摘要：由高能量密度的蓄电池和高功率密度的超级电容构成的混合储能系统因其技术上和经济上的优势，被广泛认为是解决可再生能源发电功率波动的有效办法。在与江苏中天科技股份有限公司进行产教融合的背景下，本文对混合储能系统进行了积极探索，分析了混合储能系统电路结构、混合储能并网系统接入方式及混合储能系统电路拓扑，为相关的设计研究工作提供了参考。
关键词：混合储能系统；能量管理；协调控制
目前，针对储能技术的探索和应用受到了多国政府的重视。我国亦是如此，积极致力于对储能技术的研发与创新，将其看作是促进可再生能源分布式发电的一项关键支持技术，同时，将其视为微电网等新型电网的核心构成。目前，国家能源局表示，在近几年内，将打造数个基于智能电网、储能技术的微网示范工程。所以，有必要对储能技术展开深入细致地探索分析。在此背景下，本文主要对混合储能系统电路结构进行了全面深入地探讨，希望可以为类似研究提供有益指导。
1混合储能系统结构分析
蓄电池与超级电容之间能够通过多种不同的形式进行安全有效地连接，由两者构成的混合储能系统(HESS)可大体划分为下述两类：
1.1无源式混合储能系统。该系统简单来讲指的是一个由蓄电池、超级电容通过并联的方式连接而成的应用系统，抑或是利用电感等一系列无源器件将上述两个重要装置进行连接而成的应用系统，结构比较简洁，不需要引入和使用其他控制元件。(1)直接并联式混合储能系统直接并联式HESS顾名思义指的是将两个重要装置以并联的形式进行连接，其连接形式可参考图1。其优势在于结构简洁、经济性强，其不足主要表现为难以保证储能装置的性能得到全面彰显。两种装置间的电流分配情况主要取决于其自身电阻的大小，所以，两者间的功率流动无法被合理有效地调控。在实际应用中，两种装置的电压务必要和负载电压相适应，而这也就意味着应根据实际情况选取合理有效的组合模式。蓄电池在进行充电或放电的过程中，其端电压一般不会出现较大波动，但是超级电容则与此截然不同，在其充放电的过程中，其端电压会出现明显波动，二者并联容易造成超级电容的容量无法被全面利用。(2)电感并联式混合储能系统此系统结构样式可参考图2，客观来讲，它是对并联系统的一种合理调整与优化，在蓄电池回路中，以串联的方式接入了一个电感，而后再和超级电容并联。这样能够在有效减弱蓄电池电流纹波的同时，促其运行效率得到显著提升，另外，还能够有效降低其电流变化率，以此避免蓄电池受损。不过，此系统也面临着两种装置充放电时无法被高效合理地控制的问题，不仅如此，超级电容的容量也无法被全面利用。
1.2有源式混合储能系统。该系统与前文介绍的系统间的主要差别在于引入了一个功率变换器，将其用于储能装置和直流母线的接口电路，此举既能够实现对储能装置充放电功率的高效化、便捷、精准化调控，也可以促其容量得到高效利用。基于功率变换器的使用数量及其部署位置的不同，可得到多种不同的结构形式，具体可参考图3。在图3(a)中，蓄电池和DC/DC变换器之间以串联的形式进行连接，而后与SC通过并联的形式连接于直流母线上。此结构模式的优势在于能够进一步放宽HESS对蓄电池充放电电流的标准，从而促其循环周期得到进一步延长，另外，也有助于更全面、更高效地彰显SC的瞬时高功率充放电特性，不过需要注意一点，在实际应用中，应并联相对较多的SC单元，否则会因其电压过小而无法满足直流母线需求。图3(b)向人们清晰直观地展示了一个逻辑性比较强的混合储能拓扑结构，根据此图能够了解到，以功率变换器为纽带，超级电容顺利地和直流母线进行了安全有效地连接，而蓄电池的连接方式则比较简单，通过并联的形式与直流母线进行安全合理地连接。此结构的优势在于能够适当地放低对超级电容的电压要求，其电压变化区间较大，有助于其容量得到高效利用。不过遗憾的是，此结构模式下的蓄电池的容量依旧无法得到全面高效地利用。根据图3(c)能够了解到，系统引入并应用了两个功率变换器，其中一个与蓄电池进行规范合理地连接，另一个则和超级电容进行科学有效地连接，以此实现对两种装置充放电的高效化、精准化控制，同时也能够促进两者的容量得到高效全面地利用，为系统保持稳定安全的运行提供了可靠支持。此结构模式的不足主要表现为投入高、结构繁琐，同时会导致损耗变大。
2分布式发电混合储能并网系统接入方式
基于接入可再生能源发电系统的部署位置，可将混合储能系统大体划分为两种，一种是直流侧接入式，另一种则是交流侧接入式两种。接下来，本文以光伏发电系统为例上述两种不同接入方式展开细致深入地分析。（1）直流侧接入方式。其接入样式可参考图4，根据此图能够清晰直观地了解到，无论是混合储能系统，还是光伏发电系统，它们均以直接并联的形式连接于直流母线上，分布在直流侧并在此完成能量交换，有效抑制光伏发电的功率波动，确保光伏电站在保持稳定输出的同时进行安全有效地运行，为后期开展的平滑并网操作提供有益条件。此连接方式的优势主要表现为，混合储能系统能够非常便捷高效地平滑处理光伏发电输出功率，整个控制过程比较简单，便于实现。(2)交流侧接入方式，其接入样式可参考图5，根据此图能够清晰直观地了解到，两个系统依托其相应的并网逆变器以并联的形式连接并集中分布于交流侧。须注意一点，混合储能、光伏逆变这两部分均保持着独立运行的状态，而混合储能系统则通过交流的形式合理有效地抑制交流侧功率变化。此方式具有诸多突出优势，譬如，在交流侧功率出现明显波动的情况下，势必会引起交流母线电压变化，继而对电网造成严重的安全隐患，对于此情况，可利用混合储能系统补偿波动功率，由此使得交流母线电压以及频率快速保持稳定状态。此接入方式便于储能的大规模应用，其不足主要表现为系统较为繁琐，控制难度比较大等。根据设计需求，本文认为可采取基于交流侧接入的混合储能系统结构。
3混合储能系统电路拓扑及其原理
关于混合储能系统电路拓扑结构可参考图6。根据此图能够了解到，此电路拓扑主要包括两级，其中，前级为结构简单、安全有效的双向DC/DC电路，其主要功能是促进蓄电池、超级电容这两种装置独立安全地充放电；后级为性能可靠的三相电压型PWM变换器，其主要功能是实现四象限运行，对电路进行科学合理地控制有助于抑制功率波动。
4结束语
本文对混合储能的电路拓扑结构进行了客观全面地论述，同时对可再生能源发电系统常用的几种连接方式进行了细致深入地分析，为实现对混合储能系统的高效化、便捷化能量管理，本文最终决定采用交流侧接入形式。除此之外，本文对混合储能系统的电路拓扑结构进行了详细全面地说明，为后期开展的建模及分析等工作提供了诸多便利。
作者:张新亮 单位:江苏工程职业技术学院