压缩空气与超级电容混合储能系统能量控制策略

　　基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助（E13B00020）微小规模压缩空气储能（MicrosmallScaleCAES）功率等级一般为百千瓦，存储压力可达30MPa以上。MSCAES储能压缩技术采用液泵泵入液体来压缩气体，高压气体膨胀促使液体驱动液力马达旋转带动电机发电，可以实现压缩和释放的可逆过程，大大提高压缩释放效率，系统热力学能压缩释放总体效率接近70% .MSCAES属于物理方式储能，零排放、无污染、使用寿命长。超级电容具有可持续的恒定放电能力，其功率密度约为0.8 kW/ kg.超级电容使用寿命较长，效率也较高，达到95%以上。由于单体电压较小，应用中需要通过大量单体进行组合，增加了系统的故障率。同时超级电容每天的自放电率接近5%，因此不能维持长时间备用储能。

　　不同储能技术都具有独特优点，但也存在一些量密度、大功率密度、合理造价及长使用周期的优化结合B7.设计一种由压缩空气储能和超级电容储能构成的混合储能系统，既可以实现大容量存储和持续的能量转化，又可以实现功率快速响应和能量补充。为了提高压缩气体能量转换的效率，系统采用准恒温压缩释放过程控制，利用*大效率点跟踪算法MEPT实现转速与压力的协调控制，保证液泵/液力马达的高效率。在维持准恒温变化过程的MEPT算法控制下，压缩气体的能量积累和释放会以类似间歇式脉冲的形式体现。超级电容辅助系统采用自适应功率调节控制，响应速度快，正好可以补充压缩气体工作的能量脉冲缺口。

　　1能量管理控制策略的设计对于一个储能应用项目来说，能量存储系统的参数等级是首要确定的设计要点。混合储能系统的参数等级由自身的特性参数来描述，包括能量等级、功率等级、体积大小和成本花费等。通过上述具体特性参数就能确定某个应用场景的储能系统容量等级。另一方面，储能系统的工作方式是根据应用需求来决定的。储能系统实际的工作方式就是能量管理与分配的策略和方法，采用不同的能量管理策略就能满足不同的应用需求。因此，混合储能系统的参数等级与能量管理办法是耦合相关的。描述了一个储能系统需要衡量的设计关键所在。

　　混合储能系统参数与管理的关系储能系统能量管理和控制包括能量层的管理、功率层的管理和器件级的管理。这个分级管理主要以系统的惯性时间特性来区分。是这种分层管理的示意图。

　　对于能量的管理是储能系统控制策略的顶层目标，目的是设计一种策略，实现对系统长期演进的控制。该控制响应时间较长，一般大于秒级，主要决定系统的控制模式，直接限定了功率等级控制的范围。

　　对于功率的管理是储能系统控制的中间设计层目标，目的是设计一种满足系统中期变化的控制方法。

　　该控制响应时间为毫秒级，决定系统的功率特性，而且限制了采用硬件的参数等级。储能系统的底层设计目标是器件层管理，此层设计直接决定执行过程的动态性能，反应时间为微秒级，可实现电压电流的调节和功率变换。表1为储能系统能量管理层级的介绍。

　　表1能量管理和控制层次结构表管理层次设计目标控制输出响应时效能量管理管理策略工作模式大于秒级功率管理处理方法功率大小毫秒~秒级器件管理执行过程调制方式微秒~毫秒级2混合储能系统自适应功率调节控制超级电容与液气循环压缩空气混合储能系统原理框图如所示。储能状态时，直流电网多余的电能根据分配首先存储到超级电容，多余能量驱动电机工作，带动液压泵，通过泵入液体使空气压缩蓄能。释能状态时，负载除直流网络供电外，还需额外能量注入。此时压缩气体驱动液力马达旋转，带动发电机发电，变流器将电能变成负载所需形式。超级电容作为功率补充，通过控制超级电容充放电，可以*大限度平抑直流网压的瞬间波动。

　　在SCHPCCAES混合储能系统中，储能系统功率特性是重要指标，由压缩空气储能和超级电容储能的功率调节方式来实现各自性能。液气循环压缩时，一个压缩和预压缩周期可以看做是混合液气压缩的一段过程等效。这里为了简化功率控制策略的分析，利用PHESS工作过程代替HPCCAES工作过程进行混合储能功率调节的研究。外部电源和负载构成能量波动系统，源荷之间的能量差会造成网压波动，通过控制储能系统吸收和补充源荷能量差，可以平抑电网的波动。源荷能量差的控制对象用电网和负载的输入输出电流差表示，要维持不变，需要控制电网和负载的差值电流i t2，混合储能系统中，2由超级电容变流器输出电流ich和电机变流器电流合成。采取变功率输出的自动频率功率调节控制，协调控制液气压缩（释放）和超级电容充放电，以维持母线电压平稳，保证负载工作特性。其中i控制频率较低，主要通过控制ich实现SCPHESS系统的瞬态性能。利用电压和电流双环控制PWM，实现对超级电容变流器的控制。自动频率调节控制依据超级电容的电压状态实现开关控制。考虑*简单的混合储能交替工作情况，并且认为外部能量的功率等级比超级电容储能功率和压缩空气储能功率都小。①压缩工况时，阀门先关闭，外部能量先由超级电容吸收，超级电容电压USc上升到Umax时，阀门开启，电容放电，联合外电源共同作用压缩气体储能；电容电压降至时液气压缩停止，阀门关闭，超级电容再次充电。②释能工况时，阀门先开通，压缩能量给电容充电的同时直接提供给负载，在电容电压A.达到*大电压设定时，液气储能停止释放，阀门关闭；超级电容单独放电维持负载，电容电压A.降到*小电压设定时，阀门开启，液气储能再次释放。一般关闭阀门后需要间隔一定的时间，流体系统稳定后才能再次打开阀门，延时时间为T；。为自动频率功率调节控制流程图。

　　压缩空气超级电容混合储能装置转化能量WcV与PHESS的动作周期成Tonn比例关系。随着主储能气罐空气压力降低，传递释放的功率会逐步减小。中Pcv为功率曲线，随时间变化呈下降趋势。

　　级电容充电，超级电容获取的能量为Ws.在PHESS系统不发生能量变化的时间Tff n内，只由超级电容供电，超级电容输出能量为WR，认为超级电容每个充放电过程不积累多余能量，则满足下列关系3混合储能系统能量分配管理策略采用规则基础控制的能量管理和分配策略来实现SCPHESS的控制。能量管理和控制的依据是电源与负载的瞬时功率差，建立基础规则的着眼点是超级电容储能系统的安全工作区和液气压缩储能系统的转换效率。超级电容系统的规则判据是电容的耐受电压*大值和*小值UScmm.压缩空气储能系统的规则判据是液泵/液力马达的*大功率Pphmax和*大效率nphmax.为混合储能系统能量管理和控制策略示意。

　　设定混合储能应用于电源与负载存在载荷差的系统，其中，电源功率为Pgnd，负载功率为Pkd，根据储能系统存储和释放两种工况，考虑源荷之间功率差（剩余功率）Pex=Pgnd-Py，可以建立4种工作规则：规则1，压缩储能，剩余功率大于液气压缩*大功率。

　　电源提供的功率过剩，源荷功率差Pex>，控制液气储能系统压缩储能工作，储能功率Pph为*大压缩功率COM.如果剩余功率大于液气压缩*大功率Pex>Pphmax，可以分成两种能量管理方式进行：①液气压缩空气储能系统按*大功率工作时，Pph=Pphmax；压缩效率h为对应*高速度时的效率nhspeed时，nph=nhspeed，此时超级电容储能系统充电；超级电容功率PSc为充电时的功率Pscch时，Psc=PScch，直到达到*高耐受电压，只能充满一次。②液气压缩空气储能系统按*大效率工作，Pph=Pphhspeed，%h=lax，超级电容在此阶段对压缩空气储能系统放电，PSc=PScdis，当电容放电到*低放电电压时，再开始充电，液气压缩又可以按照*大效率工作。

　　V负载规则2，压缩储能，剩余功率小于液气压缩*大功率。

　　剩余功率依旧大于零，但是小于液气压缩系统的*大功率PeX >Pphmax.也可以分成两种能量管理方式进行：①液气压缩空气储能系统按*大功率工作，输入功率等于剩余功率，Pph=Pex，不考虑转换效率，超级电容不工作；②液气压缩空气储能系统按对应*大效率点转速工作，如果在一定转速和压力下的*大效率点处对应的功率输出小于剩余功率，则超级电容充电，吸收多余剩余功率。

　　规则3，释放发电，欠偿功率大于液气压缩*大功率。

　　电源提供的功率无法完全支撑负载所需，发电功率欠缺，PexO.液气循环压缩空气储能系统释放北京交通大学学报发电，液力马达功率为释放功率PphREL，Pph=PphEL.如果欠偿功率大于液气压缩*大功率，IP>Pph，可以分成两种能量管理方式进行：①液体马达工作于高转速以维持*大功率，Pph =Pph，nph=%Speed，此时需尽可能输出较高功率维持负载供应，液体马达换效率并非对应该时刻压力和转速时的*高效率。超级电容放电，PSc =PScdis，且只能放电一次；②液气压缩按*大效率工作，液体马达工作在一定转速对应的功率，并非*大功率，但是保证在该时刻的转换效率*大。因为所有的*大效率点对应功率都小于欠偿功率，所以没有功率给超级电容充电，超级电容这个阶段不工作。

　　规则4，释放发电，欠偿功率小于液气压缩*大功率。

　　储能系统处于发电释能状态，欠偿功率小于液气压缩储能*大功率IPexI　　4系统仿真与试验表2列出了超级电容压缩空气混合储能系统的运行仿真的主要参数。

　　表2 SC-HPCCAES混合储能系统混合储能系统设计仿真参数表外电源额定功率峰值+50%额定电压电阻负载额定功率范围0超级电容变流系统额定功率额定电压（高压）峰值+永磁同步电机变流器系统电机功率额定转速额定转矩峰值+液泵/液力马达排量压力（*大）*局功率高压液罐额定容量*大压力低压液罐额定容量*大压力假定外电源为理想恒压源，负载为变功率载荷，且负载变化*大功率值可大于压缩空气储能系统额定功率模拟了负载突然减轻15kW以上、外部剩余功率达到24kW和20kW的两种情况下，混合储能系统的工作特性，其中Pex，Ppump，Psc，Usc分别为液泵压缩储能时外部剩余功率、液泵功率、超级电容功率和超级电容电压。压缩储能系统采用*大效率点控制时的波形示意，主要为了更高效率的转存外部剩余能量，*大效率点对应的功率会超过压缩系统*大功率15kW，超级电容相对需要更大的存储功率，需要存储更多的外部能量。所示在时间轴45s处达到325V，超级电容充满电，较*大功率点控制时更快充满。

　　为液泵压缩储能时外部剩余功率、液泵功率、超级电容功率和超级电容电压的特性曲线。液气压缩储能无需尽快吸收外部剩余功率，由超级电容系统来提供能量接收。这种工作方式保证液泵的压缩转换效率较大，超级电容处于充电和放电的状态，电容电压上升较慢。

　　Pex　　制定了自适应功率调节控制。以超级电容的可用电压范围作为判定压缩空气主储能系统和超级电容辅助储能系统配合工作的依据，对SCHPCCAES系统应用场合的工作状态进行全面了解，设计了规则基础控制的能量管理策略，按照不同的工作状况，应用*大效率点跟踪控制和*大功率点跟踪控制保证液泵/液力马达的工作效率和功率要求，继而实现主储能系统与辅助储能系统的能量分配与管理。仿真和试验验证了该设计方案的正确性和可行性。