基于混合储能的柔性直流输电系统调频调压一体化设计

引言：柔性直流输电（VSC-HVDC）技术凭借其可独立控制有功与无功功率、适应新能源并网等优势，成为新能源基地外送与跨区域电网互联的核心技术。然而，风电、光伏等新能源发电具有强随机性与波动性，大量接入后会导致柔性直流输电系统的功率平衡被打破，引发频率偏移与直流电压波动，严重时可能危及系统安全稳定运行。

储能技术是平抑功率波动、维持系统稳定的关键手段，但单一储能技术存在局限性：锂电池能量密度高但响应速度较慢，超级电容器功率密度高但储能容量有限。为此，本文提出混合储能与柔性直流输电系统融合的设计思路，通过一体化控制实现调频与调压功能的协同优化，既能快速响应功率冲击，又能提供持续的功率支撑，为解决柔性直流输电系统的稳定性问题提供新方案。

一、混合储能与柔性直流输电系统拓扑设计

（一）系统整体架构

1.基于混合储能的柔性直流输电系统采用“两端换流站+混合储能装置”的拓扑结构，主要包括：

（1）送端换流站：连接新能源发电场（风电、光伏），负责将交流功率转换为直流功率。

（2）受端换流站：接入交流电网，实现直流功率向交流功率的转换。

（3）混合储能装置：并联于送端换流站直流侧，由锂电池组（容量型储能）与超级电容器组（功率型储能）组成，通过双向DC/DC 变换器接入系统。

（4）协调控制单元：采集系统频率、直流电压及功率波动信号，生成混合储能的充放电指令。

（二）混合储能接口设计

1.功率接口拓扑

混合储能与直流侧的接口采用“集中式DC/DC 变换器”方案：

（1）超级电容器组通过双向Buck-Boost 变换器接入直流母线，该变换器响应时间≤1ms，支持大电流充放电（峰值电流可达额定值的3 倍），用于吸收高频功率波动。（2）锂电池组通过隔离型双向DC/DC 变换器接入，采用移相全桥拓扑，转换效率 ≈96% ，可提供持续的功率支撑（放电深度 0.80%⟩ ），用于平抑低频功率波动。

（3）两者通过公共直流母线并联，由协调控制单元分配充放电功率，避免相互干扰。2.容量配置原则

基于功率波动特性的“频率分层”配置法：

（1）对新能源发电功率进行傅里叶分解，将波动分量分为高频段（周期 <10s ）与低频段（周期10-100s）。

（2）超级电容器容量按高频波动的最大峰-峰值设计，确保单次充放电时间≥5s。

（3）锂电池容量按低频波动的能量积分计算，满足连续30min 的功率调节需求。

二、调频调压一体化控制策略（一）控制目标与分层架构

1.核心控制目标

（1）调频目标：维持送端交流系统频率在额定值（50Hz） ±0.1Hz 范围内，频率变化率 ⩽0.5Hz/s （2）调压目标：控制直流母线电压波动不超过额定值 （±5%） ），电压偏差恢复时间≤100ms。

（3）协同目标：在调频与调压过程中，实现混合储能的充放电功率合理分配，避免过充过放，延长使用寿命。2.分层控制架构采用“三层控制”实现一体化功能：

（1）底层控制：换流站自身的矢量控制（VSC 控制），包括定直流电压控制、定有功/无功功率控制，响应时间≤10ms。

（2）中层控制：混合储能的本地控制，超级电容器采用电压外环-电流内环双闭环控制，锂电池采用 SOC

（荷电状态）外环-功率内环控制。

（3）顶层控制：系统级协调控制，基于模型预测控制（MPC）算法，根据频率与电压偏差生成总功率调节指 trianglelefteq ，并分配至超级电容器与锂电池。

（二）功率分配与协同算法

1.基于小波变换的功率分解

利用小波变换将系统总功率偏差（ΔP）分解为高频分量（ΔP_h）与低频分量（ΔP_l）：

（1）高频分量ΔP_h 由超级电容器承担，利用其快速响应特性抑制瞬时功率冲击（如风电阵风引起的波动）。

（2）低频分量ΔP_l 由锂电池承担，提供持续的能量补偿（如光伏夜间出力下降导致的功率缺额）。分解过程通过 db4 小波基实现，分解层数为3 层，确保高频与低频分量的分离度 ⩾90% 。

2.调频调压优先级动态切换（1）设计基于状态评估的优先级切换机制：

实时计算频率偏差系数（K_f = |f - f_N| / 0.1）与电压偏差系数 （K_V= |U_dc - U_N| / （0.05U_N））。

（2）当 时，优先保障调频，此时直流电压控制允许在±8%范围内临时波动。

（3）当K_v > K_f 时，优先稳定直流电压，频率控制可放宽至 ±0.2Hz 。

（4）当两者偏差均较小时（K_f、 K_-v<0.5） ），按1：1 比例分配混合储能功率。3.SOC 平衡控制

为避免储能设备过充过放，引入SOC 反馈调节：

（1）锂电池SOC 低于20%时，降低其放电功率（按SOC-20%线性递减）；高于 80%μ↕ ，降低充电功率。

（2）超级电容器SOC 低于10%或高于 90%H_Y ，触发功率转移，由锂电池临时承担部分高频波动。

三、仿真验证与性能分析（一）仿真模型与场景设置基于PSCAD/EMTDC 搭建仿真模型，系统参数如下：

1.柔性直流输电系统：额定电压±500kV，额定功率1000MW，送端接入800MW 风电+200MW 光伏。

2.混合储能：锂电池（200MWh，充放电功率 200MW），超级电容器（50MWh，充放电功率300MW）。

（二）仿真结果分析

1.调频性能

（1）场景1 中，传统无储能系统频率偏差达 ±0.3Hz ，采用混合储能后，频率偏差被控制在 ±0.04Hz ，超级电容器在0.5s 内响应并吸收70%的高频波动。

（2）场景2 中，锂电池持续放电150MW 以补偿光伏功率缺额，频率最大偏差为0.08Hz，恢复时间 <20s ，优于单一超级电容器方案（恢复时间＞40s）。

结语：本文设计的基于混合储能的柔性直流输电系统调频调压一体化方案，通过合理的拓扑结构与协同控制策略，充分发挥了超级电容器的快速响应优势与锂电池的能量存储优势，实现了频率与电压的协同稳定。

未来研究可从三方面深化：一是引入人工智能算法实现功率分配的自适应优化；二是探索混合储能与换流站的模块化集成设计，降低系统体积与成本；三是研究多端柔性直流系统中混合储能的协同控制，进一步扩展应用场景。

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