儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

山西能源學(xué)院能源與動(dòng)力工程系 蘇曼婷 劉志剛 王迎春 范敏鈞

可持續(xù)發(fā)展模式在當(dāng)前社會(huì)生產(chǎn)中占據(jù)重要位置，其中風(fēng)能因?yàn)榫哂星鍧崱⒖稍偕葍?yōu)點(diǎn)成為新能源發(fā)展的新方向。但風(fēng)能受到氣象條件、地理環(huán)境等因素影響，具有一定的波動(dòng)性、間接性特征，存在發(fā)電量不穩(wěn)定的特征，而解決上述問(wèn)題，需要采取一定補(bǔ)償措施盡可能實(shí)現(xiàn)風(fēng)電輸出功率平滑。而儲(chǔ)能設(shè)備及其相關(guān)電力電子技術(shù)的出現(xiàn)則充分滿(mǎn)足了上述要求，是實(shí)現(xiàn)風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵，值得關(guān)注。

1 常見(jiàn)儲(chǔ)能技術(shù)分析

蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)。該技術(shù)以電化學(xué)形式儲(chǔ)能，是較為常見(jiàn)的儲(chǔ)能手段，常見(jiàn)技術(shù)類(lèi)型包括鎳氫電池技術(shù)、鉛酸電池技術(shù)與鋰電池等。根據(jù)相關(guān)學(xué)者對(duì)蓄電池技術(shù)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，隨著蓄電池技術(shù)不斷成熟，該技術(shù)能量密度大、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被社會(huì)所關(guān)注，加之該技術(shù)整體成本偏低，也為該技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)[1]。但該技術(shù)存在明顯缺陷，如壽命短，加之蓄電池生產(chǎn)制作中使用了有害金屬，可能造成環(huán)境污染。

超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)。文獻(xiàn)[2]對(duì)超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的可行性展開(kāi)分析，認(rèn)為該技術(shù)的核心思路為：用超導(dǎo)材料制成的線(xiàn)圈把電網(wǎng)供給的電能磁場(chǎng)能量的形式儲(chǔ)存，在需要的時(shí)再將此電磁能量轉(zhuǎn)換為電能釋放出來(lái)即可。與常規(guī)技術(shù)相比，超導(dǎo)儲(chǔ)能具有更高的充放電效率，且使用年限長(zhǎng)，可在較短時(shí)間內(nèi)提供較大功率，具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

超級(jí)電容器技術(shù)。與傳統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)方案相比，超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)具有能量存儲(chǔ)量大、耐壓能力好的技術(shù)特點(diǎn)，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：一是具有更大的功率密度，可滿(mǎn)足多次循環(huán)充放電的要求，且整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行速度更快。二是該儲(chǔ)能技術(shù)架構(gòu)的維護(hù)工作量少、系統(tǒng)穩(wěn)定性高，這也為技術(shù)推廣奠定了良好基礎(chǔ)。

混合儲(chǔ)能技術(shù)。有學(xué)者認(rèn)為，考慮到單一的儲(chǔ)能裝置在技術(shù)上存在一定的限制，無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足高功率密度、高能量密度、高儲(chǔ)能效率等方面的要求，所以應(yīng)整合不同儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)性能互補(bǔ)，構(gòu)建的混合儲(chǔ)能架構(gòu)可兼顧技術(shù)性能優(yōu)勢(shì)與經(jīng)濟(jì)性的要求，在兼顧儲(chǔ)能系統(tǒng)放電能力的同時(shí)，也要盡可能延長(zhǎng)使用年限，保證儲(chǔ)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[3]。

2 合儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略

2.1 蓄電池的設(shè)計(jì)思路

在風(fēng)力發(fā)電中，考慮到風(fēng)能具有隨機(jī)性特征，所以為平抑風(fēng)能輸出功率，在儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮兩個(gè)關(guān)鍵條件，即可以提供長(zhǎng)期功率支持，也具有補(bǔ)償短期高頻功率波動(dòng)的特性。通過(guò)對(duì)當(dāng)前常見(jiàn)儲(chǔ)能技術(shù)的研究可以發(fā)現(xiàn)，超級(jí)電容技術(shù)具有容量小的特征，可滿(mǎn)足電力系統(tǒng)頻繁充放電的操作要求，并且該技術(shù)方案在補(bǔ)償高頻功率波動(dòng)上具有顯著優(yōu)勢(shì)。而傳統(tǒng)的蓄電池組技術(shù)方案雖然無(wú)法滿(mǎn)足頻繁充放電的要求，但作為一種穩(wěn)定的儲(chǔ)能手段，該技術(shù)可為風(fēng)力發(fā)電提供長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的功率支持。基于對(duì)上述不同方案的先進(jìn)性的考慮，在本次混合儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將采用超級(jí)電容器+蓄電池組的設(shè)計(jì)方案。

2.2 蓄電池模型實(shí)現(xiàn)

本文所設(shè)計(jì)的蓄電池模型將電池?fù)p耗分為等效內(nèi)阻損耗與寄生功率損耗兩方面，并依靠受控源體現(xiàn)電池性能。與傳統(tǒng)蓄電池控制方案相比，本文所設(shè)計(jì)的電池模型可滿(mǎn)足電池荷電狀態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量的要求，為自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)控蓄電池運(yùn)行狀態(tài)奠定良好基礎(chǔ)。

本次設(shè)計(jì)中采用了兩個(gè)電阻共同實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中的等效內(nèi)阻，包含了傳輸電阻、薄膜電阻、反應(yīng)動(dòng)力等因素造成的總損耗。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用了多個(gè)電池單元串聯(lián)模式，假設(shè)單體電池的電壓表示為Ucell，整個(gè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中共設(shè)有n 個(gè)相同的電池，則串聯(lián)后儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓計(jì)算方式如公式：Ucs=nUcell，式中：Ucs表示儲(chǔ)能系統(tǒng)電池堆電壓值。同時(shí)Ucell與電池荷電狀態(tài)存在密切關(guān)系，則其計(jì)算方法如下：

式中：SOC 表示電池的荷電狀態(tài)；Ueq表示電池正負(fù)極標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)；R 表示氣體常數(shù)；T 表示溫度；F 表示拉法第常數(shù)。根據(jù)本式所介紹的關(guān)系式可以發(fā)現(xiàn)，本次設(shè)計(jì)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中，其性能受到電池電荷狀態(tài)、單體電池?cái)?shù)量等因素影響，此時(shí)為確保蓄電池整體性能穩(wěn)定，則電池組的端電壓應(yīng)滿(mǎn)足以下公式的計(jì)算要求：Ub=Ues-In（Rreocion+Rresisive），式中：Rreocion與Rresisive分別表示混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中的兩個(gè)電阻；Ub表示電池組的端電壓。

2.3 電池控制策略

由于本次混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中采用了超級(jí)電容器模型，所以在電池控制策略上應(yīng)確保電池荷電狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，此時(shí)SOC 的計(jì)算方式如下公式所示：

Soc=U-Umin/Umax-Umin

式中：U 表示超級(jí)電容放電時(shí)的電壓；Umin表示超級(jí)電容放電時(shí)電壓的最小值；Umax表示超級(jí)電容放電時(shí)電壓的最大值。

為更好地滿(mǎn)足儲(chǔ)能系統(tǒng)控制要求，本次設(shè)計(jì)中采用超級(jí)電容器與雙饋風(fēng)機(jī)PWM 變換器，通過(guò)直流環(huán)節(jié)連接的方式，將儲(chǔ)能系統(tǒng)連接到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，此時(shí)考慮到超級(jí)電容器運(yùn)行期間會(huì)導(dǎo)致端電壓發(fā)生改變，為保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可考慮引入Buck-Boost 直流斬波電路，該電路的功能是連接電力系統(tǒng)的直流環(huán)節(jié)與電容器，在整體電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，利用介入式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可減少風(fēng)電系統(tǒng)產(chǎn)生的短期功率波動(dòng)問(wèn)題，并確保整個(gè)電力系統(tǒng)中直流母線(xiàn)強(qiáng)度理想，此時(shí)Buck-Boost 直流斬波電路的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 Buck-Boost 直流斬波電路架構(gòu)圖

在圖1所介紹的電路架構(gòu)中，可通過(guò)控制兩個(gè)可控晶閘管調(diào)整超級(jí)電容器的充放電狀態(tài)。其中，在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的正常工況下，系統(tǒng)通過(guò)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)使S1進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，確保電能可在直流環(huán)節(jié)中向超級(jí)電容器中釋放電能；隨著超級(jí)電容器中的儲(chǔ)能逐漸達(dá)到峰值，系統(tǒng)發(fā)送閉合系統(tǒng)，在接收觸發(fā)信號(hào)后S1進(jìn)入閉合狀態(tài)。但在S1閉合之后風(fēng)能會(huì)持續(xù)向系統(tǒng)輸送電能，且電感中的電流無(wú)法突變，此時(shí)電感與S2反并聯(lián)二極管構(gòu)成回路，繼續(xù)執(zhí)行超級(jí)電容充電過(guò)程，該過(guò)程會(huì)支出到開(kāi)關(guān)管S1重新恢復(fù)導(dǎo)通，或者能量消失，反之亦然。

由此可見(jiàn)，在圖1所介紹的電路架構(gòu)可控制兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的通斷即可控制電路的功率流向，而控制開(kāi)關(guān)管具體的占空比就可控制充放電功率的大小。而為確保圖1所介紹的電路架構(gòu)能穩(wěn)定持續(xù)地運(yùn)行，應(yīng)嚴(yán)格控制電路架構(gòu)的允許最大電流平均值，其計(jì)算方法如以下公式所示：

式中：imax表示直流斬波電路的允許最大電流平均值；T 表示超級(jí)電容器設(shè)定的補(bǔ)償周期時(shí)間；udc風(fēng)機(jī)直流環(huán)節(jié)的電壓值；uess表示超級(jí)電容器的電壓值；L 表示電路進(jìn)線(xiàn)的實(shí)測(cè)電感值。

2.4 儲(chǔ)能平抑風(fēng)電功率波動(dòng)控制策略

考慮到風(fēng)能輸出的不穩(wěn)定性，而合理運(yùn)用儲(chǔ)能裝置則可平抑風(fēng)電輸出的功率波動(dòng)，達(dá)到提升系統(tǒng)平滑度的效果，這是適應(yīng)未來(lái)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的關(guān)鍵。目前，較為常見(jiàn)的方法包括：在采用單一儲(chǔ)能裝置平抑功率時(shí)，可通過(guò)低通濾波器分離補(bǔ)償功率；在采用混合儲(chǔ)能平抑功率時(shí)，則可通過(guò)高通濾波器與低通濾波器將補(bǔ)償功率的低頻與高頻部分分離出來(lái)。同時(shí)，需要注意的是，在儲(chǔ)能平抑風(fēng)電功率波動(dòng)控制策略中，可利用低通濾波器獲得期望輸出功率，但在實(shí)際操作中無(wú)法完全杜絕延遲效應(yīng)等因素的影響，這一現(xiàn)象則會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)償后的功率值與實(shí)際值不相符，導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)際需要的儲(chǔ)能裝置容量更大。

為解決因?yàn)樯鲜鰡?wèn)題造成的數(shù)據(jù)差異，本次研究中將引入移動(dòng)平均值算法，作為一種現(xiàn)代數(shù)據(jù)分析方法，不同于傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的分段，該技術(shù)可根據(jù)時(shí)間軸對(duì)數(shù)據(jù)流程進(jìn)行推移，在持續(xù)獲得固定量數(shù)據(jù)后即可對(duì)最終結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。由此可見(jiàn)，該算法可以提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)平均值，且數(shù)據(jù)平滑效果好，可消除因?yàn)楦蓴_項(xiàng)等問(wèn)題對(duì)最終結(jié)果的精度影響，并綜合體現(xiàn)數(shù)據(jù)變化規(guī)律。基于移動(dòng)平均值算法的要求，在計(jì)算風(fēng)電輸出平滑值溝通率中可采用以下公式的計(jì)算方法：

基于上述關(guān)系式可以判斷，隨著n 取值不斷增加，m 取值減少，則儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的期望功率越平滑。同時(shí)，m 的取值也是影響期望功率的重要因素，若m 的取值偏低，則會(huì)導(dǎo)致曲線(xiàn)出現(xiàn)明顯的鋸齒狀波形。同理為實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，則應(yīng)保證期望功率的平滑度良好，也能與原輸出功率曲線(xiàn)保持滿(mǎn)意的等值性。

3 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

本次仿真驗(yàn)證中采用MATLAC/Simulink 軟件，在該軟件中構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，在模型運(yùn)算中設(shè)定移動(dòng)時(shí)間尺度n=2s，m=10%。儲(chǔ)能裝置的仿真設(shè)定方案見(jiàn)表1。

表1 混合儲(chǔ)能裝置的仿真功能設(shè)定方案

同時(shí)，為更方便地觀察混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，以及電池荷電狀態(tài)SOC 的變化情況，在本次仿真研究中設(shè)定蓄電池容量偏低，確保整個(gè)仿真過(guò)程可在更短時(shí)間達(dá)到較大幅度變化的目的。另外，設(shè)定該混合儲(chǔ)能系統(tǒng)電池荷電狀態(tài)SOC 的正常值取值范圍為15.0%～85.0%，超級(jí)電容器的補(bǔ)償周期為0.004s。

基于上述要求，先對(duì)蓄電池系統(tǒng)的SOC 變化情況進(jìn)行仿真模擬，最終模擬結(jié)果顯示，蓄電池補(bǔ)償功率曲線(xiàn)出現(xiàn)了較為明顯的數(shù)據(jù)波動(dòng)情況，有明顯的鋸齒狀波形，證明在蓄電池補(bǔ)償功率情況下，SOC的整體情況不穩(wěn)定。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，整個(gè)仿真過(guò)程以10s 為一個(gè)周期，其中當(dāng)仿真進(jìn)行至6～8s 時(shí)，SOC已經(jīng)下降至10.4%～12.1%左右，明顯偏離正常取值范圍。此時(shí)，蓄電池處于嚴(yán)重的過(guò)充或者過(guò)放狀態(tài)，若不能及時(shí)采取有效措施將會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)使用年限縮短，不利于保證系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

之后引入混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，系統(tǒng)模擬不同時(shí)間段的補(bǔ)償功率變化情況，相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比，在不同仿真時(shí)間（s）補(bǔ)償前/后的風(fēng)電輸出功率情況（單位：×105W）結(jié)果如下：0/11.0/11.0、2/9.54 /11.2、4/11.3/10.9、6/8.3/10.4、8/9.4/10.2、10/10.8/10.0。根據(jù)以上對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用效果的現(xiàn)場(chǎng)模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在通過(guò)該儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償后，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償后的輸出功率相對(duì)平滑，整體波動(dòng)幅度與補(bǔ)償前相比整體偏低。

4 創(chuàng)新性評(píng)價(jià)

本文基于蓄電池組技術(shù)、超級(jí)電容器技術(shù)所構(gòu)建的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在操作上具有可行性，整個(gè)數(shù)據(jù)處理中通過(guò)移動(dòng)平均值算法解決了常規(guī)技術(shù)存在的數(shù)據(jù)異常波動(dòng)情況，并且最終時(shí)間結(jié)果也顯示，該混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)補(bǔ)償中具有可行性，經(jīng)儲(chǔ)能裝置補(bǔ)償后，使風(fēng)電輸出功率相對(duì)平滑，對(duì)于延長(zhǎng)蓄電池組使用年限、提升系統(tǒng)穩(wěn)定性的效果顯著。