劉金虹，張輝，楊秉翰，李潔，閔陽，楊凱

(1.西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048;2.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室,陜西 西安 710049)

隨著再生能源爆發(fā)式增長，儲能逐漸成為其發(fā)展的瓶頸，縱觀現(xiàn)有的儲能方式，沒有一種儲能方式能同時滿足功率和能量的性能要求，因此采用復(fù)合儲能(HESS：Hybrid Energy Storage System)勢在必行。采用SMES及鋰電池組合的復(fù)合儲能方式兼具功率型及能量型儲能的優(yōu)勢[1]。SMES負(fù)責(zé)處理快速變化的風(fēng)電功率，鋰電池負(fù)責(zé)處理緩慢變化的風(fēng)電功率，如圖 1所示[2]。

近年來，風(fēng)力發(fā)電日益滲透到電網(wǎng)中，引起了許多電網(wǎng)運行問題，因為在補償供電及負(fù)載平衡時，風(fēng)機控制能力有限。由于現(xiàn)有的負(fù)載跟蹤旋轉(zhuǎn)備用設(shè)備對不平衡的響應(yīng)太慢，風(fēng)力發(fā)電自身功率的隨機變化需要更先進(jìn)的控制管理策略[3]。

本文提出一種新的復(fù)合儲能SOC控制策略，實際情況下的仿真驗證了控制策略的可行性和有效性。

圖1 各種儲能的充放電特性

1 復(fù)合儲能模型

現(xiàn)有的儲能裝置有能量型和功率型之分，本文將鋰離子電池和超導(dǎo)磁儲能結(jié)合構(gòu)成復(fù)合儲能裝置，可以消除單一儲能裝置的缺陷，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，SMES補償高頻功率波動部分，鋰離子電池補償?shù)皖l功率波動部分。圖 2所示是復(fù)合儲能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]，SMES和鋰電池經(jīng)DC/DC變換器連接到直流母線側(cè)。電壓源變換器通過控制SMES和鋰電池的功率流向?qū)崿F(xiàn)母線電壓的穩(wěn)定。

圖2 復(fù)合儲能系統(tǒng)及其拓?fù)?/p>

表1 系統(tǒng)參數(shù)

1.1 SMES簡化模型

圖 3所示為SMES拓?fù)浼俺浞烹娺\行等效電路。SMES的工作狀態(tài)包括充電、環(huán)流、放電三個模式[5-6]。圖 3(a)中，當(dāng)SMES充電時，S1、S2均開通，在此期間線圈電流上升。圖 3(b)中，當(dāng)S2開通時，SMES處于環(huán)流并儲能狀態(tài)。圖 3(c)SMES放電時，S1、S2均關(guān)斷，SMES電流流向直流側(cè)。

圖3 SMES拓?fù)浼暗刃Ｊ?/p>

SMES的電流方程：

(1)

其中，充電時Vcoil=Vdc，環(huán)流時Vcoil=0，放電時Vcoil=-Vdc，為了計算超導(dǎo)電流的SOC，將電壓變化的頻率設(shè)置為2 kHz[7]。

SOC方程可從能量密度推導(dǎo)得到：

(2)

其中，WSMES為每小時可用的能量。

1.2 鋰離子電池模型

許多文獻(xiàn)中都有研究過鋰離子電池充放電特性及等效模型[8]，本文不再詳細(xì)論述。鋰電池通過雙向DC/DC變換器連接電網(wǎng)。通過電流數(shù)據(jù)計算SOC:

(3)

式中，Qn、SOC0分別是鋰電池額定容量及初始荷電狀態(tài)，為了便于精確計算電池電壓及SOC，對鋰電池做以下假設(shè)：

1)充放電過程中內(nèi)部阻抗恒定；

2)忽略溫度影響；

3)沒有自放電效應(yīng)；

4)無記憶效應(yīng)。

2 考慮SOC的復(fù)合儲能控制策略

在所設(shè)計的復(fù)合儲能中，SMES負(fù)責(zé)平滑風(fēng)電功率高頻變化部分，鋰電池負(fù)責(zé)低頻部分。為了系統(tǒng)的、自適應(yīng)的配置它們各自承擔(dān)的功率部分，在考慮鋰電池及SMES最優(yōu)性能的基礎(chǔ)上設(shè)計了兩個濾波器。

圖 4中，為了便于分析平滑風(fēng)電功率輸出、低通濾波器的輸出以及電網(wǎng)功率，假設(shè)風(fēng)電功率階躍變化。由圖 4可以看出，SMES承擔(dān)的功率部分位于風(fēng)電功率及分界線之間，鋰電池承擔(dān)的功率部分位于分界線及電網(wǎng)功率之間。

圖4 SMES和鋰電池功率分配關(guān)系

復(fù)合儲能系統(tǒng)功率是鋰電池和SMES功率之和，補償原始風(fēng)電輸出，讓期望的并網(wǎng)功率傳輸給電網(wǎng)，采用了滑動平均的概念確定期望的參考并網(wǎng)功率，進(jìn)而設(shè)計一階濾波器。

圖 5顯示了滑動平均的功率分配框圖。功率分配時，由低通濾波器確定SMES和鋰電池承擔(dān)的功率部分。截止頻率越高，分配給鋰電池的功率越大。反之截止頻率越低，分配給SMES的功率越大。

圖5 滑動平均分配功率控制框圖

為了系統(tǒng)的管理復(fù)合儲能的SOC，筆者將SOC系統(tǒng)的分為三類：正常、警告、報警狀態(tài)，如表2所示。

表2 SOC 工作狀態(tài)

當(dāng)SMES的SOC很大時，增大截止頻率，讓鋰電池多承擔(dān)一部分功率，如圖 4所示。復(fù)合儲能承擔(dān)風(fēng)電功率及并網(wǎng)功率之間的差值部分，因此兩個儲能裝置在支撐電網(wǎng)功率及保障電網(wǎng)正常運行方面具有非常重要的作用。

并網(wǎng)功率通過LPF的時間常數(shù)T控制，它決定了HESS承擔(dān)多大的功率。公式(4)所示為并網(wǎng)濾波器的傳遞函數(shù)。

(4)

SOC在10%～90%之間變化時，控制時間常數(shù)T使它隨著SOC變化。SOC進(jìn)入報警狀態(tài)時刻，控制T=250 s，如圖 6所示。依據(jù)風(fēng)功率變化速率改變T，因為區(qū)分風(fēng)功率變化是上升還是下降非常重要。比如，當(dāng)鋰電池基本上充滿且風(fēng)電功率開始下降時，T增加使并網(wǎng)功率下降。當(dāng)鋰電池基本上充滿且風(fēng)電功率開始上升時，T減小使并網(wǎng)功率上升。

圖6 根據(jù)SOC計算并網(wǎng)功率的時間常數(shù)

2.1 正常情況

圖7為正常情況下SMES及鋰電池SOC的自適應(yīng)剪切頻率控制響應(yīng)圖。圖 7 (a)描述的是并網(wǎng)功率隨風(fēng)電功率緩慢變化的過程，HESS補償兩者功率之差。注意T影響整個HESS SOC水平，因為功率差是由HESS提供。正常運行時，頻率變化不快，因此鋰電池和SMES的SOC變化平緩，如圖 7 (b)所示。圖 7 (c)是剪切頻率變化趨勢。

圖7 SMES及鋰電池SOC的自適應(yīng)剪切頻率控制

2.2 警告狀態(tài)

圖8為警告狀態(tài)下通過功率分配控制SOC的響應(yīng)圖。

圖 8 (a)中，因為風(fēng)電功率開始下降，因此增大剪切頻率，使鋰電池多承擔(dān)一部分功率，通過圖8(c)的SOC控制使鋰電池釋放的功率比SMES多一些。圖8(b)中，因為SOC超過80%，頻率控制立即起作用。此時只需要按圖 6改變T，不需要其他的并網(wǎng)功率控制算法。報警狀態(tài)控制時，只需要將剪切頻率增大或減小到合適的位置即可。

圖8 通過功率分配控制SOC

2.3 報警狀態(tài)

當(dāng)滿足以下任一條件時發(fā)出警報：

1)有一個儲能裝置的SOC超過90%或低于10%；

2)兩個儲能裝置的SOC都進(jìn)入警告區(qū)。

SOC進(jìn)入報警狀態(tài)時，HESS必須使SOC恢復(fù)到正常的水平，并且使T恢復(fù)到圖 6中的峰值(標(biāo)識為反向移動)。

當(dāng)風(fēng)電功率上升，并網(wǎng)功率以T=250 s快速上升，快速的電網(wǎng)功率跟蹤可以增加穩(wěn)定性。

當(dāng)風(fēng)電功率下降時，HESS放電，SOC下降，脫離警報區(qū)，如圖 9所示。

總之，警報狀態(tài)的目的是控制SMES和鋰電池的總功率。

2.4 復(fù)合儲能長時間運行的研究

風(fēng)功率不能準(zhǔn)確預(yù)測，意識到這一點非常重要，因此很難控制儲能的狀態(tài)，但是利用所提出的控制策略對SMES和鋰電池進(jìn)行協(xié)調(diào)控制有助于緩解這個問題。圖 10給出了復(fù)合儲能長時間運行的情況，試驗結(jié)果表明HESS具有良好的穩(wěn)定功率輸出性能。

圖9 HESS幾乎充滿且警報情況下的電網(wǎng)參考功率

圖10 結(jié)合自適應(yīng)頻率及時間常數(shù)控制的一天運行

3 結(jié) 語

本文通過觀測電網(wǎng)條件及復(fù)合儲能SOC狀態(tài)研究了鋰電池和SMES的協(xié)調(diào)控制及運行策略。定義了三個運行狀態(tài)：正常，警告、報警狀態(tài)，以便系統(tǒng)的管理HESS。試驗結(jié)果驗證了所提出的控制策略的有效性。

對于最優(yōu)儲能容量大小，HESS運行策略非常重要，因為它與總投資及期望的性能關(guān)系密切。SOC變化和復(fù)合儲能的容量大小也有關(guān)系，比如說，小型儲能裝置的SOC變化很大且很頻繁，當(dāng)儲能容量取最小值時，很有必要適當(dāng)?shù)毓芾鞸OC。如果SOC管理不當(dāng)，很可能導(dǎo)致SMES或鋰電池壽命減小及未知故障。對于小型儲能裝置，這種情況可能更嚴(yán)重。所設(shè)計的HESS運行策略應(yīng)該有助于減小儲能容量并保證或者延長儲能裝置的設(shè)計壽命。

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