基于混合储能的风力发电系统功率波动抑制策略研究

高宏杰

（国电山西洁能有限公司，山西 朔州 036800）

风力发电由于其清洁性、可再生性等特点得到了越来越广泛的应用。由于风力发电存在波动性和随机性，造成了输出功率同样存在波动性，这对电能质量造成了一定程度的影响[1－2]。本文将储能单元引入到风力发电系统中，对风力发电输出功率的波动进行有针对性的补偿，从而实现对风力发电系统功率波动的抑制[3－4]。本文所提出的功率波动抑制策略是基于一阶滤波器对波动的功率进行高频和低频的分离，然后分别进行处理，因此储能单元的合理利用对于抑制风力发电系统的功率波动具有重要意义[5－6]。

1 混合储能风力发电系统结构

如图1所示为混合储能风力发电系统结构图，风力发电单元分为网侧和机侧两部分[7]。超级电容和蓄电池两种储能单元分别通过双向DC／DC变换器接入到中间直流母线，由双向DC／DC变换器控制超级电容和蓄电池的充电和放电。混合储能风力发电系统可以工作在独立模式和并网模式下[8]，当电网侧开关处于断开状态时工作在独立模式下，当电网侧开关闭合时工作在并网模式下。

图1 混和储能风力发电系统结构图

储能单元的接入使风力发电系统供电的可靠性和灵活性得到了显著提高[9－10]。当混合储能风力发电系统工作在独立模式下时，风力发电单元和储能单元同时向负载提供电能。当负载突变或风机捕获功率突变时，负载所消耗的功率与混合风力发电单元的输出功率不匹配，由储能单元对功率不匹配部分进行补偿[11]。当混合储能风力发电系统工作在并网模式下时，风机捕获到的风能通过永磁同步电机和风力发电变流器变换为电能后接入到电网，储能单元对风力发电单元的功率波动进行补偿，从而满足并网运行条件以及电力系统的能量调度需求[12]。

2 基于一阶滤波器法的混合储能控制策略

基于一阶滤波器法的超级电容电流指令值运算框图如图2所示，将风力发电系统中的功率波动分解为高频分量和低频分量两部分。超级电容负责补偿高频分量，蓄电池负责补偿低频分量，同时也负责稳定直流母线电压。超级电容控制部分采用单闭环控制，通过对超级电容储能功率计算、高频分量提取等得到电流指令值，再与电流实际值做差后经过电流控制器得到DC／DC变换器的PWM控制信号，最终通过超级电容的电流对功率波动的高频分量进行补偿。蓄电池控制部分采用双闭环控制，内环为电流环，外环为电压环，直流母线电压的指令值与实际值之差经过电压控制器的输出作为电流指令，与电流实际值做差后经过电流控制器得到DC／DC变换器的PWM控制信号。此外，在控制中引入了电流前馈和PWM控制前馈，进一步提高了控制系统的动态响应效果。

图2 超级电容电流指令值运算框图

由此可以得到含有储能单元的风力发电系统的功率平衡方程为：

其中，PW为风机捕获到的风能功率，PCN为储能单元的功率（正号代表输出功率，负号代表输入功率），PTCMD为功率控制指令值。工作在独立模式下时，功率控制指令值就是负载功率，即PTCMD＝PL；工作在并网模式下时，PTCMD＝PW[ω0／（s＋ω0）]，其中ω0为实现高频分量和低频分量分离的一阶滤波器的转折频率。由此可以推导出实现高频分量和低频分量分离的一阶滤波器的表达式为：

其中，PSC为超级电容补偿功率波动的功率，PBT为蓄电池补偿功率波动的功率，经推导得到超级电容的电流指令值为：

超级电容电流指令值运算框图如图2所示。

为了抑制储能单元接口DC／DC变换器对功率波动的影响，引入占空比前馈控制策略，其表达式为：

为了进一步减小风力发电系统中风能功率波动对直流母线电压的影响，提高储能单元对功率波动抑制的动态响应能力，引入电流前馈控制策略，推导得到蓄电池接口DC／DC变换器的电流前馈表达式为：

3 超级电容端电压限制策略

其应基于以下三个方面的原因考虑：

（1）双向DC／DC变换器的工作效率问题导致超级电容容量存在一定的误差。

（2）异常情况下，直流母线的功率波动可能超过允许上限。

（3）直流母线功率波动出现上限值的概率极小。

因此，需要采用合理的方法对超级电容的容量进行修正。上述三个原因导致超级电容在运行中会达到功率上下限值，这样就会使超级电容的功率波动抑制能力削弱。为了解决此问题，有必要对超级电容的端电压采取预控制措施，限制其达到上下限值。超级电容端电压预控制框图如图3所示。

图3 超级电容端电压预控制框图

储能单元的功率PCN经过一阶滤波器后得到修正前超级电容功率指令值的稳态分量PSC＿CMD＿S，再将这个稳态分量和超级电容的端电压值USC送入到电压预控制模块处理后得到功率修正值△PSC，将其与修正前超级电容功率指令值的稳态分量PSC＿CMD＿S相加，得到修正前超级电容功率指令值PSC＿CMD。

超级电容端电压预控制的原理是超级电容端电压值达到上下限值之前，对超级电容功率指令值进行修正，以保证超级电容端电压值波动程度更小，不超过上下限值。

USC＿MAX和USC＿MIN分别为超级电容端电压的上限值和下限值，USC＿UP和USC＿DOMN分别为超级电容端电压预控制的上下阈值，这四个参数将超级电容的工作划分为以下5种情况：

（1）当USC＞USC＿MAX时，即超级电容端电压值超过超级电容端电压的上限值，开始进行放电，功率修正值表达式为：

（2）当USC＿MAX≥USC≥USC＿UP时，即超级电容端电压值超过超级电容端电压预控制上阈值，不超过超级电容端电压上限值，要控制超级电容端电压的上升速度，少充电多放电，功率修正值表达式为：

（3）当USC＿UP＞USC＞USC＿DOWN时，即超级电容端电压值超过超级电容端电压预控制下阈值，不超过超级电容端电压预控制上阈值，超级电容端电压处于正常范围内，不需要进行调节，功率修正值的表达式为：

（4）当USC＿DOWN≥USC≥USC＿MIN时，即超级电容端电压值超过超级电容端电压下限值，不超过超级电容端电压预控制上阈值，要控制超级电容端电压的下降速度，多充电少放电，功率修正值表达式为：

（5）当USC＿MIN＞USC时，即超级电容端电压值不超过超级电容端电压的下限值，开始进行充电，功率修正值表达式为：

USC＿UP和USC＿DOWN的取值会对超级电容和功率波动的抑制效果产生影响。USC＿UP过小（USC＿DOWN过大）会导致超级电容的正常工作范围变小，超级电容对波动功率的高频分量的抑制效果减弱。USC＿UP过大（USC＿DOWN过小）会导致超级电容端电压预控制阈值到超级电容端电压限值之间的裕度变小。

4 实例验证

基于混合储能的风力发电系统主电路元器件参数表如表1所示。

表1 主电路元器件参数表

假设系统负载恒定不变，风速的变化引起风力发电系统出现功率波动，风速在0．1s时由6m／s突降为3m／s，在0．2s时由3m／s突升为5m／s，得到直流母线电压、超级电容电流、蓄电池电流的高压试验波形图如图4所示。

图4 高压试验波形

通过高压试验波形可知，超级电容能够对由风速变化导致的功率波动中的高频分量起到抑制作用，母线电压控制较好，波动很小，蓄电池电流控制效果良好，电流响应速度很快，并且不存在超调，动态响应效果良好。

5 结论

由于风力发电存在波动性、随机性等特点，造成了输出电能质量较低，不能够满足用户和电网需求。为此，本文提出了基于混合储能对风力发电系统功率波动进行抑制的策略。通过一阶滤波器实现风力发电系统波动功率的分解，对分解出的高频分量和低频分量分别进行处理，充分发挥了超级电容和蓄电池的工作特性，并参与到输出功率的调节中。本文提出的超级电容端电压限制策略有效起到了保护超级电容、延长其使用寿命的作用。经过高压试验验证，本文所提出的基于混合储能的风力发电系统功率波动抑制策略能够有效抑制风力发电系统的功率波动，对风力发电系统的安全、可靠、稳定运行起到了积极作用。