一種風(fēng)電混合儲(chǔ)能系統(tǒng)及能量管控策略

王 武

(許昌學(xué)院 電氣(機(jī)電)工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

風(fēng)力發(fā)電對改善能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、推動(dòng)生態(tài)環(huán)保建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，風(fēng)力發(fā)電已成為最具開發(fā)前景和競爭力的新能源發(fā)電方式之一[1]．然而，風(fēng)能的間歇性、隨機(jī)性會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場輸出功率波動(dòng)，在風(fēng)電并網(wǎng)情況下，風(fēng)電輸出功率波動(dòng)會(huì)引起電網(wǎng)波動(dòng)．隨著風(fēng)電場出力在電力系統(tǒng)中所占比例不斷增加，其波動(dòng)性和間歇性會(huì)進(jìn)一步增加電網(wǎng)的運(yùn)行成本，從而給電網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)行調(diào)度和電能質(zhì)量等帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[2]．利用儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行波動(dòng)功率調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電功率平抑，已成為實(shí)現(xiàn)功率調(diào)控的主要策略．儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電場并網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行的方式主要有兩種，一是儲(chǔ)能系統(tǒng)參與風(fēng)電調(diào)峰、二是儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)電場波動(dòng)功率[3]．有多位學(xué)者研究了儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行中的作用，并采取了一定的儲(chǔ)能技術(shù)解決風(fēng)電功率控制問題.有學(xué)者提出采用飛輪儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率和頻率綜合控制[4]；有學(xué)者提出采用超導(dǎo)儲(chǔ)能進(jìn)行風(fēng)電場功率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[5]；有學(xué)者提出采用空氣壓縮儲(chǔ)能進(jìn)行風(fēng)電場功率調(diào)節(jié)[6]，儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，在一定程度上解決了風(fēng)電功率波動(dòng)問題.將不同的儲(chǔ)能方式進(jìn)行組合，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能特性互補(bǔ)，一方面可以提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體性能，另外，還可以降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的總投資和運(yùn)行成本[7]．蓄電池的特點(diǎn)是能量密度大、功率密度低、循環(huán)壽命短[8]．超級電容器的儲(chǔ)能特性表現(xiàn)為能量密度低、功率密度大，循環(huán)壽命長[9]．二者在特性上具有良好的互補(bǔ)性，非常適于組成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，提升儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體性能，參與風(fēng)電波動(dòng)功率的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)．由于儲(chǔ)能元件本身并不具備主動(dòng)與風(fēng)電場進(jìn)行精確功率交換的能力，所以需要為儲(chǔ)能系統(tǒng)加入充放電控制器，對儲(chǔ)能元件的充放電功率進(jìn)行精確控制．本論文提出一種有源并聯(lián)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)由蓄電池、超級電容器和相應(yīng)的充放電控制器組成有源并聯(lián)式混合儲(chǔ)能裝置，給出了具體的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制策略，通過對系統(tǒng)實(shí)施能量管控策略，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電場間快速、精確的功率吞吐，并充分發(fā)揮了儲(chǔ)能裝置各自優(yōu)勢．

1 風(fēng)電混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)電混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用有源并聯(lián)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中混合儲(chǔ)能裝置由蓄電池和超級電容器構(gòu)成，直流側(cè)由兩級升降壓型雙向斬波器構(gòu)成充放電控制器，經(jīng)由并網(wǎng)逆變器并聯(lián)在風(fēng)電功率出口低壓側(cè)，通過快速的功率吞吐，進(jìn)行風(fēng)電場輸出波動(dòng)功率調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電功率平抑[10]．

在有源并聯(lián)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中，DC/DC(SC)的低壓側(cè)為DC/DC(BAT)，高壓側(cè)與超級電容器并聯(lián)，DC/DC(SC)的高壓側(cè)為并網(wǎng)逆變器的直流接口，雙向變流器DC/DC(SC)主要用于精確控制混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電總功率Pwhole的大小和方向．當(dāng)風(fēng)電場實(shí)際功率輸出功率Preal小于功率指令Pref時(shí)， DC/DC(SC)控制混合儲(chǔ)能系統(tǒng)以功率Pwhole=Pref-Preal釋放能量，補(bǔ)償風(fēng)電輸出功率缺額；反之，當(dāng)Preal大于Pref時(shí)，DC/DC(SC)控制混合儲(chǔ)能系統(tǒng)以Pwhole=Preal-Pref從風(fēng)電場吸收多余功率，并進(jìn)行儲(chǔ)能．DC/DC(BAT)的低壓側(cè)接蓄電池儲(chǔ)能裝置，其主要作用是精確調(diào)節(jié)蓄電池充放電功率的大小和方向，超級電容器位于DC/DC(SC)和DC/DC(BAT)之間，起到功率緩沖作用，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)變換器的解耦．通過對DC/DC(BAT)的控制，實(shí)現(xiàn)蓄電池儲(chǔ)能裝置和超級電容器的功率分配，達(dá)到功率協(xié)調(diào)輸出．

圖1 有源并聯(lián)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 充放電控制器原理

通過上述分析可知，在有源并聯(lián)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中，兩個(gè)充放電控制器DC/DC(SC)和DC/DC(BAT)發(fā)揮不同作用，兩個(gè)充放電控制器均采用BUCK-BOOST型雙向變換器拓?fù)?，其工作原理和具體工作模式如圖2所示，分析如下：V1、V2分別為低壓側(cè)和高壓側(cè)電源，Rs1、Rs2分別為與電源相串聯(lián)的電阻，G1、G2為系統(tǒng)中的主開關(guān)管，工作于通斷互補(bǔ)狀態(tài)，流過電感的電流用IL表示，在一個(gè)工作周期內(nèi)，系統(tǒng)工作于四種模式．

圖2 充放電控制器工作模式

主開關(guān)管G1導(dǎo)通，G2斷開時(shí)，系統(tǒng)工作在模式1，此時(shí)IL>0，低壓側(cè)電源對電感充電，IL增大；當(dāng)開關(guān)管G1斷開，G2導(dǎo)通時(shí)，系統(tǒng)工作在模式2，此時(shí)IL>0，電流沿續(xù)流二極管D2導(dǎo)通，高壓側(cè)電源V2提供反電動(dòng)勢，電流逐漸減??；當(dāng)開關(guān)管G1斷開，G2導(dǎo)通時(shí)，IL電流減小到零并反向時(shí)，高壓側(cè)電源電壓大于低壓側(cè)電源電壓，系統(tǒng)工作在模式3，電流經(jīng)G2反向增大；主開關(guān)管G1導(dǎo)通，G2斷開，且電流IL<0時(shí)，系統(tǒng)工作在模式4，此時(shí)IL經(jīng)續(xù)流二極管D1反向續(xù)流，低壓側(cè)電源V1提供正向電動(dòng)勢，電流反向逐漸減小，四個(gè)模式形成一個(gè)工作循環(huán)周期．

根據(jù)充放電控制器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，蓄電池的充放電功率由蓄電池端電壓Ubat和流過變換器DC/DC(BAT)中電感電流ILbat決定，Pbat=Ubat×ILbat．混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電總功率由超級電容器端電壓USC和流過變換器DC/DC(SC)中的電感電流ILSC決定,PSC=USC×ILSC．當(dāng)系統(tǒng)中蓄電池和超級電容器端電壓已知，通過調(diào)節(jié)變換器中開關(guān)管的占空比，實(shí)現(xiàn)電感電流大小和方向的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)功率大小和方向的靈活控制．

2 能量管理策略

為了實(shí)現(xiàn)功率調(diào)控系統(tǒng)和風(fēng)電場出口之間能量快速、準(zhǔn)確交互，滿足風(fēng)電功率實(shí)時(shí)平抑效果，且能最大限度地發(fā)揮混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用，采用如下的能量管理規(guī)則：蓄電池儲(chǔ)能發(fā)揮能量密度優(yōu)勢，主要用于調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)波動(dòng)功率Psteady，超級電容器發(fā)揮功率密度和充放電響應(yīng)速度優(yōu)勢，主要用于調(diào)節(jié)尖峰波動(dòng)功率．功率調(diào)控采用超級電容器優(yōu)先充放電原則，為超級電容器設(shè)定端電壓最優(yōu)工作區(qū)[Uopt_down,Uopt_up]，當(dāng)超級電容器電壓處于該區(qū)域時(shí)，由超級電容器實(shí)現(xiàn)功率調(diào)控，蓄電池停止充放電，用以延長其使用壽命．當(dāng)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)波動(dòng)功率Psteady波動(dòng)較大，引起超級電容器偏離最優(yōu)工作區(qū)時(shí)，蓄電池充放電投入運(yùn)行，直至超級電容器工作于最優(yōu)工作區(qū)，再切斷蓄電池充放電．

為了實(shí)現(xiàn)上述能量管理規(guī)則，采用圖3所示的分層控制模型，系統(tǒng)分為能量管理層和系統(tǒng)控制層，能量管理層從控制目標(biāo)庫獲取控制目標(biāo)，傳遞至系統(tǒng)控制層，由系統(tǒng)控制層根據(jù)相應(yīng)控制算法得到控制信號，驅(qū)動(dòng)DC/DC變換器．在分層模型中，控制信息庫決定了控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和控制質(zhì)量，根據(jù)蓄能狀態(tài)和釋能狀態(tài)的不同條件，進(jìn)行信息庫設(shè)計(jì)，當(dāng)風(fēng)電場輸出功率大于發(fā)電目標(biāo)指令值時(shí)，即Preal大于Pref，此時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)處于蓄能狀態(tài)，其具體控制思路如下.

圖3 能量管理分層控制模型

當(dāng)判斷超級電容器電壓Ucap

當(dāng)Uopt_down

當(dāng)Ucap>Uopt_up時(shí)，超級電容器儲(chǔ)能過多，DC/DC(SC)用以吸收風(fēng)電場多余功率，DC/DC(BAT)用以對蓄電池充電，吸收超級電容器中過多的能量．

當(dāng)風(fēng)電場實(shí)時(shí)功率輸出小于風(fēng)電指令目標(biāo)值時(shí)，即：Preal

當(dāng)Ucap>Uopt_up，說明超級電容器能量過多，DC/DC(SC)用以控制儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放能量，Pwhole=Pref-Preal，補(bǔ)充風(fēng)電輸出缺額，DC/DC(BAT)控制對蓄電池充電，將超級電容器中的能量釋放到蓄電池．

當(dāng)Uopt_down

當(dāng)Ucap

3 結(jié)語

風(fēng)能的間歇性、隨機(jī)性會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場輸出功率的波動(dòng)，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行波動(dòng)功率調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電功率平抑，具有十分重要的意義．將蓄電池和超級電容器兩種不同的儲(chǔ)能方式進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能特性互補(bǔ)，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體性能，同時(shí)降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資運(yùn)行成本．所設(shè)計(jì)的有源并聯(lián)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)由蓄電池、超級電容器和相應(yīng)的充放電控制器組成，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制．設(shè)計(jì)的能量管理規(guī)則和分層控制模型，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電場間快速、精確的功率吞吐，并充分發(fā)揮了儲(chǔ)能裝置的各自優(yōu)勢．