混合储能平抑风电功率的方法研究

田凯，徐长奎

哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001

混合储能平抑风电功率的方法研究

田凯，徐长奎

哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001

由于风速变化的随机性，风电场的输出功率波动性较大，导致风电场并网会对电力系统稳定性造成影响。为了克服风电输出的波动性问题，提出一种基于混合储能装置平抑风电功率波动的控制方法。首先，对风电输出波动功率进行分解，针对波动功率的特点选择蓄电池和超级电容作为储能装置；其次，设计储能系统的运行控制方式，使其能与风电场进行快速的功率交换，使得风电场输出功率跟踪发电指令；最后，在MATLAB／SIMULINK环境下进行仿真验证。仿真结果表明该方法能够有效地平抑处理风电场输出波动功率，使得风电场输出功率稳定地跟踪发电指令，蓄电池和超级电容各自发挥优势，延长了蓄电池使用寿命。

风力发电；混合储能；蓄电池；超级电容；功率平抑

能源和环境是当今人类所面临的重要问题，新能源的并网运行受到各国重点关注，特别体现在风能和太阳能并网运行中。由于风能的不可控性，功率输出具有波动性。因此，风力发电的并网运行给电网带来一定影响，尤其是给调度部门工作提高难度［1］。

处理风电输出功率波动性的方法有许多，文献［2］采用变速变桨距方法对风机输出功率进行调节。文献［3］利用水电和火电的稳定性对风电出力波动进行补偿。文献［4］采用风光互补的方法，利用风能和太阳能分布的互补性，将二者联合输出，得到稳定的功率输出。文献［5］研究了蓄电池削减风电输出峰谷差，提高风电可靠性；文献［6］提出利用飞轮储能系统有效平缓风电场有功功率输出；文献［7-8］提出将超导储能装置运用在风电输出功率波动平抑；文献［9-10］提出基于超级电容储能装置对风电并网功率平抑系统进行建模和控制。在诸多储能方式中，蓄电池储能和超级电容器储能技术较为成熟、对工作环境要求低、运用范围广，在处理风电功率波动问题时十分实用，现如今已经成为储能装置领域中的研究热点。本文将根据湍流模型风速研究，将波动功率分解为稳定波动功率和尖峰波动功率，针对其特点选取蓄电池和超级电容器作为储能装置，设计混合储能系统，提出平抑风电波动功率的控制方法。该方法不仅可以实现对风电波动功率的平抑，而且可以克服单一蓄电池储能的问题，延长蓄电池的使用寿命，降低储能系统维护成本。

1 风功率分解及储能装置选取

风电场内推动风轮转动的是大气边界层内的风，主要运动形态为湍流，雷诺将湍流量分为平均分量和脉动分量。因此将风速v分解平均风速分量和脉动风速风量Δv。与之对应，风功率可分解为两部分：

式中：波动功率Pwave由Δv引起，指定功率Pref由引起，可预测性强。波动功率Pwave可分为稳定波动功率Psteady和尖峰波动功率Ppeak。稳定波动功率由幅值较小的Δv引起，有很大的能量，尖峰波动功率由幅值大的Δv引起，幅值较大，能量波动较小。

蓄电池具有能量密度大、循环寿命低的特点；超级电容器具有功率密度大、循环寿命长、能量密度低的特点。针对波动功率的能量特点，本文选取蓄电池和超级电容作为储能装置。

2 储能系统

2.1 储能系统基本结构及原理

储能系统在风电场中应用的结构如图1所示。

图1 储能系统在风电场中应用结构

储能系统由蓄电池和超级电容器组成，通过三相整流／逆变器并联在风电场出口，图中DC／DC（A）、DC／DC（B）分别为超级电容和蓄电池的控制器，风电波动功率Pwave作为控制系统误差信号：

当Pwave大于0时，储能系统吸收能量；当Pwave小于0时，储能系统输出能量，通过储能系统的充放电来减弱风电场输出功率的波动。

在控制储能系统充放电的过程中，控制器采用双向斩波器结构，如图2所示。

图2 双向斩波器结构

蓄电池和超级电容的充放电控制器都是由双向斩波器构成，蓄电池和超级电容分别接在双向斩波器DC／DC（B）和DC／DC（A）的低压侧。DC／DC（B）负责始终维持蓄电池充放电电流大小恒定，延长蓄电池寿命。DC／DC（A）负责控制超级电容器与风电场间能量交换，平抑的风电波动功率。

2.2 储能系统特性分析

根据蓄电池和超级电容的特点，超级电容器可以用于平抑尖峰波动功率Ppeak，蓄电池可以用于平抑稳态波动功率Psteady。

混合储能系统由蓄电池和超级电容组合而成，储能系统总容量为Ewhole，蓄电池容量为Ebat，超级电容容量为Ecap，三者之间关系如下：

系统能量密度可表示为

功率密度可表示为

式中：E′bat表示蓄电池能量密度；E′cap表示超级电容能量密度；P′bat表示蓄电池功率密度；P′cap表示超级电容的功率密度。

由于蓄电池具有能量密度大和功率密度小的特点，超级电容具有能量密度小和功率密度大的特点，得到以下结论：

综上所述，储能系统具有超级电容的高功率密度，同时具有蓄电池的高能量密度的特点，符合储能系统处理波动功率的要求。

3 储能系统运行方式

储能系统控制框图如图3所示。

图3 储能系统控制框图

3.1 储能系统充放电控制器任务分配

将发电指令目标Pref与实际功率Preal作比较：Pwhole的正负决定储能系统的运行状态：当Pwhole＞0时，系统蓄能；当Pwhole＜0时，系统释能。

DC／DC（A）任务是控制Pwhole，DC／DC（A）低压侧是超级电容端电压Ucap，采用电流环控制方法，控制目标为

DC／DC（B）任务是控制蓄电池充放电功率，控制目标为蓄电池额定充放电电流。

3.2 储能系统内部功率控制任务分配

1）储能系统平抑Ppeak

Ppeak幅值较大，但能量波动较小，在平抑过程中需要储能系统快速响应，频繁的完成充放电工作，因此超级电容器可以独自承担对Ppeak的平抑。此时，储能系统内部的功率关系为：

为完成功率分配任务，应遵循超级电容优先充放电的原则：设定超级电容最优工作范围为［Uopt_down，Uopt_up］，在最优工作范围内，蓄电池停止充放电工作，超级电容单独工作。

2）平抑Psteady时内部功率分配

由于Psteady能量很大，需要系统大量能量吞吐，可能导致Ucap偏离最优工作范围。此时，蓄电池以额定电流进行蓄能或者释能，维持Ucap在最优工作范围。

调节Psteady时，储能系统的内部功率关系为

1）当储能系统与蓄电池同时都进行能量存储或者释放时

Pcap的方向取决于｜Pwhole｜和｜Pbat｜的大小关系：｜Pwhole｜＞｜Pbat｜时，二者方向相同；当｜Pwhole｜＜｜Pbat｜时，二者方向相反。

2）当Pwhole和Pbat的方向相反时

Pbat和Pbat的方向相同。

实现方法：设定蓄电池停止对超级电容辅助的状态工作点为

当Ucap＞Uopt_up时，蓄电池需要吸收超级电容的能量，此时蓄电池以额定电流Irate充电，直到超级电容端电压Ucap＝Uopt，蓄电池停止充电；当Ucap＜Uopt_down时，蓄电池需要对超级电容释放能量，蓄电池以额定电流Irate放电，直到Ucap＝Uopt，蓄电池停止放电。

4 仿真验证

为了验证理论的正确性，在MATLAB／SIMU-LINK环境下对系统进行仿真，具体仿真参数如下：蓄电池容量为300 V／3 000 Ah，蓄电池充放电电流大小为1 200 A，电容选取100 F，初始电压为600 V，最优工作区域为［450 700］，电压调整点580 V。

图4中曲线为50 MW风电场在一天中某个10 min的功率输出数据，在此期间风电场发电目标为Pref＝1.5 MW，风电场实时功率吞吐曲线如图5所示。将2条曲线对比可见，二者具有互补性：当Preal大于实时发电指令目标Pref时，储能系统吸收风电场输出的过多的能量，Pwhole＜0；当Preal小于Pref时，储能系统释放能量，补偿风电功率的不足，Pwhole＞0。风电场输出功率经调节后输出曲线如图6所示。

图4 实际风电功率曲线

图5 储能系统平抑总功率

图6 调节后风电场功率输出曲线

由图可见，通过储能系统快速、精确地功率吞吐，风电场输出功率调节后稳定于1.5 MW，即平稳地跟踪了发电指令，波动大小为1.4%，证明了控制方法的有效性。

在储能系统整个工作过程中，蓄电池和超级电容工作情况如图7、8所示。

由图7可以看出：当超级电容端电压Ucap处于最优工作区域［450 700］内时，蓄电池充放电电流为0，蓄电池停止充放电，系统中超级电容器单独工作，完成对风电波动功率的平抑；当超级电容器的端电压大于700 V时，蓄电池充放电电流为－1 200 A，处于充电状态，系统将超级电容器的能量向蓄电池反向转移，直到超级电容端电压降低到580 V为止；当超级电容器端电压小于450 V时，蓄电池充放电电流为1 200 A，处于放电状态，系统将蓄电池中能量向超级电容中转移，直到超级电容端电压上升到580 V为止。

图7 超级电容端电压曲线

图8 蓄电池充放电电流波形

如图8所示，在系统仿真10 min内，蓄电池充放电时间为110 s，在大部分时间内储能系统通过超级电容来完成功率吞吐，有效地减少了蓄电池充放电次数，可以延长使用寿命，从而降低储能系统的维护成本。

5 结束语

本文对风电波动功率进行分解，针对分解后的功率特点选择储能元件并设计了混合储能系统，利用储能系统对波动功率进行平抑控制仿真。仿真结果表明，所设计的混合储能系统可以与风电场进行精确的功率交换，对风电波动功率进行平抑处理，使得风电场的实际功率输出能够平稳地跟踪发电指令，有利于电网的稳定性。

［1］叶杭冶.风力发电系统设计、运行与维护［M］.北京：电子工业出版社，2011：30-31.

［2］李娜，许平.变速变桨距双馈风力发电技术研究［J］.机械制造与自动化，2014（1）：180-182.

［3］王开艳.清洁能源优先的风—水—火电力系统联合优化调度［J］.中国电机工程学报，2013（5）：3-4.

［4］胡庆有.含大规模风光互补电力的电力系统动态经济调度研究［D］.成都：西南交通大学，2013：16-17.

［5］李蓓，郭剑波.平抑风电功率的电池储能系统控制策略［J］.电网技术，2012（8）：39-40.

［6］向荣，王晓茹.基于飞轮储能的并网风电场有功功率频率控制方法研究［J］.系统科学与数学，2012（4）：19-21.

［7］闫广新，王凯.超导储能装置应用于风电场平滑功率输出的研究［J］.四川电力技术，2014（1）：77-78.

［8］张靠社，李琼.超导储能系统提高风电场暂态稳定性研究［J］.电网与清洁能源，2011（1）：72-75.

［9］郭学英，郑建勇，徐友.基于超级电容储能的风电并网功率调节控制系统［J］.可再生能源，2011（2）：28-29.

［10］李霄，胡长生，刘昌金，等.基于超级电容储能的风电场功率调节系统建模与控制［J］.电力系统自动化，2009，33（9）：86-90.

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.

田凯（1972-），男，副教授；徐长奎（1988-），男，硕士研究生.

徐长奎，E-mail：ai05518＠126.com.

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