趙興勇, 王 帥, 楊 濤, 吳新華, 劉 豹, 陳浩宇

(1. 山西大學(xué) 電力工程系,山西 太原 030013; 2. 國(guó)網(wǎng)太原市電力公司,山西 太原 030000)

平抑風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)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(xué) 電力工程系,山西 太原 030013; 2. 國(guó)網(wǎng)太原市電力公司,山西 太原 030000)

隨著風(fēng)力發(fā)電所占發(fā)電比例的上升，其隨機(jī)性、波動(dòng)性及間歇性對(duì)電網(wǎng)的影響不可忽視。基于超級(jí)電容和蓄電池組成的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，提出了一種用于抑制風(fēng)電功率波動(dòng)的自適應(yīng)復(fù)合儲(chǔ)能控制策略，通過引入超級(jí)電容荷電狀態(tài)反饋來實(shí)施對(duì)低通/高通濾波器時(shí)間常數(shù)的控制，在完成對(duì)風(fēng)電波動(dòng)功率平抑的同時(shí)，合理分配平抑功率，避免超級(jí)電容過充過放。最后通過仿真，針對(duì)春夏秋冬不同時(shí)間窗口下的功率波動(dòng)進(jìn)行平抑，驗(yàn)證了所提自適應(yīng)控制策略的有效性。

風(fēng)電場(chǎng)； 復(fù)合儲(chǔ)能； 超級(jí)電容； 蓄電池； 自適應(yīng)控制

0 引 言

隨著風(fēng)能的大規(guī)模開發(fā)利用，風(fēng)力發(fā)電所占發(fā)電比例越來越高。但是風(fēng)力發(fā)電具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性等特征，會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的后果。如何使風(fēng)力發(fā)電靈活地并入電網(wǎng)，減少對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的沖擊，更加有效地利用風(fēng)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(fēng)機(jī)自身調(diào)節(jié)如改變槳距角、加裝卸荷裝置等，這種方法會(huì)使得功率波動(dòng)得到改善，但降低了風(fēng)能利用率；另一種是配備儲(chǔ)能系統(tǒng)，儲(chǔ)能具有良好的四象限吞吐能力，可以將發(fā)電和用電從時(shí)間和空間上分割開來，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高風(fēng)能利用率，所以說儲(chǔ)能是最有效且最值得提倡的途徑。采用的儲(chǔ)能方式主要有單一儲(chǔ)能和復(fù)合儲(chǔ)能兩種。復(fù)合儲(chǔ)能相對(duì)來說，具有良好的工作特性。其采用了不同類型的儲(chǔ)能元件(功率型儲(chǔ)能元件和能量型儲(chǔ)能元件)來平抑風(fēng)電場(chǎng)的功率波動(dòng)。功率型儲(chǔ)能元件承擔(dān)波動(dòng)中的高頻部分，這一部分波動(dòng)劇烈，但所需的容量并不大；能量型儲(chǔ)能元件主要承擔(dān)波動(dòng)中的低頻部分，這一部分波動(dòng)緩慢，但所需容量較大[1-3]。現(xiàn)已有很多文獻(xiàn)對(duì)復(fù)合儲(chǔ)能的控制策略進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]針對(duì)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行與孤島運(yùn)行方式之間的切換，提出一種含復(fù)合儲(chǔ)能裝置的微電網(wǎng)優(yōu)化控制策略，但其主要考慮了在并網(wǎng)和孤網(wǎng)切換之間復(fù)合儲(chǔ)能控制策略，在正常情況下微電網(wǎng)中的波動(dòng)功率如何分配并沒有考慮。文獻(xiàn)[5]對(duì)全釩液流電池和超級(jí)電容的等效電路模型、充放電特性、協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行了研究，但其在協(xié)調(diào)控制策略選擇上只是考慮了傳統(tǒng)的控制策略。文獻(xiàn)[6]根據(jù)蓄電池和超級(jí)電容的荷電狀態(tài)，采用模糊控制理論將超出目標(biāo)值的功率偏差在兩種儲(chǔ)能介質(zhì)之間進(jìn)行分配，但其在控制過程中以削減平抑目標(biāo)為代價(jià)，不能夠充分利用可再生能源。文獻(xiàn)[7]提出一種雙層控制模型，根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)電功率及儲(chǔ)能元件的荷電狀態(tài)，采用相應(yīng)的控制算法進(jìn)行控制，但是其過度依賴專家信息庫(kù)的設(shè)計(jì)，并且對(duì)快速性和實(shí)時(shí)性要求較高。本文從經(jīng)濟(jì)性和適用性兩方面進(jìn)行考慮，對(duì)復(fù)合儲(chǔ)能控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)。

針對(duì)超級(jí)電容和蓄電池復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，本文提出一種自適應(yīng)復(fù)合儲(chǔ)能控制策略。通過引入超級(jí)電容荷電狀態(tài)反饋來實(shí)施對(duì)低通和高通濾波器時(shí)間常數(shù)的控制，在完成對(duì)波動(dòng)功率平抑的同時(shí)，合理分配平抑功率，避免超級(jí)電容過充過放。最后通過仿真，對(duì)春夏秋冬不同時(shí)間窗口下的功率輸出波動(dòng)進(jìn)行平抑，驗(yàn)證了所提控制策略的自適應(yīng)能力。

1 基于復(fù)合儲(chǔ)能的風(fēng)電系統(tǒng)

1. 1 風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型及控制器

風(fēng)電系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、同步發(fā)電機(jī)、機(jī)側(cè)整流器及網(wǎng)側(cè)逆變器構(gòu)成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[8]。

圖1 風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

機(jī)側(cè)整流器和網(wǎng)側(cè)逆變器的控制器框圖如圖2、圖3所示。機(jī)側(cè)整流器通過控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩來調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而捕獲最大風(fēng)能。采用的是速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，轉(zhuǎn)速參考值可以通過最大功率跟蹤控制算法得到。網(wǎng)側(cè)逆變器采用基于電網(wǎng)電壓的dq解耦雙環(huán)控制，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，外環(huán)是功率環(huán)。功率參考值即為經(jīng)過復(fù)合儲(chǔ)能補(bǔ)償后期望得到的并網(wǎng)功率。圖2、圖3中，Isd、Isq分別為同步發(fā)電機(jī)側(cè)電流的d軸、q軸分量，ωm、ωe分別為機(jī)械角速度和電角速度，Ptotal為并網(wǎng)功率，Id,total、Iq,total為并網(wǎng)電流的d軸、q軸分量。

圖2 機(jī)側(cè)整流器控制框圖

圖3 網(wǎng)側(cè)逆變器控制框圖

1. 2 復(fù)合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)模型及控制器

采用超級(jí)電容和蓄電池的復(fù)合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)如圖4所示[9-10]。超級(jí)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(shí)現(xiàn)充放電控制，上面管子導(dǎo)通時(shí)，逆變器處于充電模式；下面管子導(dǎo)通時(shí)，逆變器處于放電模式。

設(shè)管子的占空比為d。超級(jí)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(huán)和電壓內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方式對(duì)超級(jí)電容和蓄電池進(jìn)行控制。電流參考信號(hào)可通過平抑功率除以Udc得到，通過調(diào)節(jié)電流來實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)；內(nèi)環(huán)主要維持輸出電壓的穩(wěn)定，避免Udc電壓波動(dòng)。圖5中Psc、Pb為超級(jí)電容和蓄電池所需平抑功率，Usc、Ub為超級(jí)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(fù)合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)模型

圖5 超級(jí)電容和蓄電池控制框圖

2 復(fù)合儲(chǔ)能控制策略

2. 1 控制目標(biāo)

復(fù)合儲(chǔ)能控制目標(biāo)是使風(fēng)電輸出功率平滑，盡量減少波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響[11-14]。國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)功率作出了具體規(guī)定：根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定可知，風(fēng)電場(chǎng)10 min最大功率變化一般不超過其裝機(jī)容量的33%，1 min最大功率變化一般不超過其裝機(jī)容量的10%。經(jīng)過復(fù)合儲(chǔ)能對(duì)風(fēng)機(jī)輸出波動(dòng)功率進(jìn)行平抑后得到的功率即為目標(biāo)功率。目標(biāo)功率可以通過一階低通濾波器得到。風(fēng)電功率和目標(biāo)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(jìn)行分解，分解出的即為超級(jí)電容的平抑功率，剩下由蓄電池來承擔(dān)?？刂撇呗匀鐖D6所示。圖6中，T1和T2分別為低通濾波器和高通濾波器的時(shí)間常數(shù)。

圖6 復(fù)合儲(chǔ)能控制策略

2. 2 自適應(yīng)控制

對(duì)于時(shí)間常數(shù)T1、T2的控制，本文提出一種自適應(yīng)控制策略。由于在配置過程中超級(jí)電容價(jià)格相比蓄電池來說較貴，一般配置的容量有限，所以在運(yùn)行過程中難免會(huì)出現(xiàn)過充過放，不利于電池壽命。針對(duì)此，為了避免過分追求較高控制目標(biāo)而導(dǎo)致系統(tǒng)所需配置儲(chǔ)能容量和功率的增加，可以通過引入超級(jí)電容荷電狀態(tài)反饋來實(shí)施對(duì)低通濾波器和高通濾波器的時(shí)間常數(shù)的控制。在保證超級(jí)電容不越線的同時(shí)，充分利用蓄電池，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。本文針對(duì)超級(jí)電容設(shè)定充放電上下線、緩沖區(qū)及正常工作區(qū)，對(duì)其荷電狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。上下線及緩沖區(qū)的設(shè)置如圖7所示。設(shè)定的超級(jí)電容荷電狀態(tài)上下限為0.9、0.1，緩沖區(qū)分別為0.9～0.8、0.1～0.2。

圖7 荷電狀態(tài)分區(qū)圖

低通濾波器和高通濾波器時(shí)間常數(shù)控制框圖如圖8所示。它根據(jù)荷電狀態(tài)來選擇相應(yīng)的控制。不同分區(qū)內(nèi)，對(duì)于電池的不同工作狀態(tài)(充電/放電)，濾波時(shí)間常數(shù)具體的變化如表1所示。

圖8 時(shí)間常數(shù)控制框圖

從表1可以看出充電過程中，當(dāng)荷電狀態(tài)為下限時(shí)，可充余量較大，可以適當(dāng)增大低通/高通濾波時(shí)間常數(shù)，增加超級(jí)電容的平抑任務(wù)，使之快速進(jìn)入正常工作區(qū)間；隨著荷電狀態(tài)的不斷增大，當(dāng)進(jìn)入充電緩沖區(qū)時(shí)，應(yīng)當(dāng)通過減少高通濾波器的時(shí)間常數(shù)來減少超級(jí)電容的充電功率；當(dāng)達(dá)到充電上限時(shí)，應(yīng)該切除超級(jí)電容，T2=0，此時(shí)功率平抑由蓄電池獨(dú)自承擔(dān)，同時(shí)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減少低通濾波時(shí)間常數(shù)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(shí)間常數(shù)設(shè)置

3 仿真分析

為了驗(yàn)證本文所提策略的有效性，針對(duì)春夏秋冬不同時(shí)間窗口下的情況進(jìn)行驗(yàn)證。春夏秋冬四個(gè)季節(jié)典型日的風(fēng)速變化如圖9所示。

圖9 四季典型日風(fēng)速

針對(duì)某風(fēng)場(chǎng)中的單臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行仿真。其風(fēng)機(jī)容量為1.5 MW，切入風(fēng)速為3 m/s，額定風(fēng)速為12 m/s，切出風(fēng)速為25 m/s。為了平抑功率變化所配置的復(fù)合儲(chǔ)能如表2所示。設(shè)正常工作區(qū)間內(nèi)低通濾波器時(shí)間常數(shù)T1=10，高通濾波器時(shí)間常數(shù)T2=80。采用上述自適應(yīng)控制策略時(shí)春夏秋冬典型日對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)輸出功率及對(duì)應(yīng)的并網(wǎng)功率

表2 復(fù)合儲(chǔ)能配置

如圖10所示?？梢钥闯霾⒕W(wǎng)功率變化更加平緩，符合風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

圖11給出了四種場(chǎng)合下所需平抑功率?？梢钥闯銮锛竞投镜牟▌?dòng)相比春季和夏季更加頻繁，平抑任務(wù)相對(duì)來說較重，但春季和夏季會(huì)在某一時(shí)段會(huì)出現(xiàn)功率突變，這一部分就需要由超級(jí)電容來承擔(dān)。

超級(jí)電容和蓄電池所需承擔(dān)的功率如圖12和圖13所示?？梢钥闯龀?jí)電容承擔(dān)了波動(dòng)中的高頻分量，蓄電池承擔(dān)了波動(dòng)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(wù)。

圖10 風(fēng)機(jī)輸出功率和并網(wǎng)功率

圖11 平抑功率圖

圖12 超級(jí)電容平抑功率

圖13 蓄電池平抑功率

設(shè)定超級(jí)電容和蓄電池荷電狀態(tài)初始值為0.5，則在平抑過程中超級(jí)電容的荷電狀態(tài)變化如圖14所示，蓄電池的荷電狀態(tài)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(tài)變化范圍為0.3～0.81，超級(jí)電容的荷電狀態(tài)變化范圍為0.15～0.88，都在設(shè)定的區(qū)間內(nèi)，并且蓄電池的荷電狀態(tài)變化相比超級(jí)電容更平滑。

圖14 超級(jí)電容荷電狀態(tài)圖(1)

圖15 蓄電池荷電狀態(tài)(1)

從圖14可以看出，在815～890 min時(shí)間段內(nèi)，超級(jí)電容荷電狀態(tài)在夏天典型日進(jìn)入到了充電緩沖區(qū)。此時(shí)對(duì)高通濾波器進(jìn)行自適應(yīng)控制，時(shí)間常數(shù)通過控制，由原先的80逐漸調(diào)整為40，之后超級(jí)電容開始放電，時(shí)間常數(shù)又逐漸增加，進(jìn)入正常工作區(qū)間后變?yōu)槌跏贾?0。從圖13可以看出蓄電池在這個(gè)時(shí)間段開始時(shí)相比之前承擔(dān)了更多的平抑任務(wù)，功率較之前變化劇烈，并且在867 min時(shí)刻達(dá)到了四個(gè)場(chǎng)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(jí)電容在夏天典型日此時(shí)間段內(nèi)承擔(dān)的功率明顯下降，也正是因?yàn)檫M(jìn)行自適應(yīng)控制，超級(jí)電容荷電狀態(tài)一直維持在0.9之下。同樣，在秋天典型日時(shí)85～115 min內(nèi)超級(jí)電容荷電狀態(tài)進(jìn)入了放電緩沖區(qū)，在這個(gè)時(shí)間段超級(jí)電容放電功率隨高通濾波器的時(shí)間常數(shù)減小而減少，進(jìn)行短暫調(diào)整后，超級(jí)電容開始放電，時(shí)間常數(shù)逐漸回到初始值。由此可以看到，該策略避免了超級(jí)電容過充過放，提高了不同場(chǎng)合下的自適應(yīng)能力。如果不對(duì)時(shí)間常數(shù)進(jìn)行控制，就需要增加超級(jí)電容容量的配置，這樣反而沒有充分利用儲(chǔ)能，降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

圖16和圖17給出了采用傳統(tǒng)的復(fù)合儲(chǔ)能控制策略時(shí)超級(jí)電容和蓄電池的荷電狀態(tài)，配置的超級(jí)電容和蓄電池容量與自適應(yīng)控制下相同，但傳統(tǒng)的復(fù)合儲(chǔ)能控制策略濾波器時(shí)間常數(shù)T1、T2恒定。比較兩種策略下的仿真結(jié)果不難看出，當(dāng)采用傳統(tǒng)策略時(shí)超級(jí)電容在夏天865～890 min期間荷電狀態(tài)近似接近于1，當(dāng)達(dá)到1時(shí)就要進(jìn)行強(qiáng)制切除。為了避免該情況的發(fā)生，只能對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行擴(kuò)容，但這樣又不利于系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。比較蓄電池的荷電狀態(tài)可以看出采用傳統(tǒng)策略時(shí)，蓄電池的荷電狀態(tài)相對(duì)來說比較平滑，這是因?yàn)樵诓捎米赃m應(yīng)控制策略時(shí)，T1、T2隨超級(jí)電容的荷電狀態(tài)進(jìn)行了自適應(yīng)調(diào)節(jié)，在這一過程中，為了維持超級(jí)電容工作于正常工作區(qū)，蓄電池承擔(dān)了相對(duì)傳統(tǒng)策略較多的平抑任務(wù)，所以曲線相對(duì)來說波動(dòng)程度明顯，但是波動(dòng)次數(shù)仍然比較少，對(duì)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(yīng)控制處理具有更好的工作特性，而且適應(yīng)性與經(jīng)濟(jì)性較好。

圖16 超級(jí)電容荷電狀態(tài)圖(2)

圖17 蓄電池荷電狀態(tài)(2)

4 結(jié) 語

本文構(gòu)建了基于復(fù)合儲(chǔ)能的并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，提出了機(jī)側(cè)整流器、網(wǎng)側(cè)逆變器及復(fù)合儲(chǔ)能的控制器模型，并針對(duì)復(fù)合儲(chǔ)能提出了一種自適應(yīng)控制策略。在春夏秋冬四種場(chǎng)合下進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該策略的有效性，得出以下結(jié)論：

(1) 該策略適應(yīng)能力較強(qiáng)，針對(duì)不同場(chǎng)合均能在保證完成平抑任務(wù)的同時(shí)，蓄電池和超級(jí)電容能在規(guī)定的區(qū)間內(nèi)進(jìn)行充放電，避免了過充過放。

(2) 當(dāng)超級(jí)電容進(jìn)入緩沖區(qū)時(shí)，承擔(dān)的功率會(huì)隨著高通濾波器時(shí)間常數(shù)的變化而變化。蓄電池在沒有超出能力范圍的同時(shí)很好地分擔(dān)了超級(jí)電容的部分功率，此時(shí)的并網(wǎng)功率也符合風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 該策略有效避免了過分追求較高控制目標(biāo)而導(dǎo)致系統(tǒng)所需配置儲(chǔ)能容量與功率的增加，在滿足需要的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

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[13] 趙興勇,晉鵬娟,王靈梅.基于儲(chǔ)能的風(fēng)力發(fā)電逆變器加權(quán)控制算法[J].電力科學(xué)與工程,2014,30(2): 7-11.

[14] 田明杰,吳俊勇,熊飛,等.應(yīng)用于混合儲(chǔ)能的組合級(jí)聯(lián)式多端口變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2014,42(22): 81-89.

[15] 趙興勇.分布式發(fā)電并網(wǎng)與電壓穩(wěn)定性[M].北京: 中國(guó)電力出版社,2015.

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(xiàng)(2060901);國(guó)網(wǎng)山西省電力公司科技項(xiàng)目(05161A)

王 帥(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芪㈦娋W(wǎng)運(yùn)行與控制。 趙興勇(1965—)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)、分布式發(fā)電及電動(dòng)汽車控制等。

TM 315

A

1673-6540(2017)07- 0108- 07

2016 -12 -12