基于混合儲能的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率波動抑制策略研究

高宏杰

（國電山西潔能有限公司，山西 朔州 036800）

風(fēng)力發(fā)電由于其清潔性、可再生性等特點(diǎn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。由于風(fēng)力發(fā)電存在波動性和隨機(jī)性，造成了輸出功率同樣存在波動性，這對電能質(zhì)量造成了一定程度的影響[1－2]。本文將儲能單元引入到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，對風(fēng)力發(fā)電輸出功率的波動進(jìn)行有針對性的補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率波動的抑制[3－4]。本文所提出的功率波動抑制策略是基于一階濾波器對波動的功率進(jìn)行高頻和低頻的分離，然后分別進(jìn)行處理，因此儲能單元的合理利用對于抑制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率波動具有重要意義[5－6]。

1 混合儲能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示為混合儲能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，風(fēng)力發(fā)電單元分為網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)兩部分[7]。超級電容和蓄電池兩種儲能單元分別通過雙向DC／DC變換器接入到中間直流母線，由雙向DC／DC變換器控制超級電容和蓄電池的充電和放電?；旌蟽δ茱L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以工作在獨(dú)立模式和并網(wǎng)模式下[8]，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)開關(guān)處于斷開狀態(tài)時工作在獨(dú)立模式下，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)開關(guān)閉合時工作在并網(wǎng)模式下。

圖1 混和儲能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

儲能單元的接入使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)供電的可靠性和靈活性得到了顯著提高[9－10]。當(dāng)混合儲能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作在獨(dú)立模式下時，風(fēng)力發(fā)電單元和儲能單元同時向負(fù)載提供電能。當(dāng)負(fù)載突變或風(fēng)機(jī)捕獲功率突變時，負(fù)載所消耗的功率與混合風(fēng)力發(fā)電單元的輸出功率不匹配，由儲能單元對功率不匹配部分進(jìn)行補(bǔ)償[11]。當(dāng)混合儲能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作在并網(wǎng)模式下時，風(fēng)機(jī)捕獲到的風(fēng)能通過永磁同步電機(jī)和風(fēng)力發(fā)電變流器變換為電能后接入到電網(wǎng)，儲能單元對風(fēng)力發(fā)電單元的功率波動進(jìn)行補(bǔ)償，從而滿足并網(wǎng)運(yùn)行條件以及電力系統(tǒng)的能量調(diào)度需求[12]。

2 基于一階濾波器法的混合儲能控制策略

基于一階濾波器法的超級電容電流指令值運(yùn)算框圖如圖2所示，將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的功率波動分解為高頻分量和低頻分量兩部分。超級電容負(fù)責(zé)補(bǔ)償高頻分量，蓄電池負(fù)責(zé)補(bǔ)償?shù)皖l分量，同時也負(fù)責(zé)穩(wěn)定直流母線電壓。超級電容控制部分采用單閉環(huán)控制，通過對超級電容儲能功率計算、高頻分量提取等得到電流指令值，再與電流實(shí)際值做差后經(jīng)過電流控制器得到DC／DC變換器的PWM控制信號，最終通過超級電容的電流對功率波動的高頻分量進(jìn)行補(bǔ)償。蓄電池控制部分采用雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為電壓環(huán)，直流母線電壓的指令值與實(shí)際值之差經(jīng)過電壓控制器的輸出作為電流指令，與電流實(shí)際值做差后經(jīng)過電流控制器得到DC／DC變換器的PWM控制信號。此外，在控制中引入了電流前饋和PWM控制前饋，進(jìn)一步提高了控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)效果。

圖2 超級電容電流指令值運(yùn)算框圖

由此可以得到含有儲能單元的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率平衡方程為：

其中，PW為風(fēng)機(jī)捕獲到的風(fēng)能功率，PCN為儲能單元的功率（正號代表輸出功率，負(fù)號代表輸入功率），PTCMD為功率控制指令值。工作在獨(dú)立模式下時，功率控制指令值就是負(fù)載功率，即PTCMD＝PL；工作在并網(wǎng)模式下時，PTCMD＝PW[ω0／（s＋ω0）]，其中ω0為實(shí)現(xiàn)高頻分量和低頻分量分離的一階濾波器的轉(zhuǎn)折頻率。由此可以推導(dǎo)出實(shí)現(xiàn)高頻分量和低頻分量分離的一階濾波器的表達(dá)式為：

其中，PSC為超級電容補(bǔ)償功率波動的功率，PBT為蓄電池補(bǔ)償功率波動的功率，經(jīng)推導(dǎo)得到超級電容的電流指令值為：

超級電容電流指令值運(yùn)算框圖如圖2所示。

為了抑制儲能單元接口DC／DC變換器對功率波動的影響，引入占空比前饋控制策略，其表達(dá)式為：

為了進(jìn)一步減小風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)能功率波動對直流母線電壓的影響，提高儲能單元對功率波動抑制的動態(tài)響應(yīng)能力，引入電流前饋控制策略，推導(dǎo)得到蓄電池接口DC／DC變換器的電流前饋表達(dá)式為：

3 超級電容端電壓限制策略

其應(yīng)基于以下三個方面的原因考慮：

（1）雙向DC／DC變換器的工作效率問題導(dǎo)致超級電容容量存在一定的誤差。

（2）異常情況下，直流母線的功率波動可能超過允許上限。

（3）直流母線功率波動出現(xiàn)上限值的概率極小。

因此，需要采用合理的方法對超級電容的容量進(jìn)行修正。上述三個原因?qū)е鲁夒娙菰谶\(yùn)行中會達(dá)到功率上下限值，這樣就會使超級電容的功率波動抑制能力削弱。為了解決此問題，有必要對超級電容的端電壓采取預(yù)控制措施，限制其達(dá)到上下限值。超級電容端電壓預(yù)控制框圖如圖3所示。

圖3 超級電容端電壓預(yù)控制框圖

儲能單元的功率PCN經(jīng)過一階濾波器后得到修正前超級電容功率指令值的穩(wěn)態(tài)分量PSC＿CMD＿S，再將這個穩(wěn)態(tài)分量和超級電容的端電壓值USC送入到電壓預(yù)控制模塊處理后得到功率修正值△PSC，將其與修正前超級電容功率指令值的穩(wěn)態(tài)分量PSC＿CMD＿S相加，得到修正前超級電容功率指令值PSC＿CMD。

超級電容端電壓預(yù)控制的原理是超級電容端電壓值達(dá)到上下限值之前，對超級電容功率指令值進(jìn)行修正，以保證超級電容端電壓值波動程度更小，不超過上下限值。

USC＿M(jìn)AX和USC＿M(jìn)IN分別為超級電容端電壓的上限值和下限值，USC＿UP和USC＿DOMN分別為超級電容端電壓預(yù)控制的上下閾值，這四個參數(shù)將超級電容的工作劃分為以下5種情況：

（1）當(dāng)USC＞USC＿M(jìn)AX時，即超級電容端電壓值超過超級電容端電壓的上限值，開始進(jìn)行放電，功率修正值表達(dá)式為：

（2）當(dāng)USC＿M(jìn)AX≥USC≥USC＿UP時，即超級電容端電壓值超過超級電容端電壓預(yù)控制上閾值，不超過超級電容端電壓上限值，要控制超級電容端電壓的上升速度，少充電多放電，功率修正值表達(dá)式為：

（3）當(dāng)USC＿UP＞USC＞USC＿DOWN時，即超級電容端電壓值超過超級電容端電壓預(yù)控制下閾值，不超過超級電容端電壓預(yù)控制上閾值，超級電容端電壓處于正常范圍內(nèi)，不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，功率修正值的表達(dá)式為：

（4）當(dāng)USC＿DOWN≥USC≥USC＿M(jìn)IN時，即超級電容端電壓值超過超級電容端電壓下限值，不超過超級電容端電壓預(yù)控制上閾值，要控制超級電容端電壓的下降速度，多充電少放電，功率修正值表達(dá)式為：

（5）當(dāng)USC＿M(jìn)IN＞USC時，即超級電容端電壓值不超過超級電容端電壓的下限值，開始進(jìn)行充電，功率修正值表達(dá)式為：

USC＿UP和USC＿DOWN的取值會對超級電容和功率波動的抑制效果產(chǎn)生影響。USC＿UP過?。║SC＿DOWN過大）會導(dǎo)致超級電容的正常工作范圍變小，超級電容對波動功率的高頻分量的抑制效果減弱。USC＿UP過大（USC＿DOWN過小）會導(dǎo)致超級電容端電壓預(yù)控制閾值到超級電容端電壓限值之間的裕度變小。

4 實(shí)例驗(yàn)證

基于混合儲能的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主電路元器件參數(shù)表如表1所示。

表1 主電路元器件參數(shù)表

假設(shè)系統(tǒng)負(fù)載恒定不變，風(fēng)速的變化引起風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)功率波動，風(fēng)速在0．1s時由6m／s突降為3m／s，在0．2s時由3m／s突升為5m／s，得到直流母線電壓、超級電容電流、蓄電池電流的高壓試驗(yàn)波形圖如圖4所示。

圖4 高壓試驗(yàn)波形

通過高壓試驗(yàn)波形可知，超級電容能夠?qū)τ娠L(fēng)速變化導(dǎo)致的功率波動中的高頻分量起到抑制作用，母線電壓控制較好，波動很小，蓄電池電流控制效果良好，電流響應(yīng)速度很快，并且不存在超調(diào)，動態(tài)響應(yīng)效果良好。

5 結(jié)論

由于風(fēng)力發(fā)電存在波動性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，造成了輸出電能質(zhì)量較低，不能夠滿足用戶和電網(wǎng)需求。為此，本文提出了基于混合儲能對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率波動進(jìn)行抑制的策略。通過一階濾波器實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)波動功率的分解，對分解出的高頻分量和低頻分量分別進(jìn)行處理，充分發(fā)揮了超級電容和蓄電池的工作特性，并參與到輸出功率的調(diào)節(jié)中。本文提出的超級電容端電壓限制策略有效起到了保護(hù)超級電容、延長其使用壽命的作用。經(jīng)過高壓試驗(yàn)驗(yàn)證，本文所提出的基于混合儲能的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率波動抑制策略能夠有效抑制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率波動，對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行起到了積極作用。