采用混合儲(chǔ)能的風(fēng)電場(chǎng)輸出平滑控制

李沖，陳謙，陳霄逸，劉增金，李卓然

（河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京 211100）

可再生能源以清潔、安全和可持續(xù)的特點(diǎn)得到了世界上很多國(guó)家的關(guān)注。風(fēng)能作為一種技術(shù)相對(duì)成熟，成本較低和安全性較高的可再生能源，近年更是有了長(zhǎng)足的發(fā)展[1]。風(fēng)能最大的特點(diǎn)是隨機(jī)性和間歇性，所以風(fēng)電場(chǎng)無法持續(xù)穩(wěn)定地輸出有功功率，從而風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行給電力系統(tǒng)帶來了較大的挑戰(zhàn)。

近年來，儲(chǔ)能技術(shù)已得到了越來越多的工程應(yīng)用，如交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。由于電力系統(tǒng)本身具有發(fā)-輸-配即時(shí)完成的特點(diǎn)，對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的需求尤其迫切。比如，風(fēng)電場(chǎng)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過風(fēng)電場(chǎng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)的相互配合，能有效地平衡風(fēng)電功率波動(dòng)，滿足電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求。

采用儲(chǔ)能技術(shù)有許多制約因素，如儲(chǔ)能的建設(shè)成本很高、儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行有很多約束條件、儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行過程中會(huì)造成損耗等[2]。

目前，有關(guān)風(fēng)電場(chǎng)的儲(chǔ)能技術(shù)研究主要集中在如何采用單一類型的儲(chǔ)能裝置進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)輸出平滑控制，而針對(duì)混合儲(chǔ)能的研究還很少。文獻(xiàn)[3-4]都選擇超級(jí)電容作為儲(chǔ)能介質(zhì)，研究其在增強(qiáng)風(fēng)電穩(wěn)定性中的應(yīng)用，研究結(jié)果表明，超級(jí)電容儲(chǔ)能對(duì)風(fēng)電場(chǎng)有功功率和無功功率都能夠起到良好的平滑效果。文獻(xiàn)[5]提出了蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，研究結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)控制策略下的電池儲(chǔ)能能夠平滑風(fēng)電輸出的波動(dòng)，達(dá)到并網(wǎng)要求，不同類型的儲(chǔ)能電池，能夠優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，利于延長(zhǎng)儲(chǔ)能電池壽命。文獻(xiàn)[6-7]綜合功率密度較高的儲(chǔ)能裝置和能量密度較高的儲(chǔ)能裝置的優(yōu)勢(shì)，研究了由超級(jí)電容和蓄電池構(gòu)成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，研究結(jié)果表明混合儲(chǔ)能可以改善蓄電池的充放電過程，延長(zhǎng)其使用壽命，有較強(qiáng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

本文分析了多種儲(chǔ)能技術(shù)的特性，構(gòu)建了多種基于超級(jí)電容和電池的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。針對(duì)相應(yīng)的系統(tǒng)模型，提出了一種分頻控制方法，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的分頻控制器。

1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 調(diào)度控制結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)調(diào)度功率分配結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由電力系統(tǒng)調(diào)度中心、風(fēng)電場(chǎng)控制、儲(chǔ)能系統(tǒng)單元和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單元4個(gè)部分組成。在負(fù)荷一定情況下，電力系統(tǒng)調(diào)度中心根據(jù)精度較高的超短期風(fēng)速預(yù)測(cè)實(shí)時(shí)更新風(fēng)電場(chǎng)出力計(jì)劃，每隔一段時(shí)間向風(fēng)電場(chǎng)發(fā)送一次實(shí)時(shí)調(diào)度指令，風(fēng)電場(chǎng)控制層接到指令后再按照風(fēng)電場(chǎng)最大風(fēng)能跟蹤控制發(fā)電原則，下達(dá)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在該時(shí)段的出力計(jì)劃，從而得到儲(chǔ)能系統(tǒng)在該時(shí)段的出力。

圖1 調(diào)度控制結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Control structure of dispatching

1.2 混合儲(chǔ)能方案

目前能夠在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的儲(chǔ)能技術(shù)主要包括抽水蓄能，超導(dǎo)儲(chǔ)能，飛輪儲(chǔ)能，超級(jí)電容儲(chǔ)能，電池類儲(chǔ)能。相對(duì)于單一的儲(chǔ)能，多個(gè)儲(chǔ)能裝置相互配合能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短，將單個(gè)儲(chǔ)能的缺點(diǎn)最小化，而把優(yōu)勢(shì)最大化。超級(jí)電容、超導(dǎo)儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能和電池儲(chǔ)能的功率和能量密度的比較用圖2表示。

圖2 儲(chǔ)能技術(shù)功率密度和能量密度分布Fig.2 Power and energy characters of energy storage

從理論上分析，超級(jí)電容和蓄電池構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，同時(shí)具有很高的能量密度和功率密度，以及響應(yīng)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。本文選擇超級(jí)電容和電池來組合成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)作為主要研究對(duì)象。

1.3 儲(chǔ)能的配置方案

在風(fēng)電場(chǎng)中，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過電力電子接口裝置與風(fēng)電場(chǎng)連接，可以裝設(shè)在3個(gè)地點(diǎn)，機(jī)組側(cè)背靠背換流器直流回路、風(fēng)電機(jī)組的輸出端和風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)出口母線。風(fēng)電場(chǎng)的4種混合儲(chǔ)能配置方案A~D分別如圖3—6所示。

圖3 單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組側(cè)配置混合儲(chǔ)能系統(tǒng)Fig.3 Hybrid energy storage installed on the single unit side

圖4 機(jī)組出口處配置混合儲(chǔ)能系統(tǒng)Fig.4 Hybrid energy storage on the terminal of the unit

圖5 機(jī)組側(cè)配置超級(jí)電容，出口處配置蓄電池Fig.5 Super capacitor in units and battery on the bus

方案A中，以單臺(tái)機(jī)組為目標(biāo)，配備儲(chǔ)能系統(tǒng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量要求較低，易于實(shí)現(xiàn)，也便于將儲(chǔ)能系統(tǒng)和風(fēng)電機(jī)組物理上和電氣上嵌入設(shè)計(jì)，便于集成。方案B中，同樣以單臺(tái)機(jī)組為目標(biāo)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，容量上也易于實(shí)現(xiàn)，無需改變風(fēng)電機(jī)組的原有結(jié)構(gòu)和控制方式。方案C采用集中式和分布式相結(jié)合的方式，將混合儲(chǔ)能系統(tǒng)分散配置，超級(jí)電容配置在機(jī)組側(cè)背靠背換流器直流回路，而蓄電池配置在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)母線出口處。方案D中混合儲(chǔ)能系統(tǒng)采用集中配置，總的儲(chǔ)能容量可以優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖6 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)出口母線配置混合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)Fig.6 Hybrid energy storage on the bus for grid-connected wind farm

2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)主要超級(jí)電容組、蓄電池組、四象限運(yùn)行AC/DC換流器、雙向DC/DC變換器、分頻控制器5部分組成，控制系統(tǒng)由AC/DC換流器、DC/DC變換器以及分頻控制器3個(gè)環(huán)節(jié)組成。

2.1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備模型

2.1.1 超級(jí)電容

超級(jí)電容的實(shí)際內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和機(jī)理非常復(fù)雜，目前模型較多。本文等效模型采用只有理想電容器與等效串聯(lián)電阻的串聯(lián)一階線性RC模型。從而當(dāng)超級(jí)電容的端電壓從U1變化到U2時(shí)，其釋放或者吸收的能量可用式（1）表示：

式（1）中，C為超級(jí)電容值。

2.1.2 蓄電池

蓄電池的等效模型較多，常用的內(nèi)阻模型如圖7所示。

圖7 蓄電池內(nèi)阻模型Fig.7 Model of the battery with internal resistance

內(nèi)阻模型包括一個(gè)理想等效直流電壓源E和等效內(nèi)阻R，假定電池可以提供無限的能量，不考慮電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）對(duì)蓄電池電動(dòng)勢(shì)的影響。

2.2 控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 DC/AC換流器控制器設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 三相電壓型變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.8 Three-phase voltage-type inverter topology

在PARK變換下，換流器和電網(wǎng)交換的功率可表示為：

式（2）中，usd，isd，isq分別為PARK變換后dq0坐標(biāo)系下電壓、電流直軸和交軸分量，由上式可知換流器側(cè)的有功功率Ps只與isd相關(guān)，無功功率Qs只與isq相關(guān)[8]，換流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 DC/AC換流器控制框圖Fig.9 Control block of the DC/AC inverter

2.2.2 DC/DC變換器控制器設(shè)計(jì)

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中有兩個(gè)雙向DC/DC變換器，分別與超級(jí)電容器組和蓄電池組連接，對(duì)應(yīng)稱為Chopper-SC和Chopper-B。本文采用的基于高通濾波原理的功率平滑方法，超級(jí)電容和蓄電池平滑的目標(biāo)功率相對(duì)獨(dú)立，要求超級(jí)電容和蓄電池能夠準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)功率分別進(jìn)行控制，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖10所示。

超級(jí)電容和蓄電池釋放（吸收）的功率可表示為

式（3）中，USC、UB分別為超級(jí)電容、蓄電池端電壓；iSC、iB分別為流過超級(jí)電容和蓄電池的電流。

圖10 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.10 Topology of the hybrid energy storage

雙向DC/DC變換器的控制框圖分別如圖11和12所示。

圖11 超級(jí)電容側(cè)變換器控制框圖Fig.11 Controller block on the super capacitor side

圖12 蓄電池側(cè)變換器控制框圖Fig.12 Controller block on the battery side

2.2.3 分頻控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了獲得高頻部分的波動(dòng)，設(shè)計(jì)一階高通濾波器，通過對(duì)PWind濾波獲得，即超級(jí)電容的有功功率參考值

其中，PWind為風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功功率；PHESS為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出或吸收的有功功率；Pg為經(jīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)平衡后向電網(wǎng)輸送的有功功率。

從而，進(jìn)一步可以獲得電池儲(chǔ)能的功率參考值

式（5）中，τ是高通濾波器的時(shí)間常數(shù)，τ=1/2πfC。

對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率進(jìn)行儲(chǔ)能平抑控制前，要根據(jù)期望得到的平抑效果確定需要濾除的功率波動(dòng)分量的頻率，即截止頻率fc，fc和系統(tǒng)性能要求以及電池電容占比有關(guān)，本文取截止頻率為0.1 Hz，此時(shí)τ=1.59 s。

超級(jí)電容器用來平抑高頻（>0.1 Hz）的功率波動(dòng)，而蓄電池用來平抑低頻的功率波動(dòng)[9-11]，具體控制策略如圖13所示。

圖13 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理Fig.13 Energy management of hybrid ES

3 仿真分析

在Matlab/Simulink平臺(tái)上搭建含混合儲(chǔ)能風(fēng)電場(chǎng)的仿真模型，風(fēng)電場(chǎng)容量為30×1.5 MW，仿真時(shí)間為30 s，假設(shè)該時(shí)間內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)的功率輸出參考值為35 MW。仿真風(fēng)速由基本風(fēng)、隨機(jī)風(fēng)、階躍風(fēng)疊加而成，模擬如下風(fēng)速變化：0~5 s間一次陣風(fēng)，5~10 s為漸進(jìn)風(fēng)，10~25 s為隨機(jī)風(fēng)，25~30 s為平穩(wěn)風(fēng)速。

3.1 集中配置混合儲(chǔ)能模式下仿真

圖14—圖18為集中配置混合儲(chǔ)能模式下仿真結(jié)果。

圖14 無儲(chǔ)能風(fēng)電場(chǎng)輸出功率Fig.14 Wind power output without storage

圖15 含混合儲(chǔ)能系統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率Fig.15 Wind power output with hybrid storage

圖16 無儲(chǔ)能風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)頻譜Fig.16 Output fluctuation spectrum of wind power without storage

圖17 混合儲(chǔ)能模式下超級(jí)電容功率Fig.17 Power of the super capacitor with hybrid storage

圖18 混合儲(chǔ)能模式下蓄電池功率Fig.18 Power of the battery with hybrid storage

3.2 集中配置蓄電池單一儲(chǔ)能模式下仿真

在同等條件下，對(duì)蓄電池單一儲(chǔ)能模式進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖19和20所示。

圖19 含蓄電池單一儲(chǔ)能風(fēng)電場(chǎng)輸出功率Fig.19 Output of the wind farm with a single battery energy storage

圖20 蓄電池單一儲(chǔ)能模式下蓄電池功率Fig.20 Output of the battery with a single battery energy storage

從上面圖中可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）風(fēng)電場(chǎng)輸出功率跟隨風(fēng)速變化，風(fēng)速區(qū)間為7~11 m/s，而功率變化區(qū)間為30~41 MW，圖16還給出了風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的頻譜分析?？梢?，風(fēng)電輸出功率波動(dòng)主要集中在1 Hz以下，雖然風(fēng)速中含有高頻分量，但是由于其被風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所吸收，所以在功率波動(dòng)上沒有體現(xiàn)。

2）比較圖14和圖15，配置混合儲(chǔ)能系統(tǒng)前，最大功率波動(dòng)達(dá)到7 MW左右，而且功率波動(dòng)頻率較高，而配置混合儲(chǔ)能系統(tǒng)后，風(fēng)電輸出功率波動(dòng)平穩(wěn)很多，近似恒定在指令值35 MW附近。可見，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效平衡風(fēng)電功率的波動(dòng)，在一定時(shí)間內(nèi)使風(fēng)電場(chǎng)注入電網(wǎng)的功率跟隨指令值。

3）作為對(duì)比，圖17和圖18給出了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中超級(jí)電容和蓄電池的功率變化曲線。由于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)取釋放功率為正方向，所以超級(jí)電容和蓄電池的功率變化和風(fēng)電輸出功率變化方向相對(duì)，可見超級(jí)電容和蓄電池的功率跟隨風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的變化，相互配合，超級(jí)電容吸收風(fēng)電場(chǎng)大于0.1 Hz的功率波動(dòng)，而頻率較低的波動(dòng)則被蓄電池所吸收。

4）比較圖15和圖19可以發(fā)現(xiàn)，混合儲(chǔ)能模式下的風(fēng)電輸出功率平衡效果更好，在0~5 s間、6 s及10 s處，蓄電池單一儲(chǔ)能模式下，風(fēng)電輸出仍有幅度較為明顯的波動(dòng)。

5）對(duì)比圖18和圖20可見，相對(duì)于蓄電池單一儲(chǔ)能模式，在混合儲(chǔ)能模式下，由于超級(jí)電容吸收了快速高頻波動(dòng)，所以蓄電池的功率變化平穩(wěn)很多，充放電次數(shù)也有明顯減少，在一定程度上優(yōu)化了蓄電池使用壽命。

6）對(duì)比圖19和圖20，可以發(fā)現(xiàn)，蓄電池單一儲(chǔ)能模式下，在0~5 s間和6 s及10 s處，由于功率波動(dòng)幅度超過了蓄電池的最大功率，蓄電池只能以最大功率（4.5 MW）輸出，所以這部分功率波動(dòng)無法被平衡。而在混合儲(chǔ)能模式下，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)同時(shí)具備了超級(jí)電容的高功率密度和蓄電池的高能量密度，能夠平滑更大范圍內(nèi)的功率波動(dòng)。

3.3 分布式配置混合儲(chǔ)能模式下仿真

為驗(yàn)證上述控制策略可應(yīng)用于不同的儲(chǔ)能配置方案中，對(duì)分布式配置混合儲(chǔ)能模式進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖21~圖24所示。

圖21 無儲(chǔ)能風(fēng)機(jī)輸出功率Fig.21 Output of the wind power without storage

圖22 含混合儲(chǔ)能風(fēng)機(jī)輸出功率Fig.22 Output of the wind power with hybrid storage

圖23 混合儲(chǔ)能中超級(jí)電容功率Fig.23 Power of the super capacitor with hybrid storage

圖24 混合儲(chǔ)能中蓄電池功率Fig.24 Power of the battery with hybrid storage

可見，采用分布式配置，即將混合儲(chǔ)能系統(tǒng)配置在機(jī)組側(cè)，也可以對(duì)風(fēng)機(jī)輸出功率起到很好的平衡作用，使其根據(jù)指令穩(wěn)定輸出功率。

4 結(jié)論

本文對(duì)利用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑風(fēng)電功率進(jìn)行了深入的研究，采用高通濾波的方式，將短期高頻（>0.1 Hz）風(fēng)電功率波動(dòng)分配給超級(jí)電容吸收，而中長(zhǎng)期低頻部分則由蓄電池吸收。依據(jù)這一策略，分別設(shè)計(jì)了AC/DC換流器和兩個(gè)雙向DC/DC的控制器，并分別對(duì)集中配置混合儲(chǔ)能系統(tǒng)模式、集中配置蓄電池單一模式和分布式配置混合儲(chǔ)能系統(tǒng)模式進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，采用該控制方法后，機(jī)組或風(fēng)電場(chǎng)的輸出在一定時(shí)間范圍內(nèi)基本恒定，兩種配置方案中混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效平衡風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)，其平衡效果優(yōu)于蓄電池單一儲(chǔ)能。另外，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電功率的平衡效果優(yōu)于單一的蓄電池，同時(shí)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中由于超級(jí)電容的存在降低了蓄電池的充放電次數(shù)，對(duì)蓄電池的使用壽命起到優(yōu)化作用。

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