化石能源向新能源转型已成为一种必然的趋势，但可再生能源运行状态具有间歇性，大规模并网运行会对电网的可靠性和安全性带来重大影响^[1]，因此，有专家提出微网的概念^[2]，利用储能系统平抑功率波动，在并网运行时，对可再生能源的输出功率进行削峰填谷，抑制功率波动，提高并网功率的电能质量^[3]。

储能系统需要具有较大的能量密度，用于存储及释放更多的能量，还需具有较大的功率密度，满足频繁大功率充放电的需求，同时考虑经济性。单一的储能元件很难同时满足多方面的要求。经过专家学者的研究，超级电容与蓄电池混合储能系统是一种可行的解决方案^[4]。

针对光储微电网并网运行状态下混合储能系统控制策略进行研究。混合储能的控制策略直接影响并网电能质量、储能系统的成本、寿命周期和效率等。目前已有很多专家学者对此进行研究，文献^[5]采用规则法，可使超级电容的输出功率限定在较小范围，但蓄电池输出功率变化率较大，影响其使用寿命^[6]；文献^[7-8]采用低通滤波法，控制过程简单，高低频功率分离效果好；文献^[9-11]在滤波法的基础上考虑了超级电容的剩余电量(the state of charge ，SOC)，根据超级电容SOC的状态调整超级电容及蓄电池的输出功率参考值，可有效控制超级电容的SOC。以上控制策略前提都是将蓄电池视为容量无限大的理想储能元件，实际上，相对于发电单元，蓄电池的容量仍较小，易出现过充与过放现象，一旦蓄电池的SOC达到阈值，传统控制方法都将不具有适用性，并且过充与过放会严重缩短蓄电池的使用寿命。因此，在二级低通滤波法的基础上进行改进，提出一种新型混合储能控制策略，同时考虑超级电容与蓄电池的SOC，根据储能元件的荷电状态调整储能元件输出电流参考值，将超级电容与蓄电池SOC控制在最优工作区间，从而延长蓄电池的使用寿命，提高控制策略的实用性。但在极端天气情况或发生故障时，控制策略需要与保护开关相配合，才能防止蓄电池过充或过放。传统的保护开关功能单一，当储能元件SOC达到阈值时仅能将储能元件从电网切除，再经单独的充放电电路将SOC恢复到正常水平后接入电网，造成储能元件工作不连续，独立的充放电电路也增加了成本^[11-12]。因此，对储能元件保护开关进行改进，使储能元件有4种工作状态，无需独立充放电电路就可自动恢复SOC，可降低成本、延长储能系统的工作寿命、提高光储微网并网电能质量。

本文中，首先介绍光储微电网的拓扑结构，以国网新源张家口风光储示范电站光储微网部分作为研究对象；其次介绍传统的二级低通滤波法，并在其基础上进行改进，可同时控制蓄电池与超级电容的SOC；再对传统保护开关进行改进，并结合改进的二级低通滤波法，提出总的光储微电网混合储能控制方案；最后，基于Matlab/Simulink搭建光储微电网仿真实验平台，仿真结果证明了本文所提方法及改进保护开关的正确性与可行性。

1 光储微电网的拓扑结构

针对国网新源张家口风光储示范电站有限公司光储微网部分结构进行研究，图 1为光储微网结构图。包含四大部分：光伏阵列、本地负载、电网以及混合储能系统。蓄电池组与超级电容器组通过变流器连接到交流母线。

2 混合储能控制策略 2.1 二级低通滤波法

如图 1所示，各部分输出功率间的关系可表示为

${{P}_{V}}+{{P}_{bat}}+{{P}_{sc}}={{P}_{line}}+{{P}_{load}},$

(1)

式中：P_V为光伏的输出功率；P_sc为超级电容的输出功率，P_bat为蓄电池的输出功率，储能元件放电时为正，充电时为负；P_line为并网功率，向电网放电时为正，从电网取电时为负；P_load为本地负载功率，由于P_load较小，故后文将其忽略。

图 2所示为光储微网并网运行时各部分理想出力的频谱图^[8]。P_sc频率最高，充分发挥超级电容充放电速度快的优势，P_line频率最低，保证并网输出功率平滑，提高并网的电能质量；P_bat频率处于中间位置，可提高蓄电池使用寿命。

二级低通滤波法可以实现上述各部分出力频率。如图 3所示，利用2个截止频率不同的低通滤波器将P_V分成3个频段，低频部分为并网输出功率，中频部分由蓄电池补偿，高频部分由超级电容补偿。其中P_{bat_ref}为蓄电池输出功率的参考值，P_{sc_ref}为超级电容输出功率的参考值。时间常数T_sc＜T_bat。

由图 3可得:

$\left\{ \begin{matrix} {{P}_{sc\_ref}}=-\frac{{{T}_{sc}}S}{1+{{T}_{sc}}S}{{P}_{V}}, \\ {{P}_{bat\_ref}}=-\frac{1}{(1+{{T}_{sc}}S)}\frac{{{T}_{bat}}S}{(1+{{T}_{bat}}S)}{{P}_{V}}。 \\ \end{matrix} \right.$

(2)

2.2 考虑剩余电量的改进方法

由于蓄电池与超级电容有容量限制，需要对SOC进行控制。在二级低通滤波法基础上进行改进，如图 4所示。

在图 3的基础上，实时采集蓄电池组与超级电容器组的SOC，分别将其与50%相比较，再经过比例放大，反馈到二级低通滤波法中，可用公式表示为

$\left\{ \begin{matrix} {{P}_{sc\_ref}}=\frac{-{{T}_{sc}}S}{1+{{T}_{sc}}S}{{P}_{V}}-{{K}_{1}}(50%-SO{{C}_{sc}}), \\ {{P}_{bat\_ref}}=-\frac{1}{(1+{{T}_{sc}}S)}\frac{{{T}_{bat}}S}{(1+{{T}_{bat}}S)}{{P}_{V}}-{{K}_{2}}(50%-SO{{C}_{bat}}) \\ \end{matrix} \right.。$

(3)

式中：K₁,K₂为比例放大系数，可知当SOC_sc小于50%时，超级电容输出功率的参考值减小，减缓其剩余电量继续减小；当SOC_sc大于50%时，超级电容输出功率参考值变大，减缓其剩余电量继续增大，并且SOC越接近阈值调节量越大，蓄电池也是同理。由此可以做到同时对蓄电池与超级电容SOC有效控制。

可见，改进的二级低通滤波法有以下优点：

1) 传统控制方法没有或只能对超级电容SOC进行控制，所提方法可以同时对超级电容与蓄电池SOC进行控制。

2) 由于储能元件的SOC是缓慢的连续变量，作为调节量不会影响P_line与P_bat的平滑性，可保证并网功率电能质量。

3) 控制简单，响应速度快。

2.3 储能元件保护开关的优化

在极端天气情况或发生故障时，储能元件的保护开关发挥着重要的作用，在储能元件SOC达到阈值时将其从电网断开，防止储能元件过充与过放。传统保护开关如图 5所示，仅有断开和闭合功能，因此，断开后需要独立的充放电电路将储能元件SOC恢复到正常水平，再闭合接入电网，过程较为繁琐且成本较高。因此，笔者对保护电路进行改进，由2个开关和2个二极管并联组成，如图 6所示，通过控制2个开关，可以得到4种不同的工作状态。如表 1所示，其中0代表关断，1代表导通。

在储能元件SOC达到上限时，S₁导通、S₂关断，储能元件只放电不充电，在防止储能元件过充的同时自动恢复电量，省去独立的放电电路，降低了成本；SOC达到下限时同理。

改进的保护开关结合上文提出的改进控制策略，可以在储能元件恢复电量的同时平抑光伏输入的功率波动，平滑并网输出功率，提高并网电能质量。控制逻辑框图如7所示。

如图 7所示，通过传感器监测光伏输出功率及储能元件的剩余电量，经过滤波模块，根据蓄电池和超级电容的SOC进行逻辑判断，如果SOC低于20%则为“低”，高于80%为“高”，在二者之间为“中”，“低中”表示蓄电池的SOC小于20%，超级电容的SOC在20%和80%之间，以此类推，根据不同的情况确定开关S₁~S₄的开关状态，接着将P_V、SOC_sc、SOC_bat输入图 4所示的改进低通滤波模块，最终得到超级电容和蓄电池输出功率的参考值，并循环检测及计算。

3 仿真验证 3.1 仿真模型

以张家口140 kW光储微电网为例，光伏阵列最大输出功率为98 kW。利用Matlab/Silulink进行仿真，光伏模拟输出功率波形如图 8所示。

3.2 仿真结果与分析 3.2.1 传统低通滤波法仿真结果

使用传统的低通滤波法进行仿真，并令T_sc=2.5 s，T_bat=20 s。从图 9(b)中可以看出，由于光伏输出的不断增强，蓄电池和超级电容的SOC不断升高，经过24 s时超级电容SOC达到80%保护开关动作，78 s时蓄电池的SOC同样达到80%保护开关动作，因此，图 9(a)中并网功率P_line质量很差，波动较大。

3.2.2 改进的低通滤波法

在不改变光伏输出功率及滤波时间常数的情况下，采用本文中提出的改进型低通滤波控制方法，取K₁=10，K₂=20,仿真结果如图 10所示，蓄电池和超级电容的SOC都保持在20%到80%之间，并网输出功率P_line平滑，证明本文提出的改进型控制策略可以根据SOC状态调节输出功率的参考值，起到智能调节超级电容与蓄电池SOC的作用。

3.2.3 改进的保护开关仿真结果

由于图 8所示的情况，在使用改进型控制策略时不能使储能元件SOC达到阈值，为了观察储能元件SOC达到阈值时开关的工作效果，下面增大光伏输出，选取强烈日照下的光伏输出功率，如图 11所示，最大输出功率增大为190 kW。

采用改进型低通滤波法及改进的保护开关，仿真结果如图 12所示，超级电容SOC在工作后22 s达到80%，并于160 s降到20%，蓄电池在46 s到达80%，但是蓄电池和超级电容SOC并未超过限定，并且自动回到正常工作范围，并网功率虽然有些抖动，但相对于传统控制方法，已有较大改善。

4 结 语

笔者针对光储微电网混合储能控制策略与储能元件保护开关进行研究，对传统的二级低通滤波法进行改进，可同时控制蓄电池与超级电容的SOC，并对传统保护开关进行改进，结合改进混合储能控制策略，可以省去单独的充放电电路，降低了成本、延长储能系统的工作寿命、提高光储微网并网电能质量，对光储微电网的建设有一定的参考价值。