平抑風電場功率波動的復合儲能系統控制策略

趙興勇, 王 帥, 楊 濤, 吳新華, 劉 豹, 陳浩宇

(1. 山西大學 電力工程系,山西 太原 030013; 2. 國網太原市電力公司,山西 太原 030000)

平抑風電場功率波動的復合儲能系統控制策略

趙興勇1, 王 帥1, 楊 濤2, 吳新華1, 劉 豹1, 陳浩宇1

(1. 山西大學 電力工程系,山西 太原 030013; 2. 國網太原市電力公司,山西 太原 030000)

隨著風力發電所占發電比例的上升，其隨機性、波動性及間歇性對電網的影響不可忽視。基于超級電容和蓄電池組成的復合儲能系統，提出了一種用于抑制風電功率波動的自適應復合儲能控制策略，通過引入超級電容荷電狀態反饋來實施對低通/高通濾波器時間常數的控制，在完成對風電波動功率平抑的同時，合理分配平抑功率，避免超級電容過充過放。最后通過仿真，針對春夏秋冬不同時間窗口下的功率波動進行平抑，驗證了所提自適應控制策略的有效性。

風電場； 復合儲能； 超級電容； 蓄電池； 自適應控制

0 引 言

隨著風能的大規模開發利用，風力發電所占發電比例越來越高。但是風力發電具有隨機性、波動性和間歇性等特征，會對電網的電能質量和穩定性造成嚴重的后果。如何使風力發電靈活地并入電網，減少對電網穩定性的沖擊，更加有效地利用風能，是目前研究的重要課題。

為了解決這一問題，目前大多采用兩種途徑:一種是通過風機自身調節如改變槳距角、加裝卸荷裝置等，這種方法會使得功率波動得到改善，但降低了風能利用率；另一種是配備儲能系統，儲能具有良好的四象限吞吐能力，可以將發電和用電從時間和空間上分割開來，減少對電網的沖擊，提高風能利用率，所以說儲能是最有效且最值得提倡的途徑。采用的儲能方式主要有單一儲能和復合儲能兩種。復合儲能相對來說，具有良好的工作特性。其采用了不同類型的儲能元件(功率型儲能元件和能量型儲能元件)來平抑風電場的功率波動。功率型儲能元件承擔波動中的高頻部分，這一部分波動劇烈，但所需的容量并不大；能量型儲能元件主要承擔波動中的低頻部分，這一部分波動緩慢，但所需容量較大[1-3]。現已有很多文獻對復合儲能的控制策略進行了研究。文獻[4]針對微電網并網運行與孤島運行方式之間的切換，提出一種含復合儲能裝置的微電網優化控制策略，但其主要考慮了在并網和孤網切換之間復合儲能控制策略，在正常情況下微電網中的波動功率如何分配并沒有考慮。文獻[5]對全釩液流電池和超級電容的等效電路模型、充放電特性、協調控制策略進行了研究，但其在協調控制策略選擇上只是考慮了傳統的控制策略。文獻[6]根據蓄電池和超級電容的荷電狀態，采用模糊控制理論將超出目標值的功率偏差在兩種儲能介質之間進行分配，但其在控制過程中以削減平抑目標為代價，不能夠充分利用可再生能源。文獻[7]提出一種雙層控制模型，根據實時風電功率及儲能元件的荷電狀態，采用相應的控制算法進行控制，但是其過度依賴專家信息庫的設計，并且對快速性和實時性要求較高。本文從經濟性和適用性兩方面進行考慮，對復合儲能控制策略進行設計。

針對超級電容和蓄電池復合儲能系統，本文提出一種自適應復合儲能控制策略。通過引入超級電容荷電狀態反饋來實施對低通和高通濾波器時間常數的控制，在完成對波動功率平抑的同時，合理分配平抑功率，避免超級電容過充過放。最后通過仿真，對春夏秋冬不同時間窗口下的功率輸出波動進行平抑，驗證了所提控制策略的自適應能力。

1 基于復合儲能的風電系統

1. 1 風電系統結構模型及控制器

風電系統主要由風機、同步發電機、機側整流器及網側逆變器構成，其系統結構如圖1所示[8]。

圖1 風電系統結構模型

機側整流器和網側逆變器的控制器框圖如圖2、圖3所示。機側整流器通過控制發電機的電磁轉矩來調整發電機轉速，從而捕獲最大風能。采用的是速度外環和電流內環的雙閉環控制方式，轉速參考值可以通過最大功率跟蹤控制算法得到。網側逆變器采用基于電網電壓的dq解耦雙環控制，內環是電流環，外環是功率環。功率參考值即為經過復合儲能補償后期望得到的并網功率。圖2、圖3中，Isd、Isq分別為同步發電機側電流的d軸、q軸分量，ωm、ωe分別為機械角速度和電角速度，Ptotal為并網功率，Id,total、Iq,total為并網電流的d軸、q軸分量。

圖2 機側整流器控制框圖

圖3 網側逆變器控制框圖

1. 2 復合儲能結構模型及控制器

采用超級電容和蓄電池的復合儲能結構如圖4所示[9-10]。超級電容和蓄電池并接到雙向逆變器的直流母線電容兩端。通過控制不同管子工作來實現充放電控制，上面管子導通時，逆變器處于充電模式；下面管子導通時，逆變器處于放電模式。

設管子的占空比為d。超級電容和蓄電池的控制器框圖如圖5所示。通過采用電流外環和電壓內環的雙環控制方式對超級電容和蓄電池進行控制。電流參考信號可通過平抑功率除以Udc得到，通過調節電流來實現功率調節；內環主要維持輸出電壓的穩定，避免Udc電壓波動。圖5中Psc、Pb為超級電容和蓄電池所需平抑功率，Usc、Ub為超級電容和蓄電池的電壓，Udc為直流母線電壓，dsc、db分別為各自的占空比。

圖4 復合儲能結構模型

圖5 超級電容和蓄電池控制框圖

2 復合儲能控制策略

2. 1 控制目標

復合儲能控制目標是使風電輸出功率平滑，盡量減少波動對電網的影響[11-14]。國家電網公司對于風電場并網功率作出了具體規定：根據國家電網公司風電場接入電網技術規定可知，風電場10 min最大功率變化一般不超過其裝機容量的33%，1 min最大功率變化一般不超過其裝機容量的10%。經過復合儲能對風機輸出波動功率進行平抑后得到的功率即為目標功率。目標功率可以通過一階低通濾波器得到。風電功率和目標功率相減即為所需平抑功率，將平抑功率通過高通濾波器進行分解，分解出的即為超級電容的平抑功率，剩下由蓄電池來承擔。控制策略如圖6所示。圖6中，T1和T2分別為低通濾波器和高通濾波器的時間常數。

圖6 復合儲能控制策略

2. 2 自適應控制

對于時間常數T1、T2的控制，本文提出一種自適應控制策略。由于在配置過程中超級電容價格相比蓄電池來說較貴，一般配置的容量有限，所以在運行過程中難免會出現過充過放，不利于電池壽命。針對此，為了避免過分追求較高控制目標而導致系統所需配置儲能容量和功率的增加，可以通過引入超級電容荷電狀態反饋來實施對低通濾波器和高通濾波器的時間常數的控制。在保證超級電容不越線的同時，充分利用蓄電池，提高系統的經濟性。本文針對超級電容設定充放電上下線、緩沖區及正常工作區，對其荷電狀態進行實時監測。上下線及緩沖區的設置如圖7所示。設定的超級電容荷電狀態上下限為0.9、0.1，緩沖區分別為0.9～0.8、0.1～0.2。

圖7 荷電狀態分區圖

低通濾波器和高通濾波器時間常數控制框圖如圖8所示。它根據荷電狀態來選擇相應的控制。不同分區內，對于電池的不同工作狀態(充電/放電)，濾波時間常數具體的變化如表1所示。

圖8 時間常數控制框圖

從表1可以看出充電過程中，當荷電狀態為下限時，可充余量較大，可以適當增大低通/高通濾波時間常數，增加超級電容的平抑任務，使之快速進入正常工作區間；隨著荷電狀態的不斷增大，當進入充電緩沖區時，應當通過減少高通濾波器的時間常數來減少超級電容的充電功率；當達到充電上限時，應該切除超級電容，T2=0，此時功率平抑由蓄電池獨自承擔，同時應當適當減少低通濾波時間常數來確保蓄電池的壽命。同理，放電過程正好相反，不再贅述。

表1 濾波時間常數設置

3 仿真分析

為了驗證本文所提策略的有效性，針對春夏秋冬不同時間窗口下的情況進行驗證。春夏秋冬四個季節典型日的風速變化如圖9所示。

圖9 四季典型日風速

針對某風場中的單臺風機進行仿真。其風機容量為1.5 MW，切入風速為3 m/s，額定風速為12 m/s，切出風速為25 m/s。為了平抑功率變化所配置的復合儲能如表2所示。設正常工作區間內低通濾波器時間常數T1=10，高通濾波器時間常數T2=80。采用上述自適應控制策略時春夏秋冬典型日對應的風機輸出功率及對應的并網功率

表2 復合儲能配置

如圖10所示。可以看出并網功率變化更加平緩，符合風電并網標準。

圖11給出了四種場合下所需平抑功率。可以看出秋季和冬季的波動相比春季和夏季更加頻繁，平抑任務相對來說較重，但春季和夏季會在某一時段會出現功率突變，這一部分就需要由超級電容來承擔。

超級電容和蓄電池所需承擔的功率如圖12和圖13所示。可以看出超級電容承擔了波動中的高頻分量，蓄電池承擔了波動中的低頻分量，充分利用了各自自身的特性，很好地成了平抑任務。

圖10 風機輸出功率和并網功率

圖11 平抑功率圖

圖12 超級電容平抑功率

圖13 蓄電池平抑功率

設定超級電容和蓄電池荷電狀態初始值為0.5，則在平抑過程中超級電容的荷電狀態變化如圖14所示，蓄電池的荷電狀態變化如圖15所示。從圖14、圖15中可以看出蓄電池的荷電狀態變化范圍為0.3～0.81，超級電容的荷電狀態變化范圍為0.15～0.88，都在設定的區間內，并且蓄電池的荷電狀態變化相比超級電容更平滑。

圖14 超級電容荷電狀態圖(1)

圖15 蓄電池荷電狀態(1)

從圖14可以看出，在815～890 min時間段內，超級電容荷電狀態在夏天典型日進入到了充電緩沖區。此時對高通濾波器進行自適應控制，時間常數通過控制，由原先的80逐漸調整為40，之后超級電容開始放電，時間常數又逐漸增加，進入正常工作區間后變為初始值80。從圖13可以看出蓄電池在這個時間段開始時相比之前承擔了更多的平抑任務，功率較之前變化劇烈，并且在867 min時刻達到了四個場合下蓄電池的最大功率125 kW，但這也并沒有超出蓄電池的能力范圍。同樣也可以從圖12看出超級電容在夏天典型日此時間段內承擔的功率明顯下降，也正是因為進行自適應控制，超級電容荷電狀態一直維持在0.9之下。同樣，在秋天典型日時85～115 min內超級電容荷電狀態進入了放電緩沖區，在這個時間段超級電容放電功率隨高通濾波器的時間常數減小而減少，進行短暫調整后，超級電容開始放電，時間常數逐漸回到初始值。由此可以看到，該策略避免了超級電容過充過放，提高了不同場合下的自適應能力。如果不對時間常數進行控制，就需要增加超級電容容量的配置，這樣反而沒有充分利用儲能，降低了系統的經濟性。

圖16和圖17給出了采用傳統的復合儲能控制策略時超級電容和蓄電池的荷電狀態，配置的超級電容和蓄電池容量與自適應控制下相同，但傳統的復合儲能控制策略濾波器時間常數T1、T2恒定。比較兩種策略下的仿真結果不難看出，當采用傳統策略時超級電容在夏天865～890 min期間荷電狀態近似接近于1，當達到1時就要進行強制切除。為了避免該情況的發生，只能對超級電容進行擴容，但這樣又不利于系統的經濟性。比較蓄電池的荷電狀態可以看出采用傳統策略時，蓄電池的荷電狀態相對來說比較平滑，這是因為在采用自適應控制策略時，T1、T2隨超級電容的荷電狀態進行了自適應調節，在這一過程中，為了維持超級電容工作于正常工作區，蓄電池承擔了相對傳統策略較多的平抑任務，所以曲線相對來說波動程度明顯，但是波動次數仍然比較少，對電池壽命的影響并不大。從兩種策略的比較情況來看，本文所提的自適應控制處理具有更好的工作特性，而且適應性與經濟性較好。

圖16 超級電容荷電狀態圖(2)

圖17 蓄電池荷電狀態(2)

4 結 語

本文構建了基于復合儲能的并網風電系統結構模型，提出了機側整流器、網側逆變器及復合儲能的控制器模型，并針對復合儲能提出了一種自適應控制策略。在春夏秋冬四種場合下進行仿真，驗證了該策略的有效性，得出以下結論：

(1) 該策略適應能力較強，針對不同場合均能在保證完成平抑任務的同時，蓄電池和超級電容能在規定的區間內進行充放電，避免了過充過放。

(2) 當超級電容進入緩沖區時，承擔的功率會隨著高通濾波器時間常數的變化而變化。蓄電池在沒有超出能力范圍的同時很好地分擔了超級電容的部分功率，此時的并網功率也符合風電并網標準。

(3) 該策略有效避免了過分追求較高控制目標而導致系統所需配置儲能容量與功率的增加，在滿足需要的同時，提高了系統的經濟性。

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Contol Strategy of Hybrid Energy Storage System for Balancing Fluctuant Wind Power

ZHAO Xingyong1, WANG Shuai1, YANG Tao2, WU Xinhua1, LIU Bao1, CHEN Haoyu1

(1. Department of Electric power Engineering,Shanxi University, Taiyuan 030013, China;2. State Grid Taiyuan Electric Power Company, Taiyuan 030000, China)

With the rising proportion of wind power generation, the effects on grid made by its randomness、volatility and intermittency can not be ignored. Based on hybrid energy storage system composed of super capacitor and battery, a adaptive composite energy storage control strategy to dampen the power fluctuations of wind farm was proposed. The feedback of super capacitor’s state to implement the control of low-pass filter and high-pass filter’s time constant was introduced. It finished suppressing the power fluctuations and distribute the power reasonably to avoid over-charging/over-discharging of super capacitor at the same time. Finally, through the simulation of suppressing the power fluctuations under different time window for spring, summer, autumn and winter the effectiveness of the proposed adaptive control strategy was verified.

wind farm; hybrid energy storage system; super capacitor; battery; adaptive control strategy

山西省“十二五”科技重大專項(2060901);國網山西省電力公司科技項目(05161A)

王 帥(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為智能微電網運行與控制。 趙興勇(1965—)，男，教授，碩士生導師，研究方向為微電網、分布式發電及電動汽車控制等。

TM 315

A

1673-6540(2017)07- 0108- 07

2016 -12 -12