互補儲能技術及其控制策略

王 波

（國網安徽省電力公司 檢修公司，合肥 230061）

1 儲能系統研究狀況

近年來，風力發電和太陽能光伏發電技術廣泛應用，在電網中扮演著越來越重要的角色。然而由于氣候的不確定性和隨機性，導致了可再生能源發電系統輸出功率存在隨機性和波動性。因此，亟需引入儲能系統來降低對電網波動的影響。通常，在可再生能源出口側安裝儲能系統，可以直接對輸出功率進行平抑，在一定程度上可以提高可再生能源電源的可調度性［1-3］。

在技術上比較成熟和具備可行性的儲能系統，主要是蓄電池儲能系統（BESS）和超級電容儲能系統（SCESS）。文獻［4］指出，蓄電池儲能系統具有能量密度高的優點，但不利于深度充放電；而超級電容儲能系統功率密度高，響應速度快，但其能量密度低。文獻［5，6］提出利用蓄電池儲能系統平衡風力發電的間歇性，以及配置相應的儲能容量。文獻［7，8］提出利用超級電容儲能系統平抑獨立可再生能源發電系統功率波動的拓撲結構以及控制策略，但沒有充分考慮超級電容在長期工作中容量上的缺陷。文獻［9，10］提出蓄電池儲能系統電路模型及平抑控制策略，但沒有深入分析蓄電池在工作中應對尖峰功率時存在的問題。單一超級電容儲能系統雖然能夠快速響應平抑大功率波動，但是在長時期運行時會出現因容量上的限制而導致能量不足；而單一蓄電池儲能系統在平抑尖峰大功率波動時，可能會因為響應速度慢或者功率不足而導致平抑的失敗，需通過進一步加大容量等級來彌補功率上的缺陷，這樣會造成容量上的冗余，同時充放電深度過大對蓄電池儲能系統的使用壽命會造成嚴重的影響。

綜上所述，針對單一儲能系統功率或能量上存在的問題，根據蓄電池儲能系統和超級電容儲能系統在能量和功率上的特點，結合二者的互補性，提出了面向可再生能源發電系統的互補儲能技術，并且針對給定發電計劃下的功率波動，給出了相應的平抑控制策略。

2 儲能系統的建模

由于考慮的是數學模型，不考慮超級電容器和蓄電池的電路模型及其工作過程，并且在數學模型上超級電容和蓄電池儲能系統是相似的，因此從3個角度考慮建模。

2.1 電量遞推關系

剩余電量是儲能系統充放電能力的重要標志，它在充放電過程中不斷地發生變化，其變化量與該時間段內充放電功率、自放電率以及充放電效率有關。

1）充電過程關系式

2）放電過程關系式

式中：W（n）為第n個時段結束時儲能系統的剩余電量，MWh；δ為儲能系統自放電率，%／min；W（n-1）為第n-1個時段結束時剩余電量，MWh；Pc為儲能系統充電功率大小，MW；Pd為放電功率大小，MW；ηc為儲能系統充電效率的大小，%；ηd為儲能系統放電效率的大小，%。

2.2 電量約束

為了儲能系統的正常使用和工作效率，需要對電量進行限制，以防止其電壓過高或過低。其電量約束表達式為：

式中：Wmin為儲能系統電量約束下限，MWh；Wmax為儲能系統電量約束上限，MWh。

假設蓄電池和超級電容儲能系統的額定容量都為EC，通常蓄電池取Wmin=0.2EC，Wmax=0.85EC；超 級 電 容 取 Wmin=0.15EC，Wmax=0.95EC。同時，為了保證儲能系統開始就能充放電，電量初值W（0）取值范圍在0.5EC至0.6EC之間。

2.3 功率約束

儲能系統的充、放電功率約束，由儲能系統的最大持續充、放電功率以及當前剩余電量決定。最大充、放電功率允許值為：

1）充電過程關系式

2）放電過程關系式

式中：Pc，max（n）為第n個時段儲能系統的最大充電功率允許值，MW；Pd，max（n）為第n個時段儲能系統的最大放電功率允許值，MW；Pmax，C為儲能系統最大充電持續功率，MW；Pmax，D為儲能系統最大放電持續功率，MW。

考慮工作中的可再生能源發電功率P（n）和平抑目標PMB（n），儲能系統功率約束表達式為：

1）充電約束時

2）放電約束時

式中：Pc（n）為工作中充電功率大小，MW；Pd（n）為工作中放電功率大小，MW。

3 互補儲能系統控制策略

3.1 功率關系

通常根據歷史數據和電網需求，事前制定可再生能源發電系統的發電計劃功率，而實際過程中由于氣候因素的不確定性，可再生能源發電系統的功率隨時間存在一定的波動性，因此需要儲能系統平抑二者之間的偏差。假設可再生能源發電系統的出口功率為PRenew，計劃功率為Pplan，則兩者之間的偏差為儲能系統的功率PESS，即：

當PESS＞0時，表明儲能系統釋放功率，反之則吸收功率。

由于儲能系統由蓄電池和超級電容共同組成，假設超級電容的功率為PSC，蓄電池的功率為PB，則：

當PB＞0時，表明蓄電池儲能系統釋放功率，反之吸收功率。在運行過程中PB和PSC符號可以不同，它們之間存在一定的能量交換。

3.2 浮動平均值

浮動平均值（Floating Average Value）用于求取一個波動信號的平均值，并且隨著時間變化，對于離散化的數據系列，其表達式為：

進一步對式（10）展開，則：

由式（11）可以看出，g值越小其信號的平穩性越好。為使蓄電池儲能系統在平抑過程功率平穩，避免出現充放電功率過大，綜合考慮后g值取0.045。

3.3 控制策略

根據蓄電池能量密度高但不適宜深度充放電，而超級電容能夠大功率充放電但能量密度低的特點，將超級電容作為蓄電池的輔助功率緩沖器，針對可再生能源發電功率和實際發電計劃之間的功率波動偏差，先通過浮動平均環節得到功率偏差的平均值，以此作為進入蓄電池儲能系統中功率的參考，剩余部分特別是包含尖峰功率波動的成分進入超級電容儲能系統。這樣可以使得蓄電池能量優勢充分發揮，降低其深度充放電的可能性，而超級電容器不僅能發揮其功率方面的優勢，而且在能量方面可以為蓄電池提供一定的輔助和補充作用。

互補儲能系統控制策略框圖如圖1所示。

圖1 互補儲能系統控制策略框圖

由圖1可以看出，互補儲能系統的工作過程為：

1）讀取發電計劃功率Pplan和可再生能源發電系統的實際輸出功率PRenew，并計算功率偏差作為進入儲能系統中的功率值。

2）對PESS求取浮動平均值得：

3）如果ABS（PESS）＞ABS（Pmean），則

4）如果ABS（PESS）＜ABS（Pmean），則

式中：FAV（）為求取浮動平均值函數；ABS（）為絕對值函數。

4 算例分析

某可再生能源發電系統一定時間段（3 000s，采樣周期為10s）的發電功率PRenew曲線和給定的發電計劃功率Pplan曲線如圖2所示。圖中x坐標軸每個點代表10s，共300個時間點。

圖2 PRenew與Pplan功率曲線

4.1 單一蓄電池儲能系統

如果采用單一的蓄電池儲能系統，要達到平抑的目標，則在這個過程蓄電池儲能系統中功率變化狀況如圖3所示，能量變化狀況如圖4所示。

圖3 蓄電池儲能系統功率變化曲線

圖4 累計充放電電量變化曲線

由圖3和圖4可以看出，采用單一蓄電池儲能系統時，在出現尖峰功率波動時，蓄電池的最大放電功率達到2.4MW，最大充電功率為1.337MW，充放電功率波動較大。在這個平抑過程中，蓄電池儲能系統最大累計釋放能量達到0.175MWh，如果蓄電池初始能量SOC（0）為0.5EC，為保證蓄電池的正常工作同時達到平抑目標，則需要配置的蓄電池儲能系統額定容量至少為0.6MWh，由于在這個過程中出現多次深度充放電，將會影響蓄電池儲能系統的使用壽命，對蓄電池儲能系統而言，在尖峰功率波動時可能會出現響應速度緩慢而造成平抑失敗，為了防止這種狀況的出現，必須進一步加大蓄電池儲能系統的額定容量，滿足其功率要求。

4.2 互補儲能系統

根據本文提出的蓄電池—超級電容互補儲能系統，實施其相應的控制策略，互補儲能系統中蓄電池儲能系統充放電功率PB仿真結果如圖5所示。

圖5 蓄電池功率PB變化曲線

互補儲能系統中蓄電池儲能系統累計充放電電量W仿真結果如圖6所示。

圖6 累計充放電電量W變化曲線

互補儲能系統中超級電容儲能系統充放電功率PSC仿真結果如圖7所示。

圖7 充放電功率PSC變化曲線

互補儲能系統中超級電容儲能系統累計充放電電量W／MWh仿真結果如圖8所示。

互補儲能系統中3種功率變化值仿真結果如圖9所示。

圖8 累計充放電電量W變化曲線

圖93 種功率變化值比較

將圖5、圖6與圖3、圖4相比，采用蓄電池—超級電容互補儲能系統后，蓄電池的最大放電功率為0.779MW，降低了67.5%，最大充電功率為0.47MW，降低了58.9%。在這個過程中最大累計釋放能量為0.11MWh。為了保證其正常工作且達到平抑目標，蓄電池儲能系統最小配置容量為0.37WMh，相比之下有所減小。這是因為超級電容儲能系統在這個過程中不僅平抑尖峰功率波動，同時也為蓄電池儲能系統提供了一定的能量支持。由于在此過程中蓄電池的充放電功率較平穩，沒有出現尖峰充放電功率，在此種容量等級下即可滿足相應的充放電功率要求。

由圖7、圖8可以看出，超級電容儲能系統在平抑過程中，最大放電功率為1.92MW，最大充電功率1.4MW，并且在這個過程中超級電容儲能系統最大累計釋放能量為0.066MWh，在保證正常工作的狀況下，超級電容最小配置容量約為0.18MWh。由于超級電容器可以深度充放電，因此能夠滿足大功率的平抑要求。

通過圖9中互補儲能系統功率綜合比較可以看出，通過超級電容器和蓄電池儲能系統的配合，蓄電池儲能系統承擔較小的功率，且在平抑過程中功率較為平穩，沒有出現特別大的充放電功率。超級電容器可以承擔功率緩沖的作用，一方面在出現大的功率波動時能夠快速響應承擔尖峰功率，同時在這個過程中實時提供部分功率以保證蓄電池儲能系統充放電功率的平穩性。在功率波動較小時超級電容功率為0，主要由蓄電池儲能系統來起平抑作用。

5 結論

根據本文提出的蓄電池—超級電容器互補儲能系統及其相應的控制策略，可以有效地緩解單一蓄電池儲能系統在平抑過程中深度充放電的壓力，最大充放電功率都得到顯著的降低，使得蓄電池儲能系統在較為平穩的充放電功率下工作，對于實際工作中的蓄電池儲能系統而言，可以改善蓄電池的使用性能，延長使用壽命。同時，互補儲能系統可以充分利用超級電容功率密度高、響應速度快、蓄電池能量密度高的互補性，與單一儲能系統相比性能更加完善。

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