鋰電池儲(chǔ)能在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

童 欣，郝劍波，張 坤

(1. 華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430074;2. 湖南省電力公司 科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙410007;3. 湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410082)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于風(fēng)速、風(fēng)向等自然條件的變化，其輸出功率具有波動(dòng)性、間歇性的特點(diǎn)。隨著風(fēng)電的電網(wǎng)穿透率的不斷增加，這將對(duì)局部電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量產(chǎn)生較大的負(fù)面影響［1～3］。目前，已有文獻(xiàn)［4 ～9］針對(duì)平滑風(fēng)電功率波動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了分析研究，其中文獻(xiàn)［4］結(jié)合風(fēng)力機(jī)變槳控制和發(fā)電機(jī)變速控制，促使發(fā)電機(jī)輸出較為平滑的有功功率;文獻(xiàn)［5 ～9］通過(guò)各種儲(chǔ)能設(shè)備快速吞吐有功功率，達(dá)到平滑風(fēng)電功率波動(dòng)、增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。與此同時(shí)，電網(wǎng)故障也會(huì)給并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)帶來(lái)一系列的暫態(tài)過(guò)程，甚至?xí)＜暗斤L(fēng)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行［10］。因此，在系統(tǒng)中配置一定的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備 (如STATCOM)可起到支撐電網(wǎng)電壓的作用，以幫助電網(wǎng)恢復(fù)正常工作，并提高風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力。當(dāng)電網(wǎng)的故障持續(xù)時(shí)間超出一定范圍后，根據(jù)電網(wǎng)規(guī)則要求，風(fēng)電系統(tǒng)將被允許脫離電網(wǎng)［11］。為了最大利用風(fēng)能資源以及提高當(dāng)?shù)刎?fù)荷供電的可靠性，風(fēng)電系統(tǒng)需要具有快速?gòu)牟⒕W(wǎng)運(yùn)行模式平滑切換到離網(wǎng)運(yùn)行模式的能力。鋰電池具有能源效率高、能源密度高、存儲(chǔ)性能優(yōu)秀等特點(diǎn)，通過(guò)并聯(lián)和串聯(lián)的方式可組成大容量、高電壓的鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，這將在電力系統(tǒng)中獲得非常廣泛的應(yīng)用。本文將鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電中，并針對(duì)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行特性，提出了一種可行的綜合控制策略，從而能夠有效地提高風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

1 鋰電池?cái)?shù)學(xué)模型

鋰電池等效電路如圖1 所示［12～13］。考慮到鋰電池的物理和數(shù)學(xué)特性，該電池模型采用以下等效:(1)SOC 代表電池的荷電狀態(tài)，即電池內(nèi)活性化學(xué)物質(zhì)的數(shù)量，被等效成一個(gè)動(dòng)態(tài)更新的變量;(2)電池堆電勢(shì)被等效成一個(gè)受控電壓源，受其荷電狀態(tài)SOC 變化的影響;(3)電阻Rn和電阻Rh分別代表電池的內(nèi)阻損耗和化學(xué)反應(yīng)損耗;(4)與電阻Rh并聯(lián)的電容Ch被等效模擬電池的暫態(tài)特性。

單體電池電壓Vcell與其荷電狀態(tài)SOC 之間的關(guān)系為

圖1 鋰電池等效電路模型Fig．1 Equivalent circuit of lithium battery

式中:Ve為單體鋰電池的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)差(3.797 V);k 為溫度系數(shù)，一般可忽略溫度的影響，認(rèn)為在室溫條件下k=0.182 9。

電池組一般由多個(gè)單體電池(假設(shè)為n 個(gè))串聯(lián)而成，電池堆電勢(shì)Vs和等效電容Cs分別為

鋰電池的荷電狀態(tài)SOC 定義為

式中:SOCt+1和SOCt分別為t +1 和t 時(shí)刻的荷電狀態(tài);ΔSOC 為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的荷電狀態(tài)變化量。

2 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 為風(fēng)電/鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)并接在風(fēng)電系統(tǒng)出口處，它由鋰電池組、雙向DC －DC 變流器、DC －AC 變流器以及升壓變壓器構(gòu)成。雙向DC －DC 變流器用于控制DC－AC 變流器直流側(cè)的電壓穩(wěn)定;DC－AC變流器在并網(wǎng)模式下通過(guò)調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)電流的d 軸和q 軸分量，控制其流向電網(wǎng)的有功功率和無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功功率的解耦控制;在離網(wǎng)模式下控制負(fù)載的端電壓和頻率穩(wěn)定。對(duì)于由多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成的大型風(fēng)電系統(tǒng)，可相應(yīng)在風(fēng)電系統(tǒng)出口處并接多臺(tái)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，以滿足其工作性能的要求。

圖2 風(fēng)電/鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig．2 Structure diagram of wind power generation/lithium battery energy storage system

風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用將有所不同。當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要用于平滑風(fēng)電系統(tǒng)的有功波動(dòng)，從而提高并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要用于向電網(wǎng)提供無(wú)功功率，以幫助電網(wǎng)恢復(fù)正常工作。風(fēng)電系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要用于控制公共連接點(diǎn)的電壓和頻率穩(wěn)定。

3 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)控制

當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的DC－AC 變流器采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，控制開(kāi)關(guān)連接端口1，如圖3 所示。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的有功功率PG經(jīng)一階低通濾波器得到并網(wǎng)功率參考值，與并網(wǎng)功率PT進(jìn)行比較通過(guò)功率調(diào)節(jié)器得到q 軸(有功)電流的參考值;公共連接點(diǎn)電壓的幅值參考值Mag_V*與其幅值測(cè)量值Mag_V進(jìn)行比較，通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器得到d 軸(無(wú)功)電流參考值。電流內(nèi)環(huán)采用前饋解耦控制策略［14］，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立控制。為滿足DC－AC 變流器熱容量要求，其輸出電流iB的大小將被限制在一定范圍內(nèi)(本文取iB－max= 1.2 p.u.)，即無(wú)功電流和有功電流的參考值也將相應(yīng)受到限制。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，以無(wú)功電流作為優(yōu)先控制對(duì)象，通過(guò)=(i≤iB－max)對(duì)有功參考電流進(jìn)行限制，此時(shí)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)將運(yùn)行在STATCOM 模式下，向電網(wǎng)提供無(wú)功功率，以幫助電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

4 系統(tǒng)仿真

圖3 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制框圖Fig．3 Control diagram of lithium battery energy storage system

當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的DC－AC 變流器采用V/f 控制，控制開(kāi)關(guān)切換至端口2，如圖3 所示。公共連接點(diǎn)電壓的的d，q分量參考值，與其測(cè)量值進(jìn)行比較分別通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器得到電壓調(diào)制波d，q 分量的參考值，。由于風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)公共連接點(diǎn)的相位θ1與離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)控制器設(shè)定的相位θ2之間可能會(huì)存在一定的相位差，這樣在切換過(guò)程中可能會(huì)引起系統(tǒng)的震蕩甚至失穩(wěn)。對(duì)此，通過(guò)相位限速器來(lái)控制公共連接點(diǎn)的相位從θ1平滑切換到θ2，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)從并網(wǎng)運(yùn)行模式到離網(wǎng)運(yùn)行模式的平滑切換。

連接鋰電池組的雙向DC －DC 變換器的控制原理如圖3 所示。圖中，DC－AC 變流器直流側(cè)電壓參考值與其測(cè)量值uDC進(jìn)行比較通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器得到雙向DC －DC 變換器的調(diào)制電流參考值，與雙向DC －DC 變換器輸入電流iSB進(jìn)行比較再通過(guò)電流調(diào)節(jié)器得到雙向DC －DC變換器占空比d1的反饋控制量，以達(dá)到電流對(duì)其參考值的快速跟蹤。作為占空比d1的前饋控制量，可以抑制雙向DC －DC 變換器兩端的電壓波動(dòng)給電流控制帶來(lái)的干擾［15］。

利用Matlab/Simulink 對(duì)圖1 所示的風(fēng)電/鋰電池儲(chǔ)能混合系統(tǒng)進(jìn)行仿真。具體仿真參數(shù)如下:電網(wǎng)線電壓額定值為20 kV (有效值)，頻率為50 Hz;鋰電池組的額定電壓為600 V，額定功率為600 kW，額定容量為200 kW·h，單體電池?cái)?shù)為n=3 750，Rn=0.02 Ω，Rh=0.01 Ω，Cs=0.667 F;DC－AC 變換器的額定功率為1 MVA，交流側(cè)輸出線電壓額定值為650 V (有效值)，直流側(cè)電壓額定值為2 400 V，功率器件為IGBT，開(kāi)關(guān)頻率為8 kHz;連接鋰電池組的雙向DC/DC 變換器的額定功率為600 kVA，功率器件為IGBT，開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz。DC －AC 變換器的直流側(cè)電容為10 000 μF，輸出濾波電感為2 mH;雙向DC/DC變換器的升壓電感為0.3 mH;一階低通濾波器的時(shí)間常數(shù)T1=600 s。在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，當(dāng)?shù)刎?fù)荷的額定有功功率和無(wú)功功率分別為500 kW 和200 kVar。

圖4 (a)可以看出，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率PG波動(dòng)較大;經(jīng)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)后，實(shí)際注入電網(wǎng)的有功功率PT較為平滑。儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)出的有功功率如圖4 (b)所示。由圖4 (c)可知，風(fēng)電系統(tǒng)經(jīng)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)償后的實(shí)際并網(wǎng)功率PT能較好地跟蹤其參考值，這同時(shí)也說(shuō)明該鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)速度基本能滿足系統(tǒng)的要求。

圖4 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑風(fēng)電的功率波動(dòng)Fig．4 Lithium battery energy storage system smooths wind power fluctuations

當(dāng)電網(wǎng)電壓在0.1 ～0.3 s 三相跌落50%時(shí)，公共連接點(diǎn)電壓uPCC及其幅值Mag_ V 也相應(yīng)發(fā)生跌落，如圖5 (a)，(b)所示。在電網(wǎng)電壓跌落期間，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)最大輸出電流被限制在1.2 p.u. 以內(nèi)，如圖5 (c)所示，其輸出的無(wú)功電流id由0 增加到1.185 p.u.，為電網(wǎng)提供無(wú)功功率支持，以幫助電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行。鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的有功電流也相應(yīng)受到了限制，從0.33 p.u. 降低到0.05 p.u.，如圖5 (d)所示。圖5(e)為鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的有功功率和無(wú)功功率。由于鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償作用，公共連接點(diǎn)電壓從0.5 p.u. 上升至0.62 p.u.。DC －AC 變流器的直流側(cè)電壓uDC也保持在其允許范圍之內(nèi)，如圖5 (f)所示。隨著電網(wǎng)故障的清除，電網(wǎng)恢復(fù)到正常工作，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)也將迅速恢復(fù)到故障之前的運(yùn)行狀態(tài)。

圖5 電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作特性Fig．5 When the grid voltage sag occurs，the operating characteristics of lithium battery energy storage system

當(dāng)電網(wǎng)故障持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，這可能會(huì)危及到風(fēng)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，按照新的電網(wǎng)規(guī)則要求，風(fēng)電系統(tǒng)將被允許脫離電網(wǎng)。以下是風(fēng)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障情況下脫離電網(wǎng)運(yùn)行的仿真結(jié)果。電網(wǎng)電壓在0.0 ～0.1 s 處于50%的跌落狀態(tài)(圖6 (a)， (b))，風(fēng)電系統(tǒng)保持其輸出功率不變(圖6 (c)，(d))，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與圖4 中電網(wǎng)電壓跌落時(shí)運(yùn)行狀態(tài)一致(圖6(e)，(f))。圖6 (g)，(h)為風(fēng)電/鋰電池儲(chǔ)能混合系統(tǒng)總的輸出電流和功率。圖6 (i)， (j)為輸入到電網(wǎng)的電流和功率。由于電網(wǎng)電壓的跌落，當(dāng)?shù)刎?fù)荷的電能質(zhì)量也相應(yīng)受到影響，它吸收的有功功率和無(wú)功功率分別為PL=125 kW 和QL= 50 kVar，均未達(dá)到其額定值 (圖6 (k)，(l))。在0.1 s 時(shí)，電網(wǎng)的連接開(kāi)關(guān)K1 斷開(kāi)，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)DC －AC 變流器的控制開(kāi)關(guān)從端口1 切換至端口2。此時(shí)，輸入到電網(wǎng)的電流和功率迅速降低到0 (6 (i)，(j))。由于鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制作用，公共連接點(diǎn)的電壓能夠迅速恢復(fù)到額定值(圖6 (a)，(b))，從而當(dāng)?shù)刎?fù)荷也能恢復(fù)到正常運(yùn)行(圖6 (k)，(l))。在脫離電網(wǎng)的運(yùn)行過(guò)程中，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)一方面起到了穩(wěn)定系統(tǒng)電壓/頻率的作用，另一方面也起到了平衡系統(tǒng)功率的作用，即風(fēng)電的輸出功率與當(dāng)?shù)刎?fù)荷的輸入功率之間的差額功率由鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)提供。在0.1 s 以后，風(fēng)電/鋰電池儲(chǔ)能混合系統(tǒng)總的輸出電流和功率(圖6 (g)， (h))與當(dāng)?shù)刎?fù)荷的輸入電流和功率(圖6 (k)，(l))相等。

圖6 系統(tǒng)由并網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤島的運(yùn)行特性Fig．6 Operating characteristics of the system when it transfers from grid－connected to grid－isolated mode

5 結(jié)束語(yǔ)

鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在所提的控制策略下，當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)能起到平滑風(fēng)電功率波動(dòng)的作用;當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，能為電網(wǎng)優(yōu)先提供一定的無(wú)功功率，以幫助電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行;當(dāng)脫離電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，能夠起到穩(wěn)定系統(tǒng)電壓/頻率以及平衡系統(tǒng)功率的作用。仿真結(jié)果很好地說(shuō)明了所提出的控制策略的正確性和有效性。

［1］孫濤，王偉勝，戴慧珠，等．風(fēng)力發(fā)電引起的電壓波動(dòng)和閃變［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2003，27 (12):62-66，70．Sun Tao，Wang Weisheng，Dai Huizhu，et al．Voltage fluctuation and flicker caused by wind power generators ［J］．Power System Technology，2003，27 (12):62-66，70．

［2］Eel－Hwan Kim，Jae－Hong Kim，Se－Ho Kim，et al．Impact analysis of wind farms in the jeju island power system［J］．IEEE Systems Journal，2012，(1):134-139．

［3］遲永寧，王偉勝，劉燕華，等．大型風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30(15):10-14．Chi Yongning，Wang Weisheng，Liu Yanhua，et al．Impact of large scale wind farm integration on power system transient stability ［J］．Automation of Electric Power Systems，2006，30 (15):10-14．

［4］廖勇，何金波，姚駿，等．基于變槳距和轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制的直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率平滑控制［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29 (18):71-77．Liao Yong，He Jinbo，Yao Jun，et al．Power smoothing control strategy of direct－driven permanent magnet synchronous generator for wind turbine with pitch angle control and torque dynamic control ［J］．Proceedings of the CSEE，2009，29(18):71-77．

［5］Ushiwata K，Shishido S，Takahashi R，et al．Smoothing control of wind generator output fluctuation by using electric double layer capacitor ［C］．Seoul，Korea:International Conference on Electrical Machines and Systems，2007．

［6］張步涵，曾杰，毛承雄，等．電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在改善并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量和穩(wěn)定性中的應(yīng)用［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2006，30 (15):54-58．Zhang Buhan，Zeng Jie，Mao Chengxiong，et al．Improvement of power quality and stability of wind farms connected to power grid by battery energy storage system ［J］．Power System Technology，2006，30 (15):54-58．

［7］Suvire G O，Mercado P E．Active power control of a flywheel energy storage system for wind energy applications ［J］．IET Renewable Power Generation，2012，6 (1):9-16．

［8］Sheikh M R I，Muyeen S M，Takahashi R，et al．Smoothing control of wind generator output fluctuations by using Superconducting Magnetic Energy Storage unit［C］．Tokyo:International Conference on Electrical Machines and Systems，2009．1-6．

［9］阮軍鵬，張建成，汪娟華．飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)改善并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定性的研究［J］．電力科學(xué)與工程，2008，24(3):5-8．Ruan Junpeng，Zhang Jiancheng，Wang Juanhua．Improvement of stability of wind farms connected to power grid using flywheel energy storage system［J］．Electric Power Science and Engineering，2008，24 (3):5-8．

［10］張興，張龍?jiān)?，楊淑英，等．風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越技術(shù)綜述［J］．電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2008，20 (2):1-8．Zhang Xing，Zhang Longyun，Yang Shuying，et al．Low voltage ride-through technologies in wind turbine generation ［J］．Proceedings of the CSU-EPSA，2008，20 (2):1-8．

［11］Q/GDW392—2009 風(fēng) 電 場(chǎng) 接 入 電 網(wǎng) 技 術(shù) 規(guī) 定［S］．2010．

［12］Gao L，Liu S Dougal R．Dynamic lithium－ionbattery model for system simulation［J］．IEEE Transaction on Components and Packaging Technologies，2002，25 (3):495-505．

［13］Miyanaga N，Inoue T，et al．Large－scale Li－Ion battery cells for space use［C］．The Twenty － Fifth International Telecommunications Energy Conference，2003:241-248．

［14］Ye Y，Kazerani M，Quintana V H．A novel modeling and Control method for three － phase PWM converters ［C］．Vancouver BC:PESC，2001 IEEE 32th Annual，2001．102-107．

［15］陳瑤．直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)全功率并網(wǎng)變流技術(shù)的研究［D］．北京:北京交通大學(xué)，2008．