基于混合储能的风力发电功率波动平抑控制研究

基于混合储能的风力发电功率波动平抑控制研究

郭文慧

鲁能新能源（集团）有限公司内蒙古分公司 内蒙古呼和浩特 010000  

摘要：目前，我国是社会主义经济快速发展的新时期，根据蓄电池与超级电容性能特点，提出了一种基于蓄电池和超级电容混合储能的协调控制策略．采用低通滤波器将波动功率分离为低频与高频，由蓄电池平抑低频部分，超级电容平抑高频部分，进一步设计电压电流双闭环协调控制策略，实现蓄电池与超级电容的分频能量吞吐．仿真结果表明混合储能系统达到了平抑风力发电功率波动，延长蓄电池使用寿命的目的．

关键词：风力发电，混合储能，功率波动，平抑控制

引言

风能太阳能等可再生能源功率具有大幅波动性已引起广泛关注，在直驱风力发电系统中引入储能系统以释放或吸收波动性功率可保证直驱风力发电系统功率平衡。因此具有能量转移和功率平衡能力的储能系统对风能开发利用起重要作用。但是单一的储能介质难以同时满足系统对能量和功率的要求，考虑到蓄电池和超级电容存储与释放能量的工作特性不同，为延长蓄电池使用寿命，本文研究基于蓄电池和超级电容的混合储能结构对直驱风力发电系统进行功率平滑控制。

1混合储能技术在风电场中应用研究现状

国内外许多学者在混合储能系统组合方式上做了大量研究工作，其中以蓄电池和超导储能、蓄电池和飞轮储能、压缩空气和飞轮储能、蓄电池和超级电容储能等组合方式研究较多。为解决风电输出功率的间歇性和波动性，利用蓄电池和超导储能组成混合储能平抑风力发电的功率波动，优化混合储能SOC运行范围，使超导储能和蓄电池兼具较强的充放电能力。但超导储能采用无阻、高载流密度的超导线圈，其价格昂贵，且其产生的强磁场会对周围环境造成污染。利用蓄电池调节风电场输出功率波动，飞轮储能控制风力发电机系统频率，以平抑风力输出功率波动和控制微电网的频率扰动，但飞轮储能系统安全运行维护成本高，一般应用于大规模储能电站。利用压缩空气和飞轮组成混合储能系统来减缓风电场功率波动，功率波动的高频、低频分量分别由飞轮储能和压缩空气储能来承担，但空气压缩储能技术建设受地形制约，对地质结构有特殊的要求。提出了一种考虑蓄电池SOC安全运行范围的功率波动平抑策略，通过判断蓄电池SOC处于不同的运行范围及充放电状态模式来调整滤波时间常数，实现蓄电池和超级电容功率的重新分配。利用超级电容补偿蓄电池电流的误差分量，实现蓄电池和超级电容之间的功率分配，有效地平抑风力发电的功率波动，且延长了电池的使用寿命。综上所述，混合储能系统在平抑风电场功率波动应用较为广泛。其中，超导储能、飞轮储能和压缩空气储能由于受成本、安全性等因素限制，目前应用相对较少。如超导储能价格昂贵，且其产生的强磁场会对周围环境造成污染;飞轮储能和压缩空气储能对运行环境要求较高，维护成本和技术要求较高。而超级电容在实际功率波动平抑应用中的可靠性、维护便利性和运行经济性等方面相比于飞轮储能和超导储能具有较明显优势，且蓄电池受地域限制小，设备维护和改造容易。故本文以蓄电池和超级电容组成的混合储能系统展开研究。

2基于混合储能系统的功率波动平抑

2.1基于一阶滤波器法的混合储能控制策略

将风力发电系统中的波动功率分为低、高频分量，由超级电容补偿波动功率的高频分量，由蓄电池稳定直流母线电压同时补偿波动功率的低频分量。外环为直流母线电压环，内环为电感电流环。母线电压参考值与实际值之差经过电压调节器作为电感电流环参考值，经电流调节器后得到Buck/Boost变换器的占空比db0;超级电容接口Buck/Boost双向变换器采用电感电流单闭环控制，通过储能功率计算、高频分量提取等环节得到其电流参考值作为其电流环输入，最终利用超级电容电流补偿波动功率高频分量。此外，为进一步提高抑制功率波动的动态响应能力，在Buck/Boost变换器控制中引入占空比前馈控制和电感电流前馈控制。

2.2风储并网系统的能量流动

风储系统主要的输出功率来自于风机所发出的功率，因此，影响系统的主要因素是风速．风储系统功率平衡关系式如下 式中，PHESS为混合储能系统吞吐的功率，Pb和Pc为蓄电池和超级电容各自吞吐的功率，Po为整个风储系统的并网功率．当风速较高时，储能系统需要吸收功率来平抑波动的功率，如图5所示．当风速较低时，储能系统发出功率来稳定功率的波动．

2.3风电场储能系统配置方式分析

(1)分布式储能系统以平抑单台风力发电机的输出功率为出发点，需要多台风力发电机并行运行，集中式储能系统只需配置一个容量较大的独立的储能系统。当实际风电场运行的时候，有时会发生很多情况或意外，例如当风电机组因故障停运或检修的时候，由于分布式储能系统占地面积较大，集中式储能系统比分布式储能系统更方便实施和后期的维护。(2)一般现有的大型风力发电场都由多台风力发电机组组成，而且大型风电场的占地面积往往相对较大，由于每台风电机组在风电场内所处位置的不同，导致其输出功率的波动也是不尽相同的，呈现出此起彼伏的现象，因而将各个风电机组输出的功率相叠加，会呈现一定的功率互补性，从而在一定程度上减弱整个风电场输出功率的整体波动，有利于减小整个风电场总储能系统的容量配置。(3)相对于集中式配置方式，分布式配置方式需要对风电场内的每台风力发电机都加装储能系统，将增加系统运行维护方面的工作量，从而会降低储能系统的可靠性和经济性。当前，随着电力电子器件的快速发展，大功率变流器和大规模储能系统的日臻成熟，采用集中式储能系统配置方式相对于分布式储能系统配置方式的优势更加凸显。因此，对于大规模的并网风电场来说，本文建议选择集中式储能系统配置方式。

2.4电压电流双闭环分频协调控制策略设计

储能变流器可以实现整个储能系统与外界的功率交换，而储能装置通过双向DC－DC变换器连接于储能变流器的直流母线，它们之间能量流动的本质为直流电压的变化，因此超级电容与蓄电池在控制过程中共用一个电压外环，经过PI控制器整定后得到一个电流内环的参考值Iref，将该参考值分频为高频与低频．低频电流作为蓄电池电流环的参考值Ibref，高频电流作为超级电容电流环的参考值Icref．随后参考值Ibref与流入或流出蓄电池的实际值Ib，参考值Icref与流入或流出超级电容的实际值Ic相比较后经过PI控制器得出PWM波来控制DC－DC变换器．

结语

由于风能随机性、波动性导致风力发电系统输出电能不易满足电网电能质量要求，为提高其电能质量，本文研究了直驱风力发电蓄电池-超级电容混合储能系统的功率平滑控制，基于一阶滤波器提取风力发电系统功率高频分量的方法既可用于实现直流母线功率平滑控制，将不符合用户用电和电网要求的波动成分消除，也充分发挥了超级电容与蓄电池储能设备的特性，延长了其蓄电池的使用寿命。提出的一阶滤波器转折频率选取方法能够优化混合储能系统功率控制性能，研究的超级电容端电压限值管理策略，不仅减小了超级电容容量、节约设备成本而且起到保护超级电容的作用。通过混合储能系统实验平台，验证了基于一阶滤波器的功率提取方法可实现直驱风力发电储能系统功率平滑控制。

参考文献

［1］李逢兵，谢开贵，张雪松．基于锂电池充放电状态的混合储能系统控制策略设计［J］．电力系统自动化，2013，37(1):70－75．

［2］于芃，赵瑜．基于混合储能系统的平抑风电波动功率方法的研究［J］．电力系统保护与控制，2011，39(24):35－40．