风电系统中飞轮和蓄电池混合储能的控制策略

迟英新，赵志刚，徐洪伟，唱 通

（1.沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136；2.国网辽宁省电力有限公司辽阳供电公司，辽宁 辽阳 111000）

关于储能系统接入电网后的储能系统优化配置、混合储能容量优化、多个储能如何协调控制等问题是当今学者研究的热点。文献［1］提出了在含光伏发电的微电网系统并网运行时，储能单元控制直流母线电压的控制策略，能够调节系统有功和无功输出，抑制直流母线的功率和电压波动。文献［2］将蓄电池和超级电容分别通过双向变流器连接到直流母线上，使蓄电池维持母线上的电压，超级电容提供负荷的高频分量，以达到抑制负荷的突变给母线造成的冲击作用，并制定了相应的控制策略。文献［3］对蓄电池和超级电容组成的混合储能结构统一建模，采用多滞环调节控制策略，避免了蓄电池单独储能的容量浪费，延长其使用寿命。文献［4］中直流母线电压的功率波动分别由相应滤波器分成高、中、低频分量，并分别由母线电容、超级电容和蓄电池响应，该系统可以最大化超级电容和蓄电池的优势互补。

综上所述，关于储能在分布式发电中的作用，主要研究方向在于超级电容和蓄电池储能的控制策略和容量优化，对于飞轮储能在风电系统中的作用研究较少。本文将飞轮储能与蓄电池储能结合起来参与风电场输出的平滑控制，建立飞轮储能和蓄电池储能系统的simulink 模型，模拟储能系统的充放电过程。由于飞轮储能充放电次数对储能系统寿命影响不大，且响应速度快，提出了以飞轮储能优先、保护蓄电池寿命的放电方式，此方式可延长整个混合储能系统的使用寿命。

1 混合储能结构

1.1 储能系统补偿风电结构拓扑

风机与储能系统拓扑主要可以分为以下两种［5］：

1）每台风机配备一套储能系统（分布式连接），负责一台风机的输出功率的平滑控制。优点是储能系统按照风机输出功率调整输出，补偿每台风机的输出功率，且每套的储能系统容量小，造价低；缺点是风机输出功率波动大，需要处理的数据量巨大且控制复杂，定期维护保养难度大。

2）风机场出口处配备集中储能系统。由集中储能系统控制整个风电场输出功率，这样虽不能独立控制单台风机的输出功率，但是由于多个风机功率可以互相抵消补偿，风机场出口处的功率会比单台风机输出功率更加平滑，储能系统控制难度小，且实时状态数据少，处理中央处理器数据难度小。此外，定期维护时可以集中维护，比较方便。

综上考虑两种拓扑结构的优缺点，本文选择第二种方式进行分析。

1.2 混合储能系统结构

本文建立的混合储能系统结构如图1所示。

图1 系统结构

储能系统和风电场将功率输出到直流母线。直流母线便于各电力系统分区调度管理，可以防止各系统互相干扰，提高系统稳定性。厂用电负荷可以直接从直流母线上取电，其余输送至大电网。

2 混合储能单元的建模与分析

2.1 飞轮储能

飞轮储能就是通过旋转的转子储存能量。放电时，旋转的飞轮转子相当于原动机，产生的机械转矩带动电机转子旋转发电，在不考虑电机损耗的情况下，飞轮储能的机械功率即为输出功率，此过程将机械能转化为电能，电机充当发电机。充电时，旋转的三相电磁场带动电机转子旋转，进而带动飞轮转子旋转，这一过程将电能转化为机械能，电机作为电动机工作。

以角速度ω旋转的飞轮转子储存的机械能［6］为

式中，J为飞轮转子的转动惯量。

由式（1）可以得出，飞轮转子的转速会随着充电而加速，随着放电而减速。某一时间段吸收和释放的电能能够通过飞轮的转速变化确定。

将飞轮的最高转速和最低转速带入式（2），就能够得到飞轮储能的最大容量。

2.2 飞轮储能系统数学模型

为了研究飞轮储能能量转换的控制，需要建立动态数学模型。为了简化，本文不考虑涡流现象、磁滞损耗、磁通饱和及谐波，认为永磁体和转子均不受阻尼的影响，且励磁电流不存在动态响应过程［7］。在d-q坐标系下：

定子电压方程为

定子磁链方程为

电磁转矩方程为

式中，ud和uq分别为三相定子绕组在d轴和q轴的等效电压分量；Rs为三相定子绕组的内阻；ψd和ψq为电机三相定子绕组在d轴和q轴的等效磁链；id和iq为三相定子绕组在d轴和q轴的等效电流分量；Ld和Lq分别为电机三相定子绕组在d轴和q轴的等效电感分量；ψr为转子永磁体在三相定子绕组上的耦合磁链；ω为转子角速度；Te为电磁转矩；pn为永磁同步电机的极对数。

本文选用的表面贴装式永磁同步电机没有凸极效应，即Lq=Ld（q轴电感与d轴电感相等），且认为耦合磁链ψr、同步电感Ld和Lq恒定。由于d轴和q轴在空间位置的垂直关系，等效后的定子电流id和iq之间不存在耦合关系，结合iq=0 的矢量控制方法，可实现每安培最大电磁转矩控制。该控制方法能够保证永磁同步电机在调速过程中始终以最大的电磁转矩驱动飞轮转子运行，有效地提高了飞轮储能电池的充电速度。

此时，电磁转矩为

由式（6）可知，电磁转矩只与转矩电流分量iq相关，因此可以通过控制电流来实现对转矩的控制。

2.2.1 充电模式下的飞轮储能系统结构

飞轮储能充电时的系统结构如图2 所示。充电时，直流母线电压由大电网支撑，因此可以认为充电时直流母线电压恒定。三相PWM 整流逆变器将母线输入的直流电能转化成频率可调的三相交流电能，用来驱动永磁同步电机。控制器发出6路脉宽调制信号分别控制三相PWM 整流逆变器中的6个开关，实现对直流电能的调频调压控制。

图2 飞轮储能充电系统结构

通过发电机转子测出实际转速，此转速与设定转速的差值通过PI 控制器后的输出值作为转矩电流分量iq的参考值iqref。电流id分量的参考值为0。发电机三相定子电流ia、ib、ic经过Clark 变换和Park变换可得出实际id和iq。实际电流与参考电流的差值经过PI 控制器后可得出参考电压udref和uqref，实际电流和实际转速经过数学计算可得出实际电压ud和uq，与参考电压进行比较再经过反Park变换得出两相静止坐标系的uα、uβ。这两个分量经空间矢量PWM 模块的调制可生成6 路PWM 波至三相逆变器，三相逆变器根据输入的PWM 波控制内部开关管的通断来输出永磁同步电机所需的三相正弦电压。

2.2.2 放电模式下的飞轮储能系统结构

飞轮储能放电时的系统结构如图3 所示。飞轮储能放电系统由双向DC/DC 电压变换器、三相全桥整流器、永磁同步电机、飞轮转子组成。放电时，飞轮转子带动永磁同步电机发出三相正弦电流，但在这个过程中，飞轮和发电机转子转动速度会随着荷电状态的下降而下降，整流后的电压会越来越小，故为了维持直流母线电压的恒定，相比于飞轮储能充电系统，放电系统增加了CUK斩波电路。

图3 飞轮储能放电系统结构

CUK 斩波电路相比于其他斩波电路能够实现升压和降压两种功能。当飞轮储能储电量较高时，转速较快，输出电压幅值较高，需要降压；储电量较低时，飞轮转速较慢，输出电压幅值较低，需要升压。配合三相PWM 整流逆变器可以实现飞轮储能的恒压放电。

2.3 蓄电池储能系统建模

蓄电池模型如图4 所示。系统采用恒功率控制，通过给定功率的正负值实现充放电。根据系统要求的蓄电池功率Pb和直流母线电压UDC计算出参考电流iref，参考电流和蓄电池电流比较，经过PI控制器后便可得到用于生成PWM 的参考值。PWM波控制双向DC/DC内部开关的开合实现变压。

图4 蓄电池储能系统结构

3 混合系统的功率分配控制

3.1 储能系统荷电状态分级

本文将各储能系统根据荷电状态分为5 种状态，如表1所示。

表1 储能系统荷电状态

由表1 可知，蓄电池的放电深度不及飞轮储能，荷电状态低于0.2 或高于0.8 则不允许充电，飞轮储能相比于蓄电池具有更大的充放电调整空间。在飞轮储能的可充电范围内，荷电状态大于0.7 则认为处于高电量状态，此时飞轮储能具有较为充沛的电能，应优先放电。在飞轮储能的可放电范围内，荷电状态低于0.3则认为处于低电量状态，此时应优先给飞轮储能充电。

一般飞轮储能初始化时需要充电至飞轮储能容量的70%～90%，具体根据接入风电系统时的季节和时间决定。

对于蓄电池储能系统，一般容量设置较飞轮储能大得多，不会出现过充和过放问题，所以本文制定的控制策略以判断飞轮储能的荷电状态为主线。

3.2 充放电控制策略

设功率控制目标负荷功率为Pl（不考虑线路损耗，可根据当地历史经验调整），风机输出功率为Pg，飞轮储能系统输出功率为Pfl，蓄电池储能输出功率为Pb。他们之间满足如下关系

其中

Pt为储能系统功率，当母线上的功率变化不超过参考功率的±3%时，是被允许的，不需要储能系统平抑母线功率，这样可以减少储能系统充放电次数，提高使用寿命。当Pt（t）>3%×Pgoal（t）时，储能系统放电；当Pt<-3%×Pgoal（t）时，储能系统充电。

蓄电池功率密度低，频繁充放电会对电池寿命造成很大的影响，而飞轮储能则相反，所以本文以飞轮储能充放电优先，飞轮储能接近充放电极限状态时再考虑蓄电池放电。

混合储能系统功率分配流程如图5所示。

图5 混合储能系统功率分配流程

1）判定储能系统为充电状态后，判断飞轮储能系统的荷电状态。

①当处于低电量状态时（SOCfl<30%），证明储能系统有足够的容量吸收母线能量，这时不需要判断蓄电池状态，直接为飞轮储能系统充电。

②当飞轮储能系统处于正常工作状态和高电量状态时，证明飞轮储能系统仍可以进行充电，但是容量已经接近极限。这时判断蓄电池的荷电状态：如果蓄电池的荷电状态为可充电状态，则将母线功率经滤波器分成高频和低频分量，高频分量由飞轮储能消耗，低频分量向蓄电池充电；蓄电池为充电禁止状态时，全部能量向飞轮储能系统充电。

③当飞轮储能系统处于禁止充电状态时，判断蓄电池的荷电状态：如蓄电池可以充电，则蓄电池承担全部充电任务；如蓄电池不支持充电，此时储能系统不能再充电，需要启动防过充系统。

2）判定储能系统为放电状态后，判断飞轮储能系统的荷电状态。

①当处于高电量状态时（SOCfl>70%），证明储能系统有足够的容量吸收母线能量，这时不需要判断蓄电池状态，直接为飞轮储能系统充电。

②当飞轮储能系统处于正常工作状态和低电量状态时，证明飞轮储能系统仍可以进行放电，但是剩余电量已经不多。这时判断蓄电池的荷电状态：如果蓄电池的荷电状态为可放电状态，则将母线功率经滤波器分成高频和低频分量，飞轮储能释放高频分量，低频分量由蓄电池放电；蓄电池为放电禁止状态时，全部能量向飞轮储能系统放电。

③当飞轮储能系统处于禁止放电状态时，判断蓄电池的荷电状态：如蓄电池可以放电，则蓄电池承担全部放电任务；如蓄电池不能放电，此时储能系统不能再放电，需要启动防过放系统。

3.3 滤波器

滑动平均滤波法（Moving Average Filter，MAF）［8］是对补偿功率进行滤波。设储能需补偿的功率为P，滤波后的低频补偿功率为Plow_freq，高频补偿功率为Phigh_freq，采样频率为ft，时间窗口宽度为T，则一个时间窗口中可采集到N=T*ft个点，将这些点存储在缓存P（n）（n=0，1，…，N-1）中，当窗口移动到n=t处，P（t）进入缓存，P（t-N）从缓存中清除，然后对缓存中的数据取平均值，得到t时刻的低频补偿频率为

高频补偿频率为

由于飞轮储能内部损耗小，频繁充放电对储能系统寿命影响小，所以应优先选用飞轮储能系统进行放电，所以t时刻的飞轮储能的补偿功率Pfl应包括一些低频功率，即

式中，k（t）为低频功率中飞轮储能输出的比例系数，0

本文中功率分配的原则为尽量使飞轮储能进行充放电，所以k（t）取1。但飞轮储能容量低，所以需要考虑飞轮储能的荷电状态，引入补偿系数β。

放电时：

充电时：

式中，SOCflmax、SOCflmin和SOCfl分别为飞轮储能系统的荷电状态上限、下限和当前荷电状态。

补偿后的比例系数为

滤波后飞轮储能承担的功率为

蓄电池承担的功率为

式中，P（t）为储能系统总补偿功率。

3.4 过充过放保护

储能系统充电时，如果出现飞轮储能和蓄电池储能都为禁止充电状态，此时向控制台发送过充报警信号，控制风机减少风能吸收或者弃风。当储能系统放电时，如果出现飞轮储能和蓄电池储能都为禁止放电状态，此时向控制台发送过放报警信号，切除负荷，系统工作在能量保持状态。

系统实际工作时，根据季节和历史风电功率制定负荷功率参考值，应减少过充过放情况的发生。

4 仿真实验

为验证本文充放电控制策略的正确性，使用Matlab/simulink 平台搭建仿真模型，以美国某风电场2012 年1 月1 日零时起的25 个小时的风电功率数据为原始数据，采样间隔为5 min，滑动滤波窗口宽度取20个采样点。

风电输出功率如图6所示。

图6 风电输出功率

假设参考功率控制目标值为14.5 MW，滤波前补偿功率和低频补偿功率如图7所示。

图7 滤波前后功率对比

在本文制定的控制策略下的储能系统补偿功率如图8所示。

图8 飞轮储能和蓄电池储能系统的功率分配

飞轮储能系统的荷电状态如图9所示。

图9 飞轮储能荷电状态

从图8和图9可以看出，从0～250 min时，飞轮储能荷电状态大于0.7，飞轮储能和蓄电池储能同时充电，共同消化风电功率。从400 min 开始，飞轮储能因为荷电状态较高，开始承担全部的放电补偿功率，蓄电池输出功率基本为0。在这个过程中，一共有300 个采样点，蓄电池参与补偿功率的次数为129，有效地减少了蓄电池储能的充放电次数。这就证明了控制策略的有效性。

为了加快仿真速度并反映全过程储能系统模型的正确性，将仿真功率和容量按比例降低，将仿真时间缩减至60 s。设定飞轮储能最大转速为400 rad/s，转动惯量为4.5×10-5kg·m2，初始荷电状态为0.7，初始转速为280 rad/s，风电功率采样间隔为0.2 s。

飞轮储能期望补偿功率和输出功率如图10所示。

图10 飞轮储能系统预计补偿功率和输出功率

从图10 可以看出，本文建立的飞轮储能模拟系统的输出功率能够基本满足跟踪系统的要求。虽然电机刚启动时有一定的误差，但是仅持续1 s左右，不影响模型的正确性。

蓄电池储能系统期望补偿功率和输出功率如图11所示。

图11 蓄电池储能系统预计补偿功率和输出功率

从图11 可以看出，相比于飞轮储能系统，蓄电池储能系统由于不存在转动动态过程而具有更好的跟踪性能。

补偿前后的风电功率如图12所示。

从图12 可以看出，本文制定的混合储能功率分配策略和模型系统能够正确有效地平滑风电功率。补偿后的功率能够基本稳定到14.5 MW 附近，波动范围约为6%，符合我国颁布的风电场接入电力系统技术规定的要求。

图12 补偿前后风电输出功率

5 结论

本文建立了飞轮储能和蓄电池储能相结合的混合储能系统。按照飞轮储能优先放电的控制策略，采用MAF滑动滤波法，使飞轮储能响应高频功率，蓄电池响应低频功率。该策略能够最大化结合蓄电池和飞轮储能各自的优点，减少蓄电池储能充放电次数，延长混合储能系统的使用寿命。仿真实验结果证明，该储能系统可以平滑风电输出功率。