鋰電池儲能在風力發電系統中的應用

童 欣，郝劍波，張 坤

(1. 華中科技大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢430074;2. 湖南省電力公司 科學研究院，湖南 長沙410007;3. 湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙410082)

0 引言

風力發電系統由于風速、風向等自然條件的變化，其輸出功率具有波動性、間歇性的特點。隨著風電的電網穿透率的不斷增加，這將對局部電網電壓的穩定性和電能質量產生較大的負面影響［1～3］。目前，已有文獻［4 ～9］針對平滑風電功率波動問題進行了分析研究，其中文獻［4］結合風力機變槳控制和發電機變速控制，促使發電機輸出較為平滑的有功功率;文獻［5 ～9］通過各種儲能設備快速吞吐有功功率，達到平滑風電功率波動、增強系統穩定性的目的。與此同時，電網故障也會給并網風電系統帶來一系列的暫態過程，甚至會危及到風電系統的安全運行［10］。因此，在系統中配置一定的無功補償設備 (如STATCOM)可起到支撐電網電壓的作用，以幫助電網恢復正常工作，并提高風電系統的低電壓穿越能力。當電網的故障持續時間超出一定范圍后，根據電網規則要求，風電系統將被允許脫離電網［11］。為了最大利用風能資源以及提高當地負荷供電的可靠性，風電系統需要具有快速從并網運行模式平滑切換到離網運行模式的能力。鋰電池具有能源效率高、能源密度高、存儲性能優秀等特點，通過并聯和串聯的方式可組成大容量、高電壓的鋰電池儲能系統，這將在電力系統中獲得非常廣泛的應用。本文將鋰電池儲能系統應用到風力發電中，并針對鋰電池儲能系統的運行特性，提出了一種可行的綜合控制策略，從而能夠有效地提高風電系統的運行性能。

1 鋰電池數學模型

鋰電池等效電路如圖1 所示［12～13］。考慮到鋰電池的物理和數學特性，該電池模型采用以下等效:(1)SOC 代表電池的荷電狀態，即電池內活性化學物質的數量，被等效成一個動態更新的變量;(2)電池堆電勢被等效成一個受控電壓源，受其荷電狀態SOC 變化的影響;(3)電阻Rn和電阻Rh分別代表電池的內阻損耗和化學反應損耗;(4)與電阻Rh并聯的電容Ch被等效模擬電池的暫態特性。

單體電池電壓Vcell與其荷電狀態SOC 之間的關系為

圖1 鋰電池等效電路模型Fig．1 Equivalent circuit of lithium battery

式中:Ve為單體鋰電池的標準電勢差(3.797 V);k 為溫度系數，一般可忽略溫度的影響，認為在室溫條件下k=0.182 9。

電池組一般由多個單體電池(假設為n 個)串聯而成，電池堆電勢Vs和等效電容Cs分別為

鋰電池的荷電狀態SOC 定義為

式中:SOCt+1和SOCt分別為t +1 和t 時刻的荷電狀態;ΔSOC 為一個時間步長的荷電狀態變化量。

2 鋰電池儲能系統結構

圖2 為風電/鋰電池儲能系統的結構示意圖。鋰電池儲能系統并接在風電系統出口處，它由鋰電池組、雙向DC －DC 變流器、DC －AC 變流器以及升壓變壓器構成。雙向DC －DC 變流器用于控制DC－AC 變流器直流側的電壓穩定;DC－AC變流器在并網模式下通過調節網側電流的d 軸和q 軸分量，控制其流向電網的有功功率和無功功率，實現有功和無功功率的解耦控制;在離網模式下控制負載的端電壓和頻率穩定。對于由多臺風電機組構成的大型風電系統，可相應在風電系統出口處并接多臺鋰電池儲能系統，以滿足其工作性能的要求。

圖2 風電/鋰電池儲能系統結構示意圖Fig．2 Structure diagram of wind power generation/lithium battery energy storage system

風電系統并網運行時，根據電網的運行狀況，鋰電池儲能系統的作用將有所不同。當電網正常運行時，鋰電池儲能系統主要用于平滑風電系統的有功波動，從而提高并網風電系統的電能質量和穩定性。當電網發生故障時，鋰電池儲能系統主要用于向電網提供無功功率，以幫助電網恢復正常工作。風電系統離網運行時，鋰電池儲能系統主要用于控制公共連接點的電壓和頻率穩定。

3 鋰電池儲能系統控制

當風電系統并網運行時，鋰電池儲能系統的DC－AC 變流器采用雙閉環控制結構，控制開關連接端口1，如圖3 所示。風力發電系統發出的有功功率PG經一階低通濾波器得到并網功率參考值，與并網功率PT進行比較通過功率調節器得到q 軸(有功)電流的參考值;公共連接點電壓的幅值參考值Mag_V*與其幅值測量值Mag_V進行比較，通過電壓調節器得到d 軸(無功)電流參考值。電流內環采用前饋解耦控制策略［14］，實現系統有功功率和無功功率的獨立控制。為滿足DC－AC 變流器熱容量要求，其輸出電流iB的大小將被限制在一定范圍內(本文取iB－max= 1.2 p.u.)，即無功電流和有功電流的參考值也將相應受到限制。當電網發生故障時，以無功電流作為優先控制對象，通過=(i≤iB－max)對有功參考電流進行限制，此時鋰電池儲能系統將運行在STATCOM 模式下，向電網提供無功功率，以幫助電網恢復正常運行。

4 系統仿真

圖3 鋰電池儲能系統的控制框圖Fig．3 Control diagram of lithium battery energy storage system

當風電系統離網運行時，鋰電池儲能系統的DC－AC 變流器采用V/f 控制，控制開關切換至端口2，如圖3 所示。公共連接點電壓的的d，q分量參考值，與其測量值進行比較分別通過電壓調節器得到電壓調制波d，q 分量的參考值，。由于風電系統并網運行時公共連接點的相位θ1與離網運行時控制器設定的相位θ2之間可能會存在一定的相位差，這樣在切換過程中可能會引起系統的震蕩甚至失穩。對此，通過相位限速器來控制公共連接點的相位從θ1平滑切換到θ2，從而實現風電系統從并網運行模式到離網運行模式的平滑切換。

連接鋰電池組的雙向DC －DC 變換器的控制原理如圖3 所示。圖中，DC－AC 變流器直流側電壓參考值與其測量值uDC進行比較通過電壓調節器得到雙向DC －DC 變換器的調制電流參考值，與雙向DC －DC 變換器輸入電流iSB進行比較再通過電流調節器得到雙向DC －DC變換器占空比d1的反饋控制量，以達到電流對其參考值的快速跟蹤。作為占空比d1的前饋控制量，可以抑制雙向DC －DC 變換器兩端的電壓波動給電流控制帶來的干擾［15］。

利用Matlab/Simulink 對圖1 所示的風電/鋰電池儲能混合系統進行仿真。具體仿真參數如下:電網線電壓額定值為20 kV (有效值)，頻率為50 Hz;鋰電池組的額定電壓為600 V，額定功率為600 kW，額定容量為200 kW·h，單體電池數為n=3 750，Rn=0.02 Ω，Rh=0.01 Ω，Cs=0.667 F;DC－AC 變換器的額定功率為1 MVA，交流側輸出線電壓額定值為650 V (有效值)，直流側電壓額定值為2 400 V，功率器件為IGBT，開關頻率為8 kHz;連接鋰電池組的雙向DC/DC 變換器的額定功率為600 kVA，功率器件為IGBT，開關頻率為10 kHz。DC －AC 變換器的直流側電容為10 000 μF，輸出濾波電感為2 mH;雙向DC/DC變換器的升壓電感為0.3 mH;一階低通濾波器的時間常數T1=600 s。在電網發生故障時，當地負荷的額定有功功率和無功功率分別為500 kW 和200 kVar。

圖4 (a)可以看出，風力發電系統輸出的有功功率PG波動較大;經鋰電池儲能系統調節后，實際注入電網的有功功率PT較為平滑。儲能系統發出的有功功率如圖4 (b)所示。由圖4 (c)可知，風電系統經鋰電池儲能系統補償后的實際并網功率PT能較好地跟蹤其參考值，這同時也說明該鋰電池儲能系統的響應速度基本能滿足系統的要求。

圖4 鋰電池儲能系統平滑風電的功率波動Fig．4 Lithium battery energy storage system smooths wind power fluctuations

當電網電壓在0.1 ～0.3 s 三相跌落50%時，公共連接點電壓uPCC及其幅值Mag_ V 也相應發生跌落，如圖5 (a)，(b)所示。在電網電壓跌落期間，鋰電池儲能系統最大輸出電流被限制在1.2 p.u. 以內，如圖5 (c)所示，其輸出的無功電流id由0 增加到1.185 p.u.，為電網提供無功功率支持，以幫助電網恢復正常運行。鋰電池儲能系統輸出的有功電流也相應受到了限制，從0.33 p.u. 降低到0.05 p.u.，如圖5 (d)所示。圖5(e)為鋰電池儲能系統輸出的有功功率和無功功率。由于鋰電池儲能系統的無功補償作用，公共連接點電壓從0.5 p.u. 上升至0.62 p.u.。DC －AC 變流器的直流側電壓uDC也保持在其允許范圍之內，如圖5 (f)所示。隨著電網故障的清除，電網恢復到正常工作，鋰電池儲能系統也將迅速恢復到故障之前的運行狀態。

圖5 電網電壓跌落時，鋰電池儲能系統的工作特性Fig．5 When the grid voltage sag occurs，the operating characteristics of lithium battery energy storage system

當電網故障持續的時間較長時，這可能會危及到風電系統的安全運行，按照新的電網規則要求，風電系統將被允許脫離電網。以下是風電系統在電網故障情況下脫離電網運行的仿真結果。電網電壓在0.0 ～0.1 s 處于50%的跌落狀態(圖6 (a)， (b))，風電系統保持其輸出功率不變(圖6 (c)，(d))，鋰電池儲能系統的運行狀態與圖4 中電網電壓跌落時運行狀態一致(圖6(e)，(f))。圖6 (g)，(h)為風電/鋰電池儲能混合系統總的輸出電流和功率。圖6 (i)， (j)為輸入到電網的電流和功率。由于電網電壓的跌落，當地負荷的電能質量也相應受到影響，它吸收的有功功率和無功功率分別為PL=125 kW 和QL= 50 kVar，均未達到其額定值 (圖6 (k)，(l))。在0.1 s 時，電網的連接開關K1 斷開，鋰電池儲能系統DC －AC 變流器的控制開關從端口1 切換至端口2。此時，輸入到電網的電流和功率迅速降低到0 (6 (i)，(j))。由于鋰電池儲能系統的控制作用，公共連接點的電壓能夠迅速恢復到額定值(圖6 (a)，(b))，從而當地負荷也能恢復到正常運行(圖6 (k)，(l))。在脫離電網的運行過程中，鋰電池儲能系統一方面起到了穩定系統電壓/頻率的作用，另一方面也起到了平衡系統功率的作用，即風電的輸出功率與當地負荷的輸入功率之間的差額功率由鋰電池儲能系統來提供。在0.1 s 以后，風電/鋰電池儲能混合系統總的輸出電流和功率(圖6 (g)， (h))與當地負荷的輸入電流和功率(圖6 (k)，(l))相等。

圖6 系統由并網轉為孤島的運行特性Fig．6 Operating characteristics of the system when it transfers from grid－connected to grid－isolated mode

5 結束語

鋰電池儲能系統在所提的控制策略下，當電網正常運行時能起到平滑風電功率波動的作用;當電網發生故障時，能為電網優先提供一定的無功功率，以幫助電網恢復正常運行;當脫離電網運行時，能夠起到穩定系統電壓/頻率以及平衡系統功率的作用。仿真結果很好地說明了所提出的控制策略的正確性和有效性。

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