中國儲能網訊：中國艦船研究設計中心、電力系統國家重點實驗室（清華大學）、清華大學航天航空學院、許繼集團有限公司的研究人員丁若星、董戈、吳和平、肖曦，在2016年《電工技術學報》增刊1上撰文，針對混合儲能系統基于SOC的功率分配方法，參照濾波器時間常數的概念，定義“等效時間常數”，將其作為功率分配效果的評判指標，并通過仿真證明了定義的合理性。
在仿真分析等效時間常數影響因素的基礎上，比較基于SOC和濾波的兩類功率分配方法對應時間常數可能的取值范圍；進而以時間常數作為分配效果的表征參數，解釋了基于SOC的功率分配方法優(yōu)于濾波法的原因。
儲能系統由于其功率流動的雙向可控性越來越成為電力系統中不可或缺的環(huán)節(jié)：大規(guī)模風電和光伏發(fā)電并網依靠大規(guī)模儲能系統消化自然條件變化引起的各時間尺度上的發(fā)電功率波動；分布式發(fā)電單元中儲能環(huán)節(jié)的加入使其具有了成為大電網友好可調度單元的可能性。
在以風、光等發(fā)電形式為主的小容量微電網中，當自然資源不具備發(fā)電條件或發(fā)電功率短缺時，儲能系統可能需要維持重要負荷數小時供電；而當風光資源突變造成發(fā)電功率大幅波動或大功率負荷投切時，儲能系統需迅速彌補發(fā)電和用電之間的功率缺額，以保證微電網安全穩(wěn)定運行。
儲能環(huán)節(jié)在電動交通工具方面也得到大量應用。超級電容公交車早在2010年上海世博會期間就進行了示范性運行；以鉛酸電池或鋰離子電池作為儲能裝置的電動車或電動汽車也逐漸成為出行交通工具的重要選擇之一；通過合理設計，電動交通工具采用的儲能環(huán)節(jié)能夠實現制動過程中的能量回收，起到提高效率、節(jié)能環(huán)保的作用。船舶領域的能量管理系統越來越受到重視，引入儲能環(huán)節(jié)將為能量管理帶來更大的靈活性和可操作空間。
上述應用對儲能環(huán)節(jié)的功率響應和大容量儲能能力均提出需求，而超級電容、超導儲能、飛輪儲能、蓄電池等常用儲能形式較難兩者兼具；因此，采用單一儲能形式在某些應用場合不可避免具有局限性。例如，蓄電池在充電倍率方面的弱勢使其在達到電動汽車長續(xù)航里程要求的同時難以實現快速充電。
針對這類局限性，將兩種或兩種以上類型儲能裝置組合成實行統一控制的混合儲能系統，是在儲能本體性能獲得突破性進展之前的一種應對方案。根據應用場合的具體要求選擇具有對應特性的儲能裝置組成混合儲能系統并設計合理的控制和功率分配策略，將盡可能地發(fā)揮各儲能裝置的優(yōu)勢，使儲能環(huán)節(jié)達到更好的技術性能和經濟性。
大功率充放電能力強、循環(huán)壽命長的超級電容或超導儲能加上容易達到較大容量規(guī)模的蓄電池是混合儲能系統常見的組合方式。文獻分別對超導/蓄電池混合儲能、超級電容/鋰離子電池混合儲能在風力發(fā)電和海浪發(fā)電系統中的應用進行了研究。
濾波是混合儲能相關文獻中最為常用的功率分配手段，利用濾波器分離出功率波動中的高頻、低頻分量，將對儲能裝置儲能容量要求較低、而對充放電次數要求高的高頻波動分量分配給能量密度低、循環(huán)壽命長的超級電容或超導儲能裝置處理，同時由蓄電池等能量密度相對較高、而不宜頻繁充放電的儲能裝置處理可能引起較長時間尺度內能量大幅變化的低頻波動分量。盡管濾波法易于理解和實現，但同時也存在對儲能裝置狀態(tài)缺乏有效控制、依賴濾波后續(xù)處理、濾波器參數適用范圍有限、設計方法通用性不強等缺點。
另一種功率分配方法是對混合儲能系統需處理的瞬時功率的幅值進行分解，通過調節(jié)可大功率充放電的超級電容的電流指令來控制電池需要承受的充放電倍率，以達到優(yōu)化電池工作條件、從而延長其工作壽命的目的。該方法依然存在導致儲能裝置荷電狀態(tài)可能發(fā)生不受控制地偏移的固有局限性。
文獻提出一種基于各儲能裝置荷電狀態(tài)的功率分配思路，并通過仿真和實驗說明了這種方法與定參數一階低通濾波器相比在處理典型周期性功率波動方面的優(yōu)勢。為進一步在不失一般性的不規(guī)則功率波動條件下比較兩種方法的功率分配效果，得出更具普遍意義的結論。
本文針對基于SOC的功率分配方法提出“等效時間常數”的概念，用時間常數表征兩種方法的功率分配效果；并將以超級電容和電池組成的混合儲能系統為例，在分析等效時間常數影響因素的基礎上，解釋基于荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）的分配方法優(yōu)于濾波法的原因。
圖7 等效時間常數的變化范圍
結論
為比較基于不同設計思路的混合儲能系統功率分配方法的分配效果，本文類比濾波法采用的低通濾波器的時間常數概念，從表征能量型儲能裝置功率指令對混合儲能系統整體功率指令的跟隨特性入手，針對基于SOC的功率分配方法定義了等效時間常數。
對特定混合儲能系統組成形式和特定功率分配函數形式下等效時間常數的影響因素進行了仿真分析。仿真結果表明，用等效時間常數能夠合理地表征功率分配效果，且由于基于SOC的功率分配方法等效的時間常數始終大于定參數低通濾波器能夠取到的時間常數，因此前者能夠達到優(yōu)于濾波法的功率分配效果。
同時，等效時間常數的提出也為定性分析多種基于不同手段的混合儲能系統功率分配方法提供了一種思路，可以作為各應用場合下不同功率分配方法評價和選用的參考。
