统的可靠性会被削弱，因此要求不同类型储能装置之间仅依靠本地信息来协调响应对应频段的功率波动。其次，同类型储能装置的扩展性和冗余度对直流微网运行的稳定性也很重要。文献[16]在不需要各单元功率信息情况下，即可实现复合储能装置的运行，采用超级电容稳定直流母线电压，电池稳定超级电容端电压，但较难实现储能装置间并联运行时“即插即用”的效果。
同种类型储能装置之间的并联运行技术，可以看成对应储能装置内变换器的并联技术，其中对等控制(peer-to-peer)中的下垂控制[17-20]具有突出的优点：①具有较好的扩展性，易于实现“即插即用”；②接口变换器之间无需高频通信线，降低了成本，提升系统的可靠性；③实现模块化运行，冗余度高，且易于维护。
文献[21]对不同类型储能装置采用下垂控制，其中电池需要采集超级电容相关信息来进行工作，而非储能装置仅采集自身本地信息即可正常运行，失去下垂控制“即插即用”的优势，使得储能装置的扩展性较弱。
针对以上方法的存在的问题，本文提出一种复合储能装置的并联控制策略，能量型储能装置采用电压-电流(U-I)下垂控制，功率型储能装置采用电压变化率-电流(U'-I)下垂控制。在仅依靠储能装置本地信息的情况下，实现不同类型储能装置响应直流母线上各自频段功率，另一方面不影响同类型储能装置之间功率的自动分配。
图2 复合储能系统结构
图10 实验平台
结论
本文提出了一种新型的复合储能装置的并联控制策略，适用于具有分布式特点的直流微网，储能装置间可以实现无通信互联线并联扩展，使得分布式复合储能容量的扩充具有更好的灵活性。
能量型储能部分采用U-I下垂，功率型储能部分采用U'-I下垂，使得复合储能各部分具备即插即用功能，并有以下功能：不同类型储能装置仅依靠储能装置本地信息响应各自频段功率；同类型储能装置之间仅依靠储能装置本地信息实现功率合理分配。