蓄电池-超导磁体储能系统平抑间歇性电源出力波动的研究

施啸寒，王少荣

（华中科技大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074）

0 引言

风力发电、太阳能发电等可再生能源发电技术具有环境友好、可再生的优点，然而它们的强随机性和间歇性会给电网安全性和稳定性以及电能质量带来不利影响。因此，不少国家制定了严格的间歇式电源的并网标准[1-2]。只通过电源本身进行调节以满足并网标准不仅会降低可再生能源的利用率，而且限制了间歇式能源的运行灵活性及其向电网提供辅助服务的潜力[3]。研究和实践工程均表明使用储能装置来平抑此类电源的间歇性和随机性不仅可减小可再生能源发电对电网的影响而且可以提高可再生能源的利用率和运行灵活性[4]。

现有的储能介质可以分为能量型和功率型2类[5-6]：以锂电池、钠硫电池、液流电池和铅酸电池等蓄电池为代表的能量型储能介质，其具有能量密度较大、功率密度较小的特点，且充放电次数以及放电深度受使用寿命限制；以超级电容、超导磁储能和飞轮储能等为代表的功率型储能介质，其具有能量密度较小、功率密度较大、高倍率充放电不会损害其性能的特点。2类储能技术各有优劣，因此人们将2类储能装置组合使用，取长补短构成混合储能装置[7-10]。

目前研究较多的是蓄电池和超级电容器构成的混合储能装置。文献[11-12]建立了直接并联式超级电容器／蓄电池混合储能系统的数学模型，文献[13-14]讨论了超级电容器／蓄电池混合储能系统可以采用的新型拓扑结构，文献[7-9]对超级电容器／蓄电池混合储能应用于独立光伏发电系统进行了研究，文献[10]对混合储能系统在微网中的应用进行了研究。研究表明：混合储能系统有助于实现储能系统储能容量和储能功率比值的合理配置，改善蓄电池的充放电过程，延长使用寿命，提高整体性能并降低成本。超导储能具有90%以上的效率和ms级的反应速度，与超级电容器相比有着更高的效率和能量密度。随着超导材料及其应用技术的发展，超导储能装置成本得到了降低，在20世纪末已到达了15 000～25000$／MJ、150～250$／kW[15]，可以预见随着超导材料以及制冷技术的进一步发展，低成本的超导储能也将会成为人们储能配置的选择之一，因此研究含有超导储能的混合储能装置的结构及其控制技术具有重要意义。

本文借鉴较为成熟的超级电容器-蓄电池混合储能系统的研究成果，以蓄电池和高温超导磁体构成的混合储能系统为研究对象，以平抑间歇性电源的功率波动为应用目标，研究储能系统的构成及控制策略，并通过仿真实验检验了控制策略及整体系统的有效性。

1 混合储能系统结构

1.1 储能装置的接入方案

图1 含储能系统的可再生能源发电装置系统结构图Fig.1 Structure of renewable power generation system with hybrid energy storage system

含混合储能单元的间歇性电源系统结构示意图如图1所示，图中2个背靠背变流器可以是双馈风机转子变流器、永磁同步发电机的并网变流器或光伏并网变流器，它们都用来完成将可再生能源发出的电力变换并馈入电网的功能。控制器1为发电侧变流器控制器，依据不同的控制目标可执行恒功率控制或最大功率追踪等发电运行方式，控制发电单元的出力。控制器2为网侧变流器控制器，其根据调度的指令或按照预先制定的发电计划控制电源馈入系统的功率。未配置储能装置时，为维持直流侧电压恒定，发电侧变流器的有功功率必须和并网变流器相同，从而电源的功率波动直接反映到并网功率中。装设储能装置后，2个变流器功率差值可以被储能装置补偿，从而隔离发电功率波动对并网功率的影响，实现对并网功率波动的平抑。

储能接入发电系统有经逆变器接入交流电网和并联接入电源变流器直流母线2种方式。并联接入电源变流器直流母线方式省去了储能装置到电力系统的逆变器，且控制更为简单，更适合应用在已配置变流器的可再生能源发电场合，故本文采用此接入方式。图1中，储能单元的加入使得发电控制器1和并网控制器2对有功功率的控制实现了解耦，达到了对发电装置出力P1和电源馈入电网功率P2独立控制，隔离P1波动对P2的影响的目的。P1和P2间的差值即为储能单元需要补偿的总功率，它决定了要求配置储能装置的最大功率，影响因素主要为电源出力的预测精度。

1.2 储能装置的接口电路

蓄电池-超导磁体混合储能系统中蓄电池与超导磁体具有不同的特点，因而需要设计不同的接口电路。

蓄电池的外特性为理想电压源与内阻串联，可以直接并接到变流器间的直流母线处。然而直接并联方式使蓄电池的出力完全取决于直流母线的电压大小，受控性较差。目前通常采用Buck／Boost型双向变换器将其连接到直流母线处[16]，通过改变斩波电路占空比实现蓄电池输出功率的控制，见图2。

图2 蓄电池接口电路Fig.2 Interface circuit of battery

图中VS1与VD2构成Buck电路，控制输出电压uo在小于直流母线电压uC的范围内变化，此期间蓄电池释放能量；VS2和VD1构成Boost电路，控制uo在大于uC的范围内变化，此期间蓄电池吸收能量。接口电路工作在Buck模式还是Boost模式取决于蓄电池指令功率的符号，2种模式均通过调整占空比的大小改变蓄电池释放或吸收功率的大小。

与蓄电池电压源的性质不同，超导磁体具有电流源的性质，其接口电路如图3所示。2个全控型开关和2个二极管构成的斩波器电路保证了任意时刻都有电流通路，符合超导磁体电流源要求。全控型开关VS3和VS4同时开通时，超导磁体承受的电压为uC，磁体吸收能量；全控型开关VS3和VS4同时关断时，超导磁体承受的电压为-uC，磁体释放能量。因而通过调节开关VS3、VS4的开通占空比即可控制超导磁体一个开关周期里的平均功率，占空比大于0.5时超导磁体吸收能量，占空比小于0.5时超导磁体释放能量。

图3 超导磁体储能装置接口电路Fig.3 Interface circuit of superconducting magnet energy storage

2 混合储能系统的控制方法

储能控制系统的任务为根据发电单元的实时功率与调度要求的发电功率之间的差值控制储能单元发出或吸收相应的功率。混合储能控制系统包括2个层次的控制：中央控制和本地控制。中央控制完成储能装置的指令功率在不同储能装置间的分配，即上层能量管理任务；本地控制通过对接口电路的触发控制实现各储能单元对各自指令的跟踪。

2.1 中央控制单元

中央控制单元依据2类储能装置的特点将总功率指令在蓄电池和超导磁体之间分配。超导磁体具有功率密度大、反应速度快、循环寿命长、功率突变承受能力强等特点，可用来提供指令功率中高频波动部分。磁体承担功率指令中的高频成分，同时避免了超导磁体储能容量小而导致的满充或满放问题。蓄电池承担功率指令中的平滑部分，提供长时间的充电或放电能力，不仅避免了蓄电池承受大的电流变动而损坏电池，而且通过减少小循环充放电次数延长了蓄电池的使用寿命。

本文使用滑动平均滤波法[3，6]分离储能系统总功率指令P0（即图1中P2与P1的差值）中的高频分量和平滑成分，分离结果传输给蓄电池和超导储能磁体的本地控制器。滑动平均滤波是时间序列分析中的常用方法，具有参数少、实现简单等优点。时间窗长度T是滑动平均滤波的唯一参数，T越大，滑动平均滤波的通频带越窄，滤波结果越平滑；T越小，滑动平均滤波器的通带越宽，功率指令经过滑动平均滤波后得到的蓄电池指令频率成分的最高频率越高。

由于超导磁体所能存储的能量较小，其连续吸收或释放能力受连续工作的影响很大，因而滑动滤波器的时间窗长度T应该根据超导磁体储能状态进行调整。滑动滤波时间窗长度调整规则如下。

a.当超导磁体的储能量大于设定值QSMES1时，可认为超导磁体的储能量偏高。当P0为正时，应减小T；当P0为负时，应增加T。

b.当超导磁体的储能量小于设定值QSMES2时，可认为超导磁体的储能量偏小。当P0为正时，应增加T；当P0为负时，应减小T。

c.当超导磁体储能量介于设定值QSMES1和QSMES2时，可认为超导磁体储能状态良好，滑动窗口宽度设置合理，应保持T不变。

上述滤波器时间窗长度T调整原则带有滞环特性，能够自动防止T振荡。由P0得到蓄电池功率指令P*bat及滤波器时间窗长度T的过程如图4所示。其中，超导磁体储能状态可通过磁体电流反映，蓄电池储能状态通过可蓄电池端电压反映。

图4 蓄电池功率指令生成过程Fig.4 Process of power order generation for battery

2.2 本地控制单元

本地控制单元的任务是控制蓄电池和超导储能磁体跟踪各自指令。得到蓄电池功率指令后，从总功率指令中减掉此值即得到超导磁体功率指令。但如果直流母线连接的各单元均采用功率控制，可能会出现控制系统的稳定问题，因而需要各单元中的一个作为平衡功率源。超导磁体储能装置反应迅速，适合作为平衡功率源来维持母线电压，因此超导储能装置应采用定电压控制。分别以直流电压和有功功率为控制目标，2种储能装置的本地控制方法如下。

图1中，以直流电压为状态变量建立状态方程得到：

其中，p为时间微分算子，C为直流电容大小，uC为直流电压，Pbat、PSMES为蓄电池和超导磁体有功出力。

可以看到以uC为状态变量的状态方程是非线性的，以电容储能为新的状态变量代入式（1）得：

可看到式（2）是Q的线性微分方程，由于uC是单极性，故与电容器储能Q一一对应，因而这种代换是合理的。

结合式（2），得到包含电压控制器的超导储能系统结构框图如图5所示，其中虚线框部分为电压控制器，控制器采用PI控制律＋前馈控制，超导储能装置功率指令表达式如式（3）所示。

其中，Qref为指令电压uCref对应的电容器能量，K、τ为PI控制器参数。超导储能装置的功率指令可根据PSMES=uC（2D-1）iSMES转化为斩波电路的占空比D，并根据占空比生成开关管的触发脉冲。

图5 超导磁体控制系统框图Fig.5 Block diagram of superconducting magnet control system

对图5进行化简，可得到Qref到Q的闭环传递函数为：

传递函数对应I型系统，能够无差跟踪电压指令的阶跃，因而可以维持直流母线电压在指定值。同时由于超导磁体控制器中采用了前馈控制，P0、Pbat的变化会直接引起P*SMES的变化，与无功率前馈相比，系统具有更好的扰动恢复能力和更短的扰动恢复时间。

蓄电池承担功率的平滑部分，功率变化较慢，可以采用基于电流控制的双PI环功率控制。外层功率控制环保证功率控制无稳态误差，内环电流在加快系统动态响应的同时抑制调节过程中的振荡。功率控制环和蓄电池电压前馈共同给出电流指令，电流指令一方面为电流内环提供参考值，用来计算斩波占空比D，另一方面其符号决定蓄电池接口电路的工作模式。电流指令大于零时，电路工作于Buck模式，上桥臂受占空比为D的触发脉冲控制，下桥臂截止；电流小于零时，电路工作于Boost模式，下桥臂受占空比为D的触发脉冲的互补信号控制，上桥臂截止。完整的控制系统结构如图6所示。图中，P、I为蓄电池实际输出功率和电流，Iref为电流指令。

图6 蓄电池控制系统框图Fig.6 Block diagram of battery control system

3 仿真实验

为验证文中设计的系统结构和控制方法的有效性，本文采用PSCAD／EMTDC按照图1所示系统结构搭建模型进行仿真实验。仿真模型使用三相变流器模拟图1中的发电功率和并网功率的差值P0，并以此作为储能系统的功率总指令。

系统参数如下：直流母线电压660 V，电容5000 μF，交流系统电压380V；交流侧滤波器参数为2mH、0.01 Ω；超导磁体使用 10 H、0.01 Ω 电感建模，斩波电路工作频率4 kHz；蓄电池使用360 V、1 Ω内阻的电压源建模，Buck／Boost接口电路直流侧电感 10 mH，开关频率10 kHz。滑动滤波器时间窗初始值为4 s，调整步长0.01 s，超导磁体门槛上、下限电流为350 A和200 A，蓄电池最大充放电功率30 kW，设计抑制的波动功率的波动范围为±100 kW。

变流器与交流系统间的功率交换波形如图7所示，图中前5 s为超导磁体的充电过程，随后为间歇性电源出力与并网功率（发电平均值）之差变动的过程。蓄电池功率指令Porder和实际功率Pbat如图8所示。对比图7和图8，可以看出滑动均值滤波器成功将功率指令中的低频分量分离出来作为蓄电池出力指令，蓄电池在大部分时间里承担了变化周期为4 s及以上的低频分量的功率。从图8中可以看到，蓄电池的出力变化平稳，基本不存在充放电小循环，与图7相比往复充放电次数大幅减少，对于充放电次数有上限的蓄电池装置而言，此特点极大延长了蓄电池的使用寿命。

超导储能装置出力PSMES及其电流iSMES分别如图9和图10所示。由图9可见，超导储能磁体承担了总功率指令中快速变化的分量。由于蓄电池承担了总功率指令中的低频变化成分，超导储能磁体的出力变化的峰峰值减小。对比图9与图7可看到，多数时间段内功率偏离纵轴0线的幅值减小，只有在蓄电池出力受限时偏离幅值才会较大，如在40 s和120 s附近出现的大幅偏移。图10中超导磁体电流波形体现了超导磁体的储能状态：大部分时间里超导磁体电流只有小幅度波动，只有在蓄电池出力受限、超导磁体被迫承担平抑功率指令的低频分量时才会出现较大幅度变化。

图7 变流器与系统交换功率波形Fig.7 Curve of power exchange between converter and system

图8 蓄电池功率指令及实际出力波形Fig.8 Waveform of battery power order and its actual power output

图9 超导磁体出力波形图Fig.9 Waveform of superconducting magnet power output

图10 超导磁体电流波形Fig.10 Current curve of superconducting magnet

储能系统接入点直流母线电压如图11所示，图中可见直流母线电压含有一定的纹波。这是由超导磁体电流源通过对电容充放电维持电压恒定的工作原理决定的，纹波的大小取决于直流电容大小、超导磁体电流以及斩波器工作频率，通过提高斩波器的工作频率或采样多重斩波器可以进一步减小电压纹波。图11可以看出直流电压抗扰动能力较强，在大的有功冲击下电压偏离较小，如40 s附近平抑功率由-50 kW快速增加为100 kW时，直流电压没有出现大的凹陷。

滑动平均滤波器时间窗口长度变化波形如图12所示。当超导磁体储能状态在设计范围内运行时（130 s之前），时间窗长度基本不变，蓄电池承担预先设计的低频成分（变化周期为4 s及以上）。在130 s左右，超导磁体储能状态越过下限，时间窗长度自动增减，在指令功率为负时调高超导磁体功率指令的频率下限，使蓄电池承担功率指令高频成分增加，从图8的蓄电池出力也可看到此点。

图11 储能系统接入直流母线电压Fig.11 DC bus voltage curve when energy storage system is connected in

图12 滑动平均滤波器时间窗长度波形图Fig.12 Waveform of time window length of moving average filter

4 结论

本文给出了使用蓄电池-超导磁体混合储能系统平抑间歇性电源出力波动的系统结构及其基于中央控制单元和本地控制单元双层控制结构的控制方法和具体实现，并通过PSCAD／EMTDC进行了仿真实验。理论分析和仿真实验得到以下结论。

a.蓄电池-超导磁体混合储能系统能够有效隔离间歇性电源发电出力的波动对并网功率的影响，从而维持并网功率的稳定。

b.使用具有滞环特点的时间窗长度调整方案调整滑动平均滤波器的时间窗，能够将补偿总功率在蓄电池和超导磁体之间合理分配，充分利用功率型和能量型储能装置各自的优势。蓄电池承担慢变化分量，保证其出力稳定，减小功率变化对蓄电池的冲击，减少充放电小循环，从而延长蓄电池寿命；超导磁体承担快变化分量，避免磁体充满和放空，减小对超导磁体的容量要求，从而减小体积，降低成本。