一种风电混合储能系统及能量管控策略

王 武

(许昌学院 电气(机电)工程学院，河南 许昌 461000)

风力发电对改善能源结构、保障能源安全、推动生态环保建设和可持续发展具有重要意义，风力发电已成为最具开发前景和竞争力的新能源发电方式之一[1]．然而，风能的间歇性、随机性会导致风电场输出功率波动，在风电并网情况下，风电输出功率波动会引起电网波动．随着风电场出力在电力系统中所占比例不断增加，其波动性和间歇性会进一步增加电网的运行成本，从而给电网建设、运行调度和电能质量等带来严峻挑战[2]．利用储能系统进行波动功率调节，实现风电功率平抑，已成为实现功率调控的主要策略．储能系统与风电场并网联合运行的方式主要有两种，一是储能系统参与风电调峰、二是储能系统实时调节风电场波动功率[3]．有多位学者研究了储能系统在风电场并网运行中的作用，并采取了一定的储能技术解决风电功率控制问题.有学者提出采用飞轮储能技术实现风力发电系统的功率和频率综合控制[4]；有学者提出采用超导储能进行风电场功率控制系统设计[5]；有学者提出采用空气压缩储能进行风电场功率调节[6]，储能技术的应用，在一定程度上解决了风电功率波动问题.将不同的储能方式进行组合，可以实现储能特性互补，一方面可以提高储能系统的整体性能，另外，还可以降低储能系统的总投资和运行成本[7]．蓄电池的特点是能量密度大、功率密度低、循环寿命短[8]．超级电容器的储能特性表现为能量密度低、功率密度大，循环寿命长[9]．二者在特性上具有良好的互补性，非常适于组成混合储能系统，提升储能系统的整体性能，参与风电波动功率的实时调节．由于储能元件本身并不具备主动与风电场进行精确功率交换的能力，所以需要为储能系统加入充放电控制器，对储能元件的充放电功率进行精确控制．本论文提出一种有源并联混合储能系统，该系统由蓄电池、超级电容器和相应的充放电控制器组成有源并联式混合储能装置，给出了具体的结构及运行控制策略，通过对系统实施能量管控策略，实现了储能系统与风电场间快速、精确的功率吞吐，并充分发挥了储能装置各自优势．

1 风电混合储能系统结构及工作原理

1.1 系统结构

风电混合储能系统结构采用有源并联混合储能系统，系统结构图如图1所示，其中混合储能装置由蓄电池和超级电容器构成，直流侧由两级升降压型双向斩波器构成充放电控制器，经由并网逆变器并联在风电功率出口低压侧，通过快速的功率吞吐，进行风电场输出波动功率调节，从而实现风电功率平抑[10]．

在有源并联混合储能系统中，DC/DC(SC)的低压侧为DC/DC(BAT)，高压侧与超级电容器并联，DC/DC(SC)的高压侧为并网逆变器的直流接口，双向变流器DC/DC(SC)主要用于精确控制混合储能系统充放电总功率Pwhole的大小和方向．当风电场实际功率输出功率Preal小于功率指令Pref时， DC/DC(SC)控制混合储能系统以功率Pwhole=Pref-Preal释放能量，补偿风电输出功率缺额；反之，当Preal大于Pref时，DC/DC(SC)控制混合储能系统以Pwhole=Preal-Pref从风电场吸收多余功率，并进行储能．DC/DC(BAT)的低压侧接蓄电池储能装置，其主要作用是精确调节蓄电池充放电功率的大小和方向，超级电容器位于DC/DC(SC)和DC/DC(BAT)之间，起到功率缓冲作用，实现两个变换器的解耦．通过对DC/DC(BAT)的控制，实现蓄电池储能装置和超级电容器的功率分配，达到功率协调输出．

图1 有源并联混合储能系统结构图

1.2 充放电控制器原理

通过上述分析可知，在有源并联混合储能系统中，两个充放电控制器DC/DC(SC)和DC/DC(BAT)发挥不同作用，两个充放电控制器均采用BUCK-BOOST型双向变换器拓扑，其工作原理和具体工作模式如图2所示，分析如下：V1、V2分别为低压侧和高压侧电源，Rs1、Rs2分别为与电源相串联的电阻，G1、G2为系统中的主开关管，工作于通断互补状态，流过电感的电流用IL表示，在一个工作周期内，系统工作于四种模式．

图2 充放电控制器工作模式

主开关管G1导通，G2断开时，系统工作在模式1，此时IL>0，低压侧电源对电感充电，IL增大；当开关管G1断开，G2导通时，系统工作在模式2，此时IL>0，电流沿续流二极管D2导通，高压侧电源V2提供反电动势，电流逐渐减小；当开关管G1断开，G2导通时，IL电流减小到零并反向时，高压侧电源电压大于低压侧电源电压，系统工作在模式3，电流经G2反向增大；主开关管G1导通，G2断开，且电流IL<0时，系统工作在模式4，此时IL经续流二极管D1反向续流，低压侧电源V1提供正向电动势，电流反向逐渐减小，四个模式形成一个工作循环周期．

根据充放电控制器的拓扑结构，蓄电池的充放电功率由蓄电池端电压Ubat和流过变换器DC/DC(BAT)中电感电流ILbat决定，Pbat=Ubat×ILbat．混合储能系统的充放电总功率由超级电容器端电压USC和流过变换器DC/DC(SC)中的电感电流ILSC决定,PSC=USC×ILSC．当系统中蓄电池和超级电容器端电压已知，通过调节变换器中开关管的占空比，实现电感电流大小和方向的调节，从而实现功率大小和方向的灵活控制．

2 能量管理策略

为了实现功率调控系统和风电场出口之间能量快速、准确交互，满足风电功率实时平抑效果，且能最大限度地发挥混合储能系统的作用，采用如下的能量管理规则：蓄电池储能发挥能量密度优势，主要用于调节稳态波动功率Psteady，超级电容器发挥功率密度和充放电响应速度优势，主要用于调节尖峰波动功率．功率调控采用超级电容器优先充放电原则，为超级电容器设定端电压最优工作区[Uopt_down,Uopt_up]，当超级电容器电压处于该区域时，由超级电容器实现功率调控，蓄电池停止充放电，用以延长其使用寿命．当出现稳态波动功率Psteady波动较大，引起超级电容器偏离最优工作区时，蓄电池充放电投入运行，直至超级电容器工作于最优工作区，再切断蓄电池充放电．

为了实现上述能量管理规则，采用图3所示的分层控制模型，系统分为能量管理层和系统控制层，能量管理层从控制目标库获取控制目标，传递至系统控制层，由系统控制层根据相应控制算法得到控制信号，驱动DC/DC变换器．在分层模型中，控制信息库决定了控制目标的实现和控制质量，根据蓄能状态和释能状态的不同条件，进行信息库设计，当风电场输出功率大于发电目标指令值时，即Preal大于Pref，此时，储能系统处于蓄能状态，其具体控制思路如下.

图3 能量管理分层控制模型

当判断超级电容器电压Ucap

当Uopt_down

当Ucap>Uopt_up时，超级电容器储能过多，DC/DC(SC)用以吸收风电场多余功率，DC/DC(BAT)用以对蓄电池充电，吸收超级电容器中过多的能量．

当风电场实时功率输出小于风电指令目标值时，即：Preal

当Ucap>Uopt_up，说明超级电容器能量过多，DC/DC(SC)用以控制储能系统释放能量，Pwhole=Pref-Preal，补充风电输出缺额，DC/DC(BAT)控制对蓄电池充电，将超级电容器中的能量释放到蓄电池．

当Uopt_down

当Ucap

3 结语

风能的间歇性、随机性会导致风电场输出功率的波动，利用储能系统进行波动功率调节，实现风电功率平抑，具有十分重要的意义．将蓄电池和超级电容器两种不同的储能方式进行组合，实现储能特性互补，提高储能系统的整体性能，同时降低储能系统的投资运行成本．所设计的有源并联混合储能系统由蓄电池、超级电容器和相应的充放电控制器组成，结构简单，易于控制．设计的能量管理规则和分层控制模型，实现了储能系统与风电场间快速、精确的功率吞吐，并充分发挥了储能装置的各自优势．