王 波

（國網(wǎng)安徽省電力公司 檢修公司，合肥 230061）

1 儲能系統(tǒng)研究狀況

近年來，風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電技術(shù)廣泛應(yīng)用，在電網(wǎng)中扮演著越來越重要的角色。然而由于氣候的不確定性和隨機(jī)性，導(dǎo)致了可再生能源發(fā)電系統(tǒng)輸出功率存在隨機(jī)性和波動性。因此，亟需引入儲能系統(tǒng)來降低對電網(wǎng)波動的影響。通常，在可再生能源出口側(cè)安裝儲能系統(tǒng)，可以直接對輸出功率進(jìn)行平抑，在一定程度上可以提高可再生能源電源的可調(diào)度性［1-3］。

在技術(shù)上比較成熟和具備可行性的儲能系統(tǒng)，主要是蓄電池儲能系統(tǒng)（BESS）和超級電容儲能系統(tǒng)（SCESS）。文獻(xiàn)［4］指出，蓄電池儲能系統(tǒng)具有能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，但不利于深度充放電；而超級電容儲能系統(tǒng)功率密度高，響應(yīng)速度快，但其能量密度低。文獻(xiàn)［5，6］提出利用蓄電池儲能系統(tǒng)平衡風(fēng)力發(fā)電的間歇性，以及配置相應(yīng)的儲能容量。文獻(xiàn)［7，8］提出利用超級電容儲能系統(tǒng)平抑獨(dú)立可再生能源發(fā)電系統(tǒng)功率波動的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及控制策略，但沒有充分考慮超級電容在長期工作中容量上的缺陷。文獻(xiàn)［9，10］提出蓄電池儲能系統(tǒng)電路模型及平抑控制策略，但沒有深入分析蓄電池在工作中應(yīng)對尖峰功率時(shí)存在的問題。單一超級電容儲能系統(tǒng)雖然能夠快速響應(yīng)平抑大功率波動，但是在長時(shí)期運(yùn)行時(shí)會出現(xiàn)因容量上的限制而導(dǎo)致能量不足；而單一蓄電池儲能系統(tǒng)在平抑尖峰大功率波動時(shí)，可能會因?yàn)轫憫?yīng)速度慢或者功率不足而導(dǎo)致平抑的失敗，需通過進(jìn)一步加大容量等級來彌補(bǔ)功率上的缺陷，這樣會造成容量上的冗余，同時(shí)充放電深度過大對蓄電池儲能系統(tǒng)的使用壽命會造成嚴(yán)重的影響。

綜上所述，針對單一儲能系統(tǒng)功率或能量上存在的問題，根據(jù)蓄電池儲能系統(tǒng)和超級電容儲能系統(tǒng)在能量和功率上的特點(diǎn)，結(jié)合二者的互補(bǔ)性，提出了面向可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的互補(bǔ)儲能技術(shù)，并且針對給定發(fā)電計(jì)劃下的功率波動，給出了相應(yīng)的平抑控制策略。

2 儲能系統(tǒng)的建模

由于考慮的是數(shù)學(xué)模型，不考慮超級電容器和蓄電池的電路模型及其工作過程，并且在數(shù)學(xué)模型上超級電容和蓄電池儲能系統(tǒng)是相似的，因此從3個(gè)角度考慮建模。

2.1 電量遞推關(guān)系

剩余電量是儲能系統(tǒng)充放電能力的重要標(biāo)志，它在充放電過程中不斷地發(fā)生變化，其變化量與該時(shí)間段內(nèi)充放電功率、自放電率以及充放電效率有關(guān)。

1）充電過程關(guān)系式

2）放電過程關(guān)系式

式中：W（n）為第n個(gè)時(shí)段結(jié)束時(shí)儲能系統(tǒng)的剩余電量，MWh；δ為儲能系統(tǒng)自放電率，%／min；W（n-1）為第n-1個(gè)時(shí)段結(jié)束時(shí)剩余電量，MWh；Pc為儲能系統(tǒng)充電功率大小，MW；Pd為放電功率大小，MW；ηc為儲能系統(tǒng)充電效率的大小，%；ηd為儲能系統(tǒng)放電效率的大小，%。

2.2 電量約束

為了儲能系統(tǒng)的正常使用和工作效率，需要對電量進(jìn)行限制，以防止其電壓過高或過低。其電量約束表達(dá)式為：

式中：Wmin為儲能系統(tǒng)電量約束下限，MWh；Wmax為儲能系統(tǒng)電量約束上限，MWh。

假設(shè)蓄電池和超級電容儲能系統(tǒng)的額定容量都為EC，通常蓄電池取Wmin=0.2EC，Wmax=0.85EC；超 級 電 容 取 Wmin=0.15EC，Wmax=0.95EC。同時(shí)，為了保證儲能系統(tǒng)開始就能充放電，電量初值W（0）取值范圍在0.5EC至0.6EC之間。

2.3 功率約束

儲能系統(tǒng)的充、放電功率約束，由儲能系統(tǒng)的最大持續(xù)充、放電功率以及當(dāng)前剩余電量決定。最大充、放電功率允許值為：

1）充電過程關(guān)系式

2）放電過程關(guān)系式

式中：Pc，max（n）為第n個(gè)時(shí)段儲能系統(tǒng)的最大充電功率允許值，MW；Pd，max（n）為第n個(gè)時(shí)段儲能系統(tǒng)的最大放電功率允許值，MW；Pmax，C為儲能系統(tǒng)最大充電持續(xù)功率，MW；Pmax，D為儲能系統(tǒng)最大放電持續(xù)功率，MW。

考慮工作中的可再生能源發(fā)電功率P（n）和平抑目標(biāo)PMB（n），儲能系統(tǒng)功率約束表達(dá)式為：

1）充電約束時(shí)

2）放電約束時(shí)

式中：Pc（n）為工作中充電功率大小，MW；Pd（n）為工作中放電功率大小，MW。

3 互補(bǔ)儲能系統(tǒng)控制策略

3.1 功率關(guān)系

通常根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和電網(wǎng)需求，事前制定可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電計(jì)劃功率，而實(shí)際過程中由于氣候因素的不確定性，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的功率隨時(shí)間存在一定的波動性，因此需要儲能系統(tǒng)平抑二者之間的偏差。假設(shè)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的出口功率為PRenew，計(jì)劃功率為Pplan，則兩者之間的偏差為儲能系統(tǒng)的功率PESS，即：

當(dāng)PESS＞0時(shí)，表明儲能系統(tǒng)釋放功率，反之則吸收功率。

由于儲能系統(tǒng)由蓄電池和超級電容共同組成，假設(shè)超級電容的功率為PSC，蓄電池的功率為PB，則：

當(dāng)PB＞0時(shí)，表明蓄電池儲能系統(tǒng)釋放功率，反之吸收功率。在運(yùn)行過程中PB和PSC符號可以不同，它們之間存在一定的能量交換。

3.2 浮動平均值

浮動平均值（Floating Average Value）用于求取一個(gè)波動信號的平均值，并且隨著時(shí)間變化，對于離散化的數(shù)據(jù)系列，其表達(dá)式為：

進(jìn)一步對式（10）展開，則：

由式（11）可以看出，g值越小其信號的平穩(wěn)性越好。為使蓄電池儲能系統(tǒng)在平抑過程功率平穩(wěn)，避免出現(xiàn)充放電功率過大，綜合考慮后g值取0.045。

3.3 控制策略

根據(jù)蓄電池能量密度高但不適宜深度充放電，而超級電容能夠大功率充放電但能量密度低的特點(diǎn)，將超級電容作為蓄電池的輔助功率緩沖器，針對可再生能源發(fā)電功率和實(shí)際發(fā)電計(jì)劃之間的功率波動偏差，先通過浮動平均環(huán)節(jié)得到功率偏差的平均值，以此作為進(jìn)入蓄電池儲能系統(tǒng)中功率的參考，剩余部分特別是包含尖峰功率波動的成分進(jìn)入超級電容儲能系統(tǒng)。這樣可以使得蓄電池能量優(yōu)勢充分發(fā)揮，降低其深度充放電的可能性，而超級電容器不僅能發(fā)揮其功率方面的優(yōu)勢，而且在能量方面可以為蓄電池提供一定的輔助和補(bǔ)充作用。

互補(bǔ)儲能系統(tǒng)控制策略框圖如圖1所示。

圖1 互補(bǔ)儲能系統(tǒng)控制策略框圖

由圖1可以看出，互補(bǔ)儲能系統(tǒng)的工作過程為：

1）讀取發(fā)電計(jì)劃功率Pplan和可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際輸出功率PRenew，并計(jì)算功率偏差作為進(jìn)入儲能系統(tǒng)中的功率值。

2）對PESS求取浮動平均值得：

3）如果ABS（PESS）＞ABS（Pmean），則

4）如果ABS（PESS）＜ABS（Pmean），則

式中：FAV（）為求取浮動平均值函數(shù)；ABS（）為絕對值函數(shù)。

4 算例分析

某可再生能源發(fā)電系統(tǒng)一定時(shí)間段（3 000s，采樣周期為10s）的發(fā)電功率PRenew曲線和給定的發(fā)電計(jì)劃功率Pplan曲線如圖2所示。圖中x坐標(biāo)軸每個(gè)點(diǎn)代表10s，共300個(gè)時(shí)間點(diǎn)。

圖2 PRenew與Pplan功率曲線

4.1 單一蓄電池儲能系統(tǒng)

如果采用單一的蓄電池儲能系統(tǒng)，要達(dá)到平抑的目標(biāo)，則在這個(gè)過程蓄電池儲能系統(tǒng)中功率變化狀況如圖3所示，能量變化狀況如圖4所示。

圖3 蓄電池儲能系統(tǒng)功率變化曲線

圖4 累計(jì)充放電電量變化曲線

由圖3和圖4可以看出，采用單一蓄電池儲能系統(tǒng)時(shí)，在出現(xiàn)尖峰功率波動時(shí)，蓄電池的最大放電功率達(dá)到2.4MW，最大充電功率為1.337MW，充放電功率波動較大。在這個(gè)平抑過程中，蓄電池儲能系統(tǒng)最大累計(jì)釋放能量達(dá)到0.175MWh，如果蓄電池初始能量SOC（0）為0.5EC，為保證蓄電池的正常工作同時(shí)達(dá)到平抑目標(biāo)，則需要配置的蓄電池儲能系統(tǒng)額定容量至少為0.6MWh，由于在這個(gè)過程中出現(xiàn)多次深度充放電，將會影響蓄電池儲能系統(tǒng)的使用壽命，對蓄電池儲能系統(tǒng)而言，在尖峰功率波動時(shí)可能會出現(xiàn)響應(yīng)速度緩慢而造成平抑失敗，為了防止這種狀況的出現(xiàn)，必須進(jìn)一步加大蓄電池儲能系統(tǒng)的額定容量，滿足其功率要求。

4.2 互補(bǔ)儲能系統(tǒng)

根據(jù)本文提出的蓄電池—超級電容互補(bǔ)儲能系統(tǒng)，實(shí)施其相應(yīng)的控制策略，互補(bǔ)儲能系統(tǒng)中蓄電池儲能系統(tǒng)充放電功率PB仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 蓄電池功率PB變化曲線

互補(bǔ)儲能系統(tǒng)中蓄電池儲能系統(tǒng)累計(jì)充放電電量W仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 累計(jì)充放電電量W變化曲線

互補(bǔ)儲能系統(tǒng)中超級電容儲能系統(tǒng)充放電功率PSC仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 充放電功率PSC變化曲線

互補(bǔ)儲能系統(tǒng)中超級電容儲能系統(tǒng)累計(jì)充放電電量W／MWh仿真結(jié)果如圖8所示。

互補(bǔ)儲能系統(tǒng)中3種功率變化值仿真結(jié)果如圖9所示。

圖8 累計(jì)充放電電量W變化曲線

圖93 種功率變化值比較

將圖5、圖6與圖3、圖4相比，采用蓄電池—超級電容互補(bǔ)儲能系統(tǒng)后，蓄電池的最大放電功率為0.779MW，降低了67.5%，最大充電功率為0.47MW，降低了58.9%。在這個(gè)過程中最大累計(jì)釋放能量為0.11MWh。為了保證其正常工作且達(dá)到平抑目標(biāo)，蓄電池儲能系統(tǒng)最小配置容量為0.37WMh，相比之下有所減小。這是因?yàn)槌夒娙輧δ芟到y(tǒng)在這個(gè)過程中不僅平抑尖峰功率波動，同時(shí)也為蓄電池儲能系統(tǒng)提供了一定的能量支持。由于在此過程中蓄電池的充放電功率較平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)尖峰充放電功率，在此種容量等級下即可滿足相應(yīng)的充放電功率要求。

由圖7、圖8可以看出，超級電容儲能系統(tǒng)在平抑過程中，最大放電功率為1.92MW，最大充電功率1.4MW，并且在這個(gè)過程中超級電容儲能系統(tǒng)最大累計(jì)釋放能量為0.066MWh，在保證正常工作的狀況下，超級電容最小配置容量約為0.18MWh。由于超級電容器可以深度充放電，因此能夠滿足大功率的平抑要求。

通過圖9中互補(bǔ)儲能系統(tǒng)功率綜合比較可以看出，通過超級電容器和蓄電池儲能系統(tǒng)的配合，蓄電池儲能系統(tǒng)承擔(dān)較小的功率，且在平抑過程中功率較為平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)特別大的充放電功率。超級電容器可以承擔(dān)功率緩沖的作用，一方面在出現(xiàn)大的功率波動時(shí)能夠快速響應(yīng)承擔(dān)尖峰功率，同時(shí)在這個(gè)過程中實(shí)時(shí)提供部分功率以保證蓄電池儲能系統(tǒng)充放電功率的平穩(wěn)性。在功率波動較小時(shí)超級電容功率為0，主要由蓄電池儲能系統(tǒng)來起平抑作用。

5 結(jié)論

根據(jù)本文提出的蓄電池—超級電容器互補(bǔ)儲能系統(tǒng)及其相應(yīng)的控制策略，可以有效地緩解單一蓄電池儲能系統(tǒng)在平抑過程中深度充放電的壓力，最大充放電功率都得到顯著的降低，使得蓄電池儲能系統(tǒng)在較為平穩(wěn)的充放電功率下工作，對于實(shí)際工作中的蓄電池儲能系統(tǒng)而言，可以改善蓄電池的使用性能，延長使用壽命。同時(shí)，互補(bǔ)儲能系統(tǒng)可以充分利用超級電容功率密度高、響應(yīng)速度快、蓄電池能量密度高的互補(bǔ)性，與單一儲能系統(tǒng)相比性能更加完善。

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