混合儲能平抑風電功率的方法研究

田凱，徐長奎

哈爾濱工程大學自動化學院，黑龍江哈爾濱 150001

混合儲能平抑風電功率的方法研究

田凱，徐長奎

哈爾濱工程大學自動化學院，黑龍江哈爾濱 150001

由于風速變化的隨機性，風電場的輸出功率波動性較大，導致風電場并網會對電力系統穩定性造成影響。為了克服風電輸出的波動性問題，提出一種基于混合儲能裝置平抑風電功率波動的控制方法。首先，對風電輸出波動功率進行分解，針對波動功率的特點選擇蓄電池和超級電容作為儲能裝置；其次，設計儲能系統的運行控制方式，使其能與風電場進行快速的功率交換，使得風電場輸出功率跟蹤發電指令；最后，在MATLAB／SIMULINK環境下進行仿真驗證。仿真結果表明該方法能夠有效地平抑處理風電場輸出波動功率，使得風電場輸出功率穩定地跟蹤發電指令，蓄電池和超級電容各自發揮優勢，延長了蓄電池使用壽命。

風力發電；混合儲能；蓄電池；超級電容；功率平抑

能源和環境是當今人類所面臨的重要問題，新能源的并網運行受到各國重點關注，特別體現在風能和太陽能并網運行中。由于風能的不可控性，功率輸出具有波動性。因此，風力發電的并網運行給電網帶來一定影響，尤其是給調度部門工作提高難度［1］。

處理風電輸出功率波動性的方法有許多，文獻［2］采用變速變槳距方法對風機輸出功率進行調節。文獻［3］利用水電和火電的穩定性對風電出力波動進行補償。文獻［4］采用風光互補的方法，利用風能和太陽能分布的互補性，將二者聯合輸出，得到穩定的功率輸出。文獻［5］研究了蓄電池削減風電輸出峰谷差，提高風電可靠性；文獻［6］提出利用飛輪儲能系統有效平緩風電場有功功率輸出；文獻［7-8］提出將超導儲能裝置運用在風電輸出功率波動平抑；文獻［9-10］提出基于超級電容儲能裝置對風電并網功率平抑系統進行建模和控制。在諸多儲能方式中，蓄電池儲能和超級電容器儲能技術較為成熟、對工作環境要求低、運用范圍廣，在處理風電功率波動問題時十分實用，現如今已經成為儲能裝置領域中的研究熱點。本文將根據湍流模型風速研究，將波動功率分解為穩定波動功率和尖峰波動功率，針對其特點選取蓄電池和超級電容器作為儲能裝置，設計混合儲能系統，提出平抑風電波動功率的控制方法。該方法不僅可以實現對風電波動功率的平抑，而且可以克服單一蓄電池儲能的問題，延長蓄電池的使用壽命，降低儲能系統維護成本。

1 風功率分解及儲能裝置選取

風電場內推動風輪轉動的是大氣邊界層內的風，主要運動形態為湍流，雷諾將湍流量分為平均分量和脈動分量。因此將風速v分解平均風速分量和脈動風速風量Δv。與之對應，風功率可分解為兩部分：

式中：波動功率Pwave由Δv引起，指定功率Pref由引起，可預測性強。波動功率Pwave可分為穩定波動功率Psteady和尖峰波動功率Ppeak。穩定波動功率由幅值較小的Δv引起，有很大的能量，尖峰波動功率由幅值大的Δv引起，幅值較大，能量波動較小。

蓄電池具有能量密度大、循環壽命低的特點；超級電容器具有功率密度大、循環壽命長、能量密度低的特點。針對波動功率的能量特點，本文選取蓄電池和超級電容作為儲能裝置。

2 儲能系統

2.1 儲能系統基本結構及原理

儲能系統在風電場中應用的結構如圖1所示。

圖1 儲能系統在風電場中應用結構

儲能系統由蓄電池和超級電容器組成，通過三相整流／逆變器并聯在風電場出口，圖中DC／DC（A）、DC／DC（B）分別為超級電容和蓄電池的控制器，風電波動功率Pwave作為控制系統誤差信號：

當Pwave大于0時，儲能系統吸收能量；當Pwave小于0時，儲能系統輸出能量，通過儲能系統的充放電來減弱風電場輸出功率的波動。

在控制儲能系統充放電的過程中，控制器采用雙向斬波器結構，如圖2所示。

圖2 雙向斬波器結構

蓄電池和超級電容的充放電控制器都是由雙向斬波器構成，蓄電池和超級電容分別接在雙向斬波器DC／DC（B）和DC／DC（A）的低壓側。DC／DC（B）負責始終維持蓄電池充放電電流大小恒定，延長蓄電池壽命。DC／DC（A）負責控制超級電容器與風電場間能量交換，平抑的風電波動功率。

2.2 儲能系統特性分析

根據蓄電池和超級電容的特點，超級電容器可以用于平抑尖峰波動功率Ppeak，蓄電池可以用于平抑穩態波動功率Psteady。

混合儲能系統由蓄電池和超級電容組合而成，儲能系統總容量為Ewhole，蓄電池容量為Ebat，超級電容容量為Ecap，三者之間關系如下：

系統能量密度可表示為

功率密度可表示為

式中：E′bat表示蓄電池能量密度；E′cap表示超級電容能量密度；P′bat表示蓄電池功率密度；P′cap表示超級電容的功率密度。

由于蓄電池具有能量密度大和功率密度小的特點，超級電容具有能量密度小和功率密度大的特點，得到以下結論：

綜上所述，儲能系統具有超級電容的高功率密度，同時具有蓄電池的高能量密度的特點，符合儲能系統處理波動功率的要求。

3 儲能系統運行方式

儲能系統控制框圖如圖3所示。

圖3 儲能系統控制框圖

3.1 儲能系統充放電控制器任務分配

將發電指令目標Pref與實際功率Preal作比較：Pwhole的正負決定儲能系統的運行狀態：當Pwhole＞0時，系統蓄能；當Pwhole＜0時，系統釋能。

DC／DC（A）任務是控制Pwhole，DC／DC（A）低壓側是超級電容端電壓Ucap，采用電流環控制方法，控制目標為

DC／DC（B）任務是控制蓄電池充放電功率，控制目標為蓄電池額定充放電電流。

3.2 儲能系統內部功率控制任務分配

1）儲能系統平抑Ppeak

Ppeak幅值較大，但能量波動較小，在平抑過程中需要儲能系統快速響應，頻繁的完成充放電工作，因此超級電容器可以獨自承擔對Ppeak的平抑。此時，儲能系統內部的功率關系為：

為完成功率分配任務，應遵循超級電容優先充放電的原則：設定超級電容最優工作范圍為［Uopt_down，Uopt_up］，在最優工作范圍內，蓄電池停止充放電工作，超級電容單獨工作。

2）平抑Psteady時內部功率分配

由于Psteady能量很大，需要系統大量能量吞吐，可能導致Ucap偏離最優工作范圍。此時，蓄電池以額定電流進行蓄能或者釋能，維持Ucap在最優工作范圍。

調節Psteady時，儲能系統的內部功率關系為

1）當儲能系統與蓄電池同時都進行能量存儲或者釋放時

Pcap的方向取決于｜Pwhole｜和｜Pbat｜的大小關系：｜Pwhole｜＞｜Pbat｜時，二者方向相同；當｜Pwhole｜＜｜Pbat｜時，二者方向相反。

2）當Pwhole和Pbat的方向相反時

Pbat和Pbat的方向相同。

實現方法：設定蓄電池停止對超級電容輔助的狀態工作點為

當Ucap＞Uopt_up時，蓄電池需要吸收超級電容的能量，此時蓄電池以額定電流Irate充電，直到超級電容端電壓Ucap＝Uopt，蓄電池停止充電；當Ucap＜Uopt_down時，蓄電池需要對超級電容釋放能量，蓄電池以額定電流Irate放電，直到Ucap＝Uopt，蓄電池停止放電。

4 仿真驗證

為了驗證理論的正確性，在MATLAB／SIMU-LINK環境下對系統進行仿真，具體仿真參數如下：蓄電池容量為300 V／3 000 Ah，蓄電池充放電電流大小為1 200 A，電容選取100 F，初始電壓為600 V，最優工作區域為［450 700］，電壓調整點580 V。

圖4中曲線為50 MW風電場在一天中某個10 min的功率輸出數據，在此期間風電場發電目標為Pref＝1.5 MW，風電場實時功率吞吐曲線如圖5所示。將2條曲線對比可見，二者具有互補性：當Preal大于實時發電指令目標Pref時，儲能系統吸收風電場輸出的過多的能量，Pwhole＜0；當Preal小于Pref時，儲能系統釋放能量，補償風電功率的不足，Pwhole＞0。風電場輸出功率經調節后輸出曲線如圖6所示。

圖4 實際風電功率曲線

圖5 儲能系統平抑總功率

圖6 調節后風電場功率輸出曲線

由圖可見，通過儲能系統快速、精確地功率吞吐，風電場輸出功率調節后穩定于1.5 MW，即平穩地跟蹤了發電指令，波動大小為1.4%，證明了控制方法的有效性。

在儲能系統整個工作過程中，蓄電池和超級電容工作情況如圖7、8所示。

由圖7可以看出：當超級電容端電壓Ucap處于最優工作區域［450 700］內時，蓄電池充放電電流為0，蓄電池停止充放電，系統中超級電容器單獨工作，完成對風電波動功率的平抑；當超級電容器的端電壓大于700 V時，蓄電池充放電電流為－1 200 A，處于充電狀態，系統將超級電容器的能量向蓄電池反向轉移，直到超級電容端電壓降低到580 V為止；當超級電容器端電壓小于450 V時，蓄電池充放電電流為1 200 A，處于放電狀態，系統將蓄電池中能量向超級電容中轉移，直到超級電容端電壓上升到580 V為止。

圖7 超級電容端電壓曲線

圖8 蓄電池充放電電流波形

如圖8所示，在系統仿真10 min內，蓄電池充放電時間為110 s，在大部分時間內儲能系統通過超級電容來完成功率吞吐，有效地減少了蓄電池充放電次數，可以延長使用壽命，從而降低儲能系統的維護成本。

5 結束語

本文對風電波動功率進行分解，針對分解后的功率特點選擇儲能元件并設計了混合儲能系統，利用儲能系統對波動功率進行平抑控制仿真。仿真結果表明，所設計的混合儲能系統可以與風電場進行精確的功率交換，對風電波動功率進行平抑處理，使得風電場的實際功率輸出能夠平穩地跟蹤發電指令，有利于電網的穩定性。

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A method for balancing the fluctuation of w ind power by hybrid energy storage system

TIAN Kai，XU Changkui
College of Automation，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

Due to the random changes in wind speed，the fluctuation of the output power of wind farm is large，which may affect the stability of power system when wind farm ismerged into a grid.A method for balancing fluctu-ant wind powerwas proposed to solve this problem.Thismethod is based on a hybrid energy storage system.Firstly，the fluctuation power of wind power output is decomposed，then according to the characteristics of the fluctuating power，a battery and a super capacitor are taken as the energy storage device；secondly，the operation controlmode of the energy storage system is designed，which can exchange power precisely and efficiently with wind power sys-tem，so as tomake the output power ofwind farm track the power-generating command；finally，a simulation is car-ried out under the environment of Matlab／Simulink.The simulation shows that themethod can effectively stabilize the fluctuating output power of thewind farm，make the output power ofwind farm track the power-generating com-mand stably，and the battery and the super capacitor bring into play their own advantages，therefore extending the service life of battery.

wind power；hybrid energy storage；battery；super capacitor；power suppression

TM464

A

1009-671X（2015）02-013-04

10.3969／j.issn.1009-671X.201408011

2014-08-29.

日期：2015-03-25.

田凱（1972-），男，副教授；徐長奎（1988-），男，碩士研究生.

徐長奎，E-mail：ai05518＠126.com.

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1191.u.20150325.1259.013.html