不同儲(chǔ)能對(duì)多時(shí)間尺度風(fēng)電消納特性對(duì)比研究

普智勇，張冬蕊，尹學(xué)衛(wèi)，王 驍，竇體春

(1.中廣核新能源投資(深圳)有限公司云南分公司，云南 昆明 650000; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程系，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著環(huán)境問題及能源結(jié)構(gòu)問題的日益嚴(yán)峻，電力行業(yè)逐步加大了清潔能源的發(fā)展力度[1]。風(fēng)電作為近年來(lái)大力發(fā)展的新能源之一，由于其典型的波動(dòng)性和間歇性，給電力系統(tǒng)運(yùn)行及穩(wěn)定帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能裝置由于可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)不平衡能量的吸收或支持，在新能源電力系統(tǒng)中具有非常廣闊的應(yīng)用前景[2]。其中，電池儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能均具有快速響應(yīng)的特點(diǎn)。不同的是，超級(jí)電容儲(chǔ)能具有較高的功率密度和較低的能量密度；而電池儲(chǔ)能具有較高的能量密度和較低的功率密度[3-5]。此外，電池儲(chǔ)能裝置的使用壽命受其充放電深度影響較大，而超級(jí)電容的循環(huán)壽命受其運(yùn)行方式的影響較小[6]。因此，對(duì)比研究?jī)煞N儲(chǔ)能系統(tǒng)的不同性能，對(duì)充分、高效、經(jīng)濟(jì)地利用不同儲(chǔ)能裝置進(jìn)行風(fēng)電消納具有重要的意義和價(jià)值。

與此同時(shí)，風(fēng)電功率可以視作不同時(shí)間尺度的分量疊加[7]。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，可以結(jié)合不同時(shí)間尺度的風(fēng)電功率特性及不同儲(chǔ)能系統(tǒng)的特點(diǎn)，探究不同儲(chǔ)能對(duì)多時(shí)間尺度風(fēng)電消納的特性，對(duì)儲(chǔ)能參與新能源消納策略的制定提供參考和指導(dǎo)。

針對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)與多時(shí)間尺度風(fēng)電功率消納問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從控制策略，時(shí)間常數(shù)選取等方面進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[8]采用離散傅立葉變換和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)時(shí)風(fēng)電功率的分解，提出了一種微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能容量配制方法；文獻(xiàn)[9-10]基于綜合能源系統(tǒng)基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從經(jīng)濟(jì)性角度對(duì)多元儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了規(guī)劃；文獻(xiàn)[11]基于電熱混合儲(chǔ)能原理，以對(duì)棄風(fēng)功率的最大化消納為目標(biāo)，提出了一種微電網(wǎng)運(yùn)行策略。目前針對(duì)電池及超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電功率消納問題的研究大多停留在優(yōu)化調(diào)度層面，缺少對(duì)兩種儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部的精細(xì)化建模，無(wú)法反映儲(chǔ)能系統(tǒng)或裝置實(shí)時(shí)的電壓和功率波動(dòng)信息。因此，本文基于電池和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)兩種儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致的數(shù)學(xué)模型刻畫，在此基礎(chǔ)上，研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)在消納多時(shí)間尺度風(fēng)電功率過程中的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)特性的研究和評(píng)估具有實(shí)用性的價(jià)值和意義。

本文從適用性和經(jīng)濟(jì)性角度，基于電池和超級(jí)電容儲(chǔ)能工作原理建立數(shù)學(xué)模型，探究了對(duì)不同時(shí)間尺度風(fēng)功率消納過程中，兩種儲(chǔ)能的電壓、功率及能量變化過程，對(duì)兩種儲(chǔ)能對(duì)多時(shí)間尺度風(fēng)電功率消納特性進(jìn)行了對(duì)比分析和評(píng)估。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

基于電池和超級(jí)電容儲(chǔ)能工作原理建立電池和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)模型，在建模過程中進(jìn)行以下假設(shè)[12]：

(1)忽略環(huán)境影響因素，如環(huán)境濕度、環(huán)境溫度等外部因素對(duì)模型內(nèi)部元件的影響，認(rèn)為設(shè)定模型參數(shù)不隨充放電過程的進(jìn)行而發(fā)生變化；

(2)忽略個(gè)體間差異，認(rèn)為所有元件單體是完全一樣的。

1.1 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

電池儲(chǔ)能單體通過串并聯(lián)的方式組成電池儲(chǔ)能系統(tǒng)模型[12]。本文采用等值電路法建立電池單體模型，如圖1所示[13]。

圖1 電池儲(chǔ)能單體模型

其中，Vbattery和Ibattery代表電池兩端的電壓與電流；Rt、Rseries和Ct分別代表電池內(nèi)部的電阻與電容參數(shù)；Voc代表電池的開路電壓。模型內(nèi)部參數(shù)如表1所示。

對(duì)應(yīng)的電池單體傳遞函數(shù)為

(1)

本文考慮128個(gè)電池單體通過串并聯(lián)的方式組成用于風(fēng)電功率消納的電池儲(chǔ)能子模塊(額定功率20.48kW)。根據(jù)風(fēng)電功率及容量需求，可以適當(dāng)確定一定數(shù)量的子模塊以及其連接的方式。

表1 電池模型內(nèi)部參數(shù)

1.2 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)

類似地，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)也是由若干個(gè)超級(jí)電容儲(chǔ)能子系統(tǒng)組成的。超級(jí)電容單體通過串并聯(lián)的連接方式組成超級(jí)電容儲(chǔ)能子系統(tǒng)。超級(jí)電容儲(chǔ)能單體模型如圖2所示。

圖2 超級(jí)電容儲(chǔ)能單體模型

其中，超級(jí)電容端電壓和端電流分別為Vsc和Isc；R0-R2、C0-C2分別為對(duì)應(yīng)的電阻和電容參數(shù)。超級(jí)電容儲(chǔ)能單體模型參數(shù)如表2所示。超級(jí)電容單體對(duì)應(yīng)傳遞函數(shù)為

(2)

本文考慮超級(jí)電容儲(chǔ)能子模塊共由800多個(gè)超級(jí)電容儲(chǔ)能單體組成，總電容為56.8 F，額定電壓為199.8 V，總?cè)萘繛?93 Wh。

表2 超級(jí)電容模型內(nèi)部參數(shù)

基于電池和超級(jí)電容單體模型，結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部單體串并聯(lián)關(guān)系，應(yīng)用戴維南電路等效原理，可以對(duì)電池和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)，在Matlab/Simulink軟件平臺(tái)搭建用于風(fēng)電功率消納過程分析的儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。

2 風(fēng)電功率的重構(gòu)

可以應(yīng)用于風(fēng)電功率的多時(shí)間尺度特性研究的非平穩(wěn)信號(hào)處理方法很多，如EMD(經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法)是其中應(yīng)用較廣泛的一種[14]。

本文采用某風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用EMD方法，對(duì)該60 MW風(fēng)電廠功率進(jìn)行分解。該風(fēng)電場(chǎng)24小時(shí)功率及其幅頻特性曲線如圖3所示。

圖3 原始風(fēng)電功率及其幅頻特性曲線

以中心頻率為基準(zhǔn)，對(duì)風(fēng)電功率進(jìn)行重構(gòu)。將風(fēng)電功率按照中心頻率高低依次重構(gòu)為高頻分量——中心波動(dòng)頻率高于0.016 Hz，即波動(dòng)周期為1 min以下的功率分量；中頻分量——中心波動(dòng)頻率范圍在0.000 278～0.016 Hz，即波動(dòng)周期為1 min至1 h范圍內(nèi)的功率分量；低頻分量——中心波動(dòng)頻率小于0.000 278 Hz，即波動(dòng)周期在1 h以上的功率分量。經(jīng)過分解與重構(gòu)后，如圖4至圖6所示，是時(shí)域和頻域內(nèi)不同分量的特點(diǎn)。

圖4 高頻分量功率及幅頻特性曲線

圖5 中頻分量功率及幅頻特性曲線

圖6 低頻分量功率及幅頻特性曲線

風(fēng)電功率的波動(dòng)展現(xiàn)出多時(shí)間尺度的特性，即風(fēng)電功率由高頻、中頻、低頻波動(dòng)分量共同構(gòu)成。隨著中心波動(dòng)頻率的減小，風(fēng)電功率的波動(dòng)幅度逐漸升高。不同頻率的波動(dòng)分量展現(xiàn)出了不同的波動(dòng)特性將影響不同儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)。

3 應(yīng)用實(shí)例

相較于其他類型的儲(chǔ)能設(shè)備，電池和超級(jí)電容儲(chǔ)能的響應(yīng)速度快，可以及時(shí)響應(yīng)快速波動(dòng)的功率擾動(dòng)，且由于其儲(chǔ)能成本相對(duì)高昂，不適合用于大幅度低頻功率波動(dòng)的風(fēng)電消納。因此，綜合考慮兩種儲(chǔ)能的技術(shù)特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性，僅使用電池和超級(jí)電容儲(chǔ)能消納風(fēng)電的中高頻擾動(dòng)分量。

首先，對(duì)比研究?jī)煞N儲(chǔ)能吸收快速波動(dòng)的風(fēng)電功率分量的表現(xiàn)。功率、電壓、能量響應(yīng)曲線分別如圖7至圖9所示。

圖7 高頻信號(hào)下電池(左)及超級(jí)電容(右)功率曲線

圖8 高頻信號(hào)下電池(左)及超級(jí)電容(右)電壓曲線

圖9 高頻信號(hào)下電池(左)及超級(jí)電容(右)能量曲線

在消納高頻風(fēng)電波動(dòng)分量過程中，由于高頻分量對(duì)應(yīng)的功率需求幅值較小，電池和超級(jí)電容均可以及時(shí)跟隨風(fēng)功率波動(dòng)，且其能量偏移具有類似的趨勢(shì)。但由于超級(jí)電容能量密度的限制，超級(jí)電容能量偏移幅值遠(yuǎn)大于電池。在高頻功率波動(dòng)下，電池和超級(jí)電容處在不斷地小幅度充放電工況中，電池的電壓在開路電壓附近上下波動(dòng)，這一行為會(huì)對(duì)電池的壽命造成較大的影響。而對(duì)于超級(jí)電容來(lái)說，其使用壽命受充放電方式等因素影響微乎其微。

其次，對(duì)比研究?jī)煞N儲(chǔ)能吸收中等速度波動(dòng)的風(fēng)電功率分量時(shí)的表現(xiàn)。兩種儲(chǔ)能的功率、電壓、能量響應(yīng)曲線分別如圖10至圖12所示。

圖10 中頻信號(hào)下電池(左)及超級(jí)電容(右)功率曲線

圖11 中頻信號(hào)下電池(左)及超級(jí)電容(右)電壓曲線

圖12 中頻信號(hào)下電池(左)及超級(jí)電容(右)能量曲線

在消納中頻波動(dòng)風(fēng)電功率的過程中，超級(jí)電容出現(xiàn)了因能量密度限制，無(wú)法跟蹤風(fēng)電功率波動(dòng)的情況。在頻繁較大幅度放電的工況下，超級(jí)電容多次出現(xiàn)放電至最小允許容量的情況，在此過程中僅能響應(yīng)充電功率需求，而相比之下，由于電池儲(chǔ)能的能量充足，仍可以實(shí)時(shí)跟蹤風(fēng)電消納的功率需求。

在此基礎(chǔ)上，由于電池儲(chǔ)能使用壽命受充放電方式影響較大，采用雨流計(jì)數(shù)法對(duì)消納高頻及中頻風(fēng)電功率過程中電池的偏移曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和壓縮，得到單次充放電次數(shù)與充放電深度關(guān)系如圖13所示[15]。在高頻功率波動(dòng)影響下，電池充放電次數(shù)多且深度?。辉谥蓄l功率波動(dòng)影響下，電池充放電次數(shù)較少且深度大。在高頻擾動(dòng)下，電池壽命的折損程度更高，經(jīng)濟(jì)性較差。

圖13 高頻(左)和中頻(右)信號(hào)下電池充放電深度

由以上結(jié)果，在實(shí)際風(fēng)電消納過程中，從經(jīng)濟(jì)性角度首先應(yīng)避免電池儲(chǔ)能頻繁小幅度充放電工況對(duì)其使用壽命造成影響；其次，從風(fēng)電消納效果角度，應(yīng)避免超級(jí)電容進(jìn)行較大功率波動(dòng)幅度的充放電工況，以避免其因能量密度不足造成的完全充放電現(xiàn)象。因此，在風(fēng)電功率消納過程中，可以考慮讓超級(jí)電容儲(chǔ)能響應(yīng)系統(tǒng)中的波動(dòng)幅度較小的高頻分量，而讓電池響應(yīng)波動(dòng)頻率較小的中頻分量，以充分利用不同儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作特性和特長(zhǎng)，達(dá)到風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)安全消納目的。

4 結(jié)論

(1)將風(fēng)電功率重構(gòu)為高、中、低頻三部分。其中波動(dòng)頻率高的成分幅值較小，反之較大。

(2)電池儲(chǔ)能由于其使用壽命受充放電方式影響較大的局限性，應(yīng)在工作中避免小幅度充放電的工況頻繁產(chǎn)生，從經(jīng)濟(jì)性角度更適用于中頻段風(fēng)電功率的消納。

(3)超級(jí)電容儲(chǔ)能因其能量密度較小的特點(diǎn)，適用于消納高頻波動(dòng)的風(fēng)電功率。在充分利用其功率密度特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，可以避免能量不足的情況產(chǎn)生。