一種風電混合儲能系統及能量管控策略

王 武

(許昌學院 電氣(機電)工程學院，河南 許昌 461000)

風力發電對改善能源結構、保障能源安全、推動生態環保建設和可持續發展具有重要意義，風力發電已成為最具開發前景和競爭力的新能源發電方式之一[1]．然而，風能的間歇性、隨機性會導致風電場輸出功率波動，在風電并網情況下，風電輸出功率波動會引起電網波動．隨著風電場出力在電力系統中所占比例不斷增加，其波動性和間歇性會進一步增加電網的運行成本，從而給電網建設、運行調度和電能質量等帶來嚴峻挑戰[2]．利用儲能系統進行波動功率調節，實現風電功率平抑，已成為實現功率調控的主要策略．儲能系統與風電場并網聯合運行的方式主要有兩種，一是儲能系統參與風電調峰、二是儲能系統實時調節風電場波動功率[3]．有多位學者研究了儲能系統在風電場并網運行中的作用，并采取了一定的儲能技術解決風電功率控制問題.有學者提出采用飛輪儲能技術實現風力發電系統的功率和頻率綜合控制[4]；有學者提出采用超導儲能進行風電場功率控制系統設計[5]；有學者提出采用空氣壓縮儲能進行風電場功率調節[6]，儲能技術的應用，在一定程度上解決了風電功率波動問題.將不同的儲能方式進行組合，可以實現儲能特性互補，一方面可以提高儲能系統的整體性能，另外，還可以降低儲能系統的總投資和運行成本[7]．蓄電池的特點是能量密度大、功率密度低、循環壽命短[8]．超級電容器的儲能特性表現為能量密度低、功率密度大，循環壽命長[9]．二者在特性上具有良好的互補性，非常適于組成混合儲能系統，提升儲能系統的整體性能，參與風電波動功率的實時調節．由于儲能元件本身并不具備主動與風電場進行精確功率交換的能力，所以需要為儲能系統加入充放電控制器，對儲能元件的充放電功率進行精確控制．本論文提出一種有源并聯混合儲能系統，該系統由蓄電池、超級電容器和相應的充放電控制器組成有源并聯式混合儲能裝置，給出了具體的結構及運行控制策略，通過對系統實施能量管控策略，實現了儲能系統與風電場間快速、精確的功率吞吐，并充分發揮了儲能裝置各自優勢．

1 風電混合儲能系統結構及工作原理

1.1 系統結構

風電混合儲能系統結構采用有源并聯混合儲能系統，系統結構圖如圖1所示，其中混合儲能裝置由蓄電池和超級電容器構成，直流側由兩級升降壓型雙向斬波器構成充放電控制器，經由并網逆變器并聯在風電功率出口低壓側，通過快速的功率吞吐，進行風電場輸出波動功率調節，從而實現風電功率平抑[10]．

在有源并聯混合儲能系統中，DC/DC(SC)的低壓側為DC/DC(BAT)，高壓側與超級電容器并聯，DC/DC(SC)的高壓側為并網逆變器的直流接口，雙向變流器DC/DC(SC)主要用于精確控制混合儲能系統充放電總功率Pwhole的大小和方向．當風電場實際功率輸出功率Preal小于功率指令Pref時， DC/DC(SC)控制混合儲能系統以功率Pwhole=Pref-Preal釋放能量，補償風電輸出功率缺額；反之，當Preal大于Pref時，DC/DC(SC)控制混合儲能系統以Pwhole=Preal-Pref從風電場吸收多余功率，并進行儲能．DC/DC(BAT)的低壓側接蓄電池儲能裝置，其主要作用是精確調節蓄電池充放電功率的大小和方向，超級電容器位于DC/DC(SC)和DC/DC(BAT)之間，起到功率緩沖作用，實現兩個變換器的解耦．通過對DC/DC(BAT)的控制，實現蓄電池儲能裝置和超級電容器的功率分配，達到功率協調輸出．

圖1 有源并聯混合儲能系統結構圖

1.2 充放電控制器原理

通過上述分析可知，在有源并聯混合儲能系統中，兩個充放電控制器DC/DC(SC)和DC/DC(BAT)發揮不同作用，兩個充放電控制器均采用BUCK-BOOST型雙向變換器拓撲，其工作原理和具體工作模式如圖2所示，分析如下：V1、V2分別為低壓側和高壓側電源，Rs1、Rs2分別為與電源相串聯的電阻，G1、G2為系統中的主開關管，工作于通斷互補狀態，流過電感的電流用IL表示，在一個工作周期內，系統工作于四種模式．

圖2 充放電控制器工作模式

主開關管G1導通，G2斷開時，系統工作在模式1，此時IL>0，低壓側電源對電感充電，IL增大；當開關管G1斷開，G2導通時，系統工作在模式2，此時IL>0，電流沿續流二極管D2導通，高壓側電源V2提供反電動勢，電流逐漸減小；當開關管G1斷開，G2導通時，IL電流減小到零并反向時，高壓側電源電壓大于低壓側電源電壓，系統工作在模式3，電流經G2反向增大；主開關管G1導通，G2斷開，且電流IL<0時，系統工作在模式4，此時IL經續流二極管D1反向續流，低壓側電源V1提供正向電動勢，電流反向逐漸減小，四個模式形成一個工作循環周期．

根據充放電控制器的拓撲結構，蓄電池的充放電功率由蓄電池端電壓Ubat和流過變換器DC/DC(BAT)中電感電流ILbat決定，Pbat=Ubat×ILbat．混合儲能系統的充放電總功率由超級電容器端電壓USC和流過變換器DC/DC(SC)中的電感電流ILSC決定,PSC=USC×ILSC．當系統中蓄電池和超級電容器端電壓已知，通過調節變換器中開關管的占空比，實現電感電流大小和方向的調節，從而實現功率大小和方向的靈活控制．

2 能量管理策略

為了實現功率調控系統和風電場出口之間能量快速、準確交互，滿足風電功率實時平抑效果，且能最大限度地發揮混合儲能系統的作用，采用如下的能量管理規則：蓄電池儲能發揮能量密度優勢，主要用于調節穩態波動功率Psteady，超級電容器發揮功率密度和充放電響應速度優勢，主要用于調節尖峰波動功率．功率調控采用超級電容器優先充放電原則，為超級電容器設定端電壓最優工作區[Uopt_down,Uopt_up]，當超級電容器電壓處于該區域時，由超級電容器實現功率調控，蓄電池停止充放電，用以延長其使用壽命．當出現穩態波動功率Psteady波動較大，引起超級電容器偏離最優工作區時，蓄電池充放電投入運行，直至超級電容器工作于最優工作區，再切斷蓄電池充放電．

為了實現上述能量管理規則，采用圖3所示的分層控制模型，系統分為能量管理層和系統控制層，能量管理層從控制目標庫獲取控制目標，傳遞至系統控制層，由系統控制層根據相應控制算法得到控制信號，驅動DC/DC變換器．在分層模型中，控制信息庫決定了控制目標的實現和控制質量，根據蓄能狀態和釋能狀態的不同條件，進行信息庫設計，當風電場輸出功率大于發電目標指令值時，即Preal大于Pref，此時，儲能系統處于蓄能狀態，其具體控制思路如下.

圖3 能量管理分層控制模型

當判斷超級電容器電壓Ucap

當Uopt_down

當Ucap>Uopt_up時，超級電容器儲能過多，DC/DC(SC)用以吸收風電場多余功率，DC/DC(BAT)用以對蓄電池充電，吸收超級電容器中過多的能量．

當風電場實時功率輸出小于風電指令目標值時，即：Preal

當Ucap>Uopt_up，說明超級電容器能量過多，DC/DC(SC)用以控制儲能系統釋放能量，Pwhole=Pref-Preal，補充風電輸出缺額，DC/DC(BAT)控制對蓄電池充電，將超級電容器中的能量釋放到蓄電池．

當Uopt_down

當Ucap

3 結語

風能的間歇性、隨機性會導致風電場輸出功率的波動，利用儲能系統進行波動功率調節，實現風電功率平抑，具有十分重要的意義．將蓄電池和超級電容器兩種不同的儲能方式進行組合，實現儲能特性互補，提高儲能系統的整體性能，同時降低儲能系統的投資運行成本．所設計的有源并聯混合儲能系統由蓄電池、超級電容器和相應的充放電控制器組成，結構簡單，易于控制．設計的能量管理規則和分層控制模型，實現了儲能系統與風電場間快速、精確的功率吞吐，并充分發揮了儲能裝置的各自優勢．