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摘要：储能系统是微电网的重要组成部分，对维持微电网安全稳定运行，改善电能质量具有十分重要的作用。本文分析了交直流微电网混合储能的结构及工作原理，并对其储能系统运行控制进行了仿真分析，验证了该系统的可靠性。
关键词：交直流微电网；混合储能；系统仿真
引言
随着我国国民经济的快速发展，我国面临着能源资源短缺、能源利用效率低下、环境压力大等问题，而微电网通过运用各种分布式可再生能源，具有能源利用率高、供能可靠性高、污染物排放少、运行经济性好等优势，越来越受社会各界的关注。其中，交直流混合微电网兼备交流微电网和直流微电网的优点，是一种具有良好前景的微电网形式。对此，笔者进行了相关介绍。
1.交直流微网混合储能的结构与工作原理
1.1 微网直流侧的结构
交直流混合微网中储能设备通过 DC/DC 变换器将直流母线中的电能储存起来，在直流母线负荷增加时又通过DC/DC变换器给直流母线上的负荷供电。储能装置有功率型储能设备如超级电容器、飞轮储能等，也有能量型储能设备如蓄电池、抽水储能。由于单一的储能设备不能满足直流侧分布式电源和负荷变 动，因此采用蓄电池和超级电容器的混合储能作为微网直流侧的储能设备。考虑到电路结构和控制的实用性，本文采用非隔离式的双向DC/DC变换器。假设分布式电源直流侧来自光伏电池，则直流侧储存系统简化结构图如图1所示，储能设备、分布式电源（光伏电池）、直流负荷以及微网交流母线通过双向AC/DC 变换器共同接在直流母線上。
设 PV、PH、PL、PA 分别为光伏电池功率、储能设备功率、负载以及交流侧交换的功率，则有PL =PV ±PH ±PA 系统中蓄电池选择采用最常见的锂电池，锂电池 能量密度高，超级电容功率密度高，因此锂电池提供负载功率变化的低频分量；超级电容器提供负载功率的 高频分量。负载功率突变时，由于光伏电池的功率被认为是不变的，这样由蓄电池与超级电容组成的混合 储能系统共同维持母线上能量的平衡。
为了更加全面控制储能设备的充放电，维持直流母线上的功率平衡，又由于锂电池与超级电容器的充放电性能不同，因此采用双向DC/DC变换器分别控制锂电池和超级电容器，如图2所示。
采用这样的拓扑结构能够有效地对混合储能中所有的储能设备进行控制，有效地防止了储能设备的过充和过放，延长其使用寿命，同时提高了维持直流母线功率平衡的能力。
1.2 混合储能系统工作原理
混合储能中分层控制是有效地对直流母线功率平衡的重要手段，本文根据直流母线电压的波动，考虑直流侧负载用电对直流母线电压的影响采用分层下垂控制管理。
为了保障微电网内计划重要负荷供电的可靠性、统运行的稳定性，能量交换的高效性，分析交直流混合微电网各微源控制器能量分配设计方法，高效利用单个交直流接口变流器，采用对直流母线电压的下垂控制，如图3所示。
图4为系统运行及控制流程图，udc、udcr 分别为检测的直流母线的电压和直流母线电压的设定值，udcr 一般为220V，Δu、udmin、udmax 分别为直流母线电压变化量，直流母线允许下降下限和直流母线允许上升上限。Δuf、f 分别为直流母线电压变化量和设定的电压变化频率极限值。
其 中 Δuf = Δu/Δt
（1）第一层
设置直流母线的标准值udc，电压在udmin到udmax之间时属于正常波动范围，此时电力电子器件处于待机状态。
（2）第二层
当直流母线上由于负载减少或光伏供电增加使得直流母线电压下降，Δu≥udmax时，超级电容器侧的DC/DC变换器控制器采集电容器端充放电电流，并检测直流侧负载功率信号Δuf，当Δuf 大于等于设定值f 时超级电容充电；锂电池侧的DC/DC 变换器控制器采集蓄电池充放电电流，并检测直流侧负载功率信号Δuf，当Δuf大于等于设定值f时锂电池充电。为了防止过充，在储能单元充电充满后就会触发交直流母线间 的双向AC/DC 变换器逆变，将多余电能向交流母线输送。
（3）第 三 层
当直流母线上由于负载增多或光伏供电下降使得直流母线电压下降，Δu≤udmin 时，超级电容器侧的 DC/DC 变换器控制器采集电容器端充放电电流，并检测直流侧负载功率信号Δuf，当Δuf 大于等于设定值f时超级电容放电；锂电池侧的DC/DC变换器控制器采集蓄电池充放电电流，并检测直流侧负载功率信号 Δuf，当Δuf 大于等于设定值f时锂电池 放电。为了防止过放，在储能单元充电放电达到一定的程度后就会 触发交直流母线间的双向 AC/DC变换器整流，由交流母线向直流母线传送电能。
2.系统仿真实验结果及分析
为了验证直流母线电压分层下垂控制策略，采用图4的流程搭建仿真系统，在每个分层中搭建闭环控制器，太阳能电池板处于最大功率点跟踪（MPPT）控制模式，直流电压udc设定为220V。
2.1在0.1s加重载负荷
加重载后由于直流母线电压变化，会给使得储能单元放电，所以在0.1s时电压会有小的下降波动，之后因超级电容器功率密度高，直流母线电压回升，之后锂电池的继续放电电压基本稳定。
因锂电池能量密度高，在放电开始时响应速度慢，在0.16s之后处于稳定放电状态。
因超级电容器功率密度高，在0.1s时响应速度快，很短时间就处于放电状态，和锂电池可以达到互补的效果。
2.2 0.3s减为轻载负荷
加轻载后直流母线电压上升，之后由于储能单元充电电压下降，在0.32s 之后直流母线电压处于稳定状态。
因锂电池能量密度高，在充电开始时响应速度慢，在0.32s之后基本处于稳定充电状态。
因超级电容器功率密度高，在0.3s时响应速度快，很短时间就处于充电状态，0.32s之后基本处于稳定状态，和锂电池可以达到互补的效果。
3.结论
综上所述，储能系统是微电网安全可靠运行的重要保障，通过混合使用蓄电池和超级电容器，能够提高充放电速度及微电网储能系统的整体性能。本文提出了交直流微电网混合储能系统的分层控制策略，能够有效提高微电网的稳定性，可供类似储能系统控制参考。
参考文献：
[1]交直流混合微电网运行控制策略研究[J].丁明，田龙刚，潘浩，张雪松，周金辉.电力系统保护与控制.2015（09）
[2]微电网混合储能系统控制策略研究[J].于会群，钟永，张浩，彭道刚.电子测量与仪器学报.2015（05）
关键词：交直流微电网；混合储能；系统仿真
引言
随着我国国民经济的快速发展，我国面临着能源资源短缺、能源利用效率低下、环境压力大等问题，而微电网通过运用各种分布式可再生能源，具有能源利用率高、供能可靠性高、污染物排放少、运行经济性好等优势，越来越受社会各界的关注。其中，交直流混合微电网兼备交流微电网和直流微电网的优点，是一种具有良好前景的微电网形式。对此，笔者进行了相关介绍。
1.交直流微网混合储能的结构与工作原理
1.1 微网直流侧的结构
交直流混合微网中储能设备通过 DC/DC 变换器将直流母线中的电能储存起来，在直流母线负荷增加时又通过DC/DC变换器给直流母线上的负荷供电。储能装置有功率型储能设备如超级电容器、飞轮储能等，也有能量型储能设备如蓄电池、抽水储能。由于单一的储能设备不能满足直流侧分布式电源和负荷变 动，因此采用蓄电池和超级电容器的混合储能作为微网直流侧的储能设备。考虑到电路结构和控制的实用性，本文采用非隔离式的双向DC/DC变换器。假设分布式电源直流侧来自光伏电池，则直流侧储存系统简化结构图如图1所示，储能设备、分布式电源（光伏电池）、直流负荷以及微网交流母线通过双向AC/DC 变换器共同接在直流母線上。
设 PV、PH、PL、PA 分别为光伏电池功率、储能设备功率、负载以及交流侧交换的功率，则有PL =PV ±PH ±PA 系统中蓄电池选择采用最常见的锂电池，锂电池 能量密度高，超级电容功率密度高，因此锂电池提供负载功率变化的低频分量；超级电容器提供负载功率的 高频分量。负载功率突变时，由于光伏电池的功率被认为是不变的，这样由蓄电池与超级电容组成的混合 储能系统共同维持母线上能量的平衡。
为了更加全面控制储能设备的充放电，维持直流母线上的功率平衡，又由于锂电池与超级电容器的充放电性能不同，因此采用双向DC/DC变换器分别控制锂电池和超级电容器，如图2所示。
采用这样的拓扑结构能够有效地对混合储能中所有的储能设备进行控制，有效地防止了储能设备的过充和过放，延长其使用寿命，同时提高了维持直流母线功率平衡的能力。
1.2 混合储能系统工作原理
混合储能中分层控制是有效地对直流母线功率平衡的重要手段，本文根据直流母线电压的波动，考虑直流侧负载用电对直流母线电压的影响采用分层下垂控制管理。
为了保障微电网内计划重要负荷供电的可靠性、统运行的稳定性，能量交换的高效性，分析交直流混合微电网各微源控制器能量分配设计方法，高效利用单个交直流接口变流器，采用对直流母线电压的下垂控制，如图3所示。
图4为系统运行及控制流程图，udc、udcr 分别为检测的直流母线的电压和直流母线电压的设定值，udcr 一般为220V，Δu、udmin、udmax 分别为直流母线电压变化量，直流母线允许下降下限和直流母线允许上升上限。Δuf、f 分别为直流母线电压变化量和设定的电压变化频率极限值。
其 中 Δuf = Δu/Δt
（1）第一层
设置直流母线的标准值udc，电压在udmin到udmax之间时属于正常波动范围，此时电力电子器件处于待机状态。
（2）第二层
当直流母线上由于负载减少或光伏供电增加使得直流母线电压下降，Δu≥udmax时，超级电容器侧的DC/DC变换器控制器采集电容器端充放电电流，并检测直流侧负载功率信号Δuf，当Δuf 大于等于设定值f 时超级电容充电；锂电池侧的DC/DC 变换器控制器采集蓄电池充放电电流，并检测直流侧负载功率信号Δuf，当Δuf大于等于设定值f时锂电池充电。为了防止过充，在储能单元充电充满后就会触发交直流母线间 的双向AC/DC 变换器逆变，将多余电能向交流母线输送。
（3）第 三 层
当直流母线上由于负载增多或光伏供电下降使得直流母线电压下降，Δu≤udmin 时，超级电容器侧的 DC/DC 变换器控制器采集电容器端充放电电流，并检测直流侧负载功率信号Δuf，当Δuf 大于等于设定值f时超级电容放电；锂电池侧的DC/DC变换器控制器采集蓄电池充放电电流，并检测直流侧负载功率信号 Δuf，当Δuf 大于等于设定值f时锂电池 放电。为了防止过放，在储能单元充电放电达到一定的程度后就会 触发交直流母线间的双向 AC/DC变换器整流，由交流母线向直流母线传送电能。
2.系统仿真实验结果及分析
为了验证直流母线电压分层下垂控制策略，采用图4的流程搭建仿真系统，在每个分层中搭建闭环控制器，太阳能电池板处于最大功率点跟踪（MPPT）控制模式，直流电压udc设定为220V。
2.1在0.1s加重载负荷
加重载后由于直流母线电压变化，会给使得储能单元放电，所以在0.1s时电压会有小的下降波动，之后因超级电容器功率密度高，直流母线电压回升，之后锂电池的继续放电电压基本稳定。
因锂电池能量密度高，在放电开始时响应速度慢，在0.16s之后处于稳定放电状态。
因超级电容器功率密度高，在0.1s时响应速度快，很短时间就处于放电状态，和锂电池可以达到互补的效果。
2.2 0.3s减为轻载负荷
加轻载后直流母线电压上升，之后由于储能单元充电电压下降，在0.32s 之后直流母线电压处于稳定状态。
因锂电池能量密度高，在充电开始时响应速度慢，在0.32s之后基本处于稳定充电状态。
因超级电容器功率密度高，在0.3s时响应速度快，很短时间就处于充电状态，0.32s之后基本处于稳定状态，和锂电池可以达到互补的效果。
3.结论
综上所述，储能系统是微电网安全可靠运行的重要保障，通过混合使用蓄电池和超级电容器，能够提高充放电速度及微电网储能系统的整体性能。本文提出了交直流微电网混合储能系统的分层控制策略，能够有效提高微电网的稳定性，可供类似储能系统控制参考。
参考文献：
[1]交直流混合微电网运行控制策略研究[J].丁明，田龙刚，潘浩，张雪松，周金辉.电力系统保护与控制.2015（09）
[2]微电网混合储能系统控制策略研究[J].于会群，钟永，张浩，彭道刚.电子测量与仪器学报.2015（05）