巨國(guó)嬌，胡 潔，王 輝

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司，上海 201700)

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磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑風(fēng)電功率波動(dòng)研究

巨國(guó)嬌，胡 潔，王 輝

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司，上海 201700)

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電出力的隨機(jī)性和間歇性，提出將磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)用于平抑風(fēng)力發(fā)電的功率波動(dòng)。首先，以PNGV等效電路模型為基礎(chǔ)，通過(guò)HPPC試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)電池參數(shù)的辨識(shí)，建立反映磷酸鐵鋰電池充放電特性的仿真模型；然后，基于磷酸鐵鋰電池端電壓變化小的特點(diǎn)，提出了電池直接耦合在儲(chǔ)能系統(tǒng)直流母線上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，給出了儲(chǔ)能變流器的功率解耦控制策略和平抑風(fēng)能波動(dòng)的控制目標(biāo)；最后，利用MATLAB/Simulink軟件，建立了風(fēng)電—儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果顯示，磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能有效平抑風(fēng)力發(fā)電的功率波動(dòng)。

磷酸鐵鋰電池；儲(chǔ)能；風(fēng)力發(fā)電

由于風(fēng)具有間歇性和隨機(jī)波動(dòng)的特性，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率波動(dòng)較大。隨著風(fēng)電在電網(wǎng)中的比重越來(lái)越大，風(fēng)電出力波動(dòng)將引起電網(wǎng)電壓和頻率的劇烈波動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成巨大威脅。在風(fēng)力發(fā)電中引入儲(chǔ)能系統(tǒng)，能有效抑制風(fēng)電功率波動(dòng)，滿(mǎn)足負(fù)荷的電能需求，提高電能質(zhì)量。

目前，已有多種儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電中。文獻(xiàn)[1]研究了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑風(fēng)電功率波動(dòng)的控制策略，提出的控制策略能將風(fēng)電系統(tǒng)的功率波動(dòng)控制在10%以?xún)?nèi)，并進(jìn)行了仿真分析，但是沒(méi)有考慮電池的具體特點(diǎn)。文獻(xiàn)[2] 利用全釩液流電池平抑風(fēng)電場(chǎng)的功率波動(dòng)，建立了電池的數(shù)學(xué)模型，仿真結(jié)果顯示釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能有效改善并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[3-4]對(duì)超級(jí)電容在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用進(jìn)行研究，但是與電池儲(chǔ)能相比，超級(jí)電容的能量密度太低，只能在短時(shí)間內(nèi)平抑風(fēng)電的功率波動(dòng)。文獻(xiàn)[5] 綜述了飛輪儲(chǔ)能在風(fēng)電中的應(yīng)用及控制策略。文獻(xiàn)[6-7]研究了超級(jí)電容與電池相結(jié)合的混合儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電中的應(yīng)用，給出了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略，利用超級(jí)電容吸收功率波動(dòng)較快的部分，電池吸收功率波動(dòng)緩慢的部分。

但是，這些研究還存在一些不足：①缺乏對(duì)電池的詳細(xì)建模，儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電中的研究主要側(cè)重在電路拓?fù)洹⒖刂品绞椒矫?，而?duì)電池的建模過(guò)于簡(jiǎn)單，往往采用直流源或最簡(jiǎn)單線性模型，不能精確反映電池的實(shí)際性能；②對(duì)磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用研究還較少，這主要與大規(guī)模鋰電池在風(fēng)電中的應(yīng)用研究剛剛開(kāi)始有關(guān)。磷酸鐵鋰電池具有安全性高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、環(huán)保性好等優(yōu)點(diǎn)，隨著磷酸鐵鋰電池大規(guī)模成組技術(shù)的突破，磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用前景十分廣闊。因此，本文在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，對(duì)磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑風(fēng)電功率波動(dòng)進(jìn)行研究。

1 磷酸鐵鋰電池建模與仿真研究

1.1 電池的PNGV等效電路模型

磷酸鐵鋰電池的PNGV等效電路模型如圖1所示[8]。在圖1中，UOC為開(kāi)路電壓；R0為內(nèi)阻，反映了電池端電壓U的突變性；CTP和RTP的并聯(lián)支路用來(lái)描述電池的極化效應(yīng)，其中CTP為極化效應(yīng)產(chǎn)生的容抗，反映了電池端電壓U的漸變性；RTP為電池內(nèi)部濃度差極化和電化學(xué)極化產(chǎn)生的電阻；C0為累積電容，用于描述開(kāi)路電壓UOC隨負(fù)載電流IL的時(shí)間累積效應(yīng)。該模型兼具電容性和電阻性，符合實(shí)際電池的特點(diǎn)。

圖1 電池的PNGV等效電路模型

根據(jù)電路定律可得：

(1)

電池的SOC采用安時(shí)法計(jì)算，可得：

(2)

式中SOC0——電池初始時(shí)刻的SOC值；

C——電池可放電電量，一般為電池標(biāo)稱(chēng)容量。

1.2 模型參數(shù)辨識(shí)

從圖1可知，建立PNGV等效電路模型需對(duì)模型中的電壓、電阻、電容等參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。以SE100AHA型磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，通過(guò)《FreedomCAR電池試驗(yàn)手冊(cè)》中提供的HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization)試驗(yàn)獲取。

磷酸鐵鋰電池的模型參數(shù)隨電池SOC的變化而變化，因此在不同SOC下進(jìn)行HPPC試驗(yàn)，計(jì)算得到PNGV模型參數(shù)如表1所示?；谧钚《朔ㄔ韺?duì)電池試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，以SOC為自變量，UOC為變量，得到的UOC-SOC關(guān)系函數(shù)為：

UOC=9.012SOC5-22.71SOC4+22.45SOC3

-11.01SOC2+2.885SOC+2.94

(3)

1.3 仿真分析

基于建立的模型參數(shù)，在MATLAB/Simulink環(huán)境中建立了電池模型，如圖2所示。該模型由SOC計(jì)算模塊、參數(shù)計(jì)算模塊和輸出電壓計(jì)算模塊組成，模型輸入量為電池的充放電電流，輸出量為電池端電壓。

圖2 磷酸鐵鋰電池仿真模型

令電池分別以0.3C、0.5C、1C、2C電流放電倍率放電，放電時(shí)初始SOC設(shè)為0.95，限定放電的SOC最小為0.05，仿真結(jié)果如圖3所示。圖3為不同放電倍率下電池端電壓變化曲線，圖4為不同放電倍率下電池SOC變化曲線。

圖3 不同放電倍率下端電壓曲線

圖4 不同放電倍率下SOC曲線

由圖3可知，電池的放電電壓曲線可以簡(jiǎn)單分成三個(gè)階段：放電初期，電池端電壓有一個(gè)突然下降，放電電流越大，下降幅度越大，這是由于電池的內(nèi)阻造成的；放電中期，電池的放電曲線趨于平緩，電壓緩慢變化，此時(shí)PNGV模型的RC回路起主要作用；放電末期，電池的容量較小，電池電壓迅速下降，此時(shí)內(nèi)阻和累積電容起主要作用。電池放電電流越大，電池端電壓下降越劇烈，對(duì)應(yīng)電池的放電容量越小。

由圖4可知，恒流放電時(shí)，電池SOC隨時(shí)間變化近似成線性關(guān)系，放電電流越大，SOC下降越快。由0.3C標(biāo)準(zhǔn)放電電流的電壓曲線和SOC曲線可見(jiàn)，在500～10 000 s時(shí)間段內(nèi)，電池SOC從0.9變化到0.1，電池端電壓僅變化了0.2V，電壓隨SOC變化十分緩慢。通過(guò)這些分析可知，仿真結(jié)果符合磷酸鐵鋰電池的特性，驗(yàn)證了建立的磷酸鐵鋰電池PNGV模型的有效性。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從磷酸鐵鋰電池充放電曲線可以看出，電池的端電壓在充放電過(guò)程中變化很小，因此提出了將電池組直接耦合在儲(chǔ)能系統(tǒng)直流母線上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5所示。鋰電池組直接耦合在儲(chǔ)能系統(tǒng)直流母線上，然后經(jīng)過(guò)儲(chǔ)能變流器接入風(fēng)電場(chǎng)交流母線。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)有：①?zèng)]有使用DC/DC變換器，簡(jiǎn)化了控制過(guò)程，減少了系統(tǒng)損耗；②儲(chǔ)能系統(tǒng)的直流母線電壓由磷酸鐵鋰電池組兩端電壓決定，在一定范圍內(nèi)隨鋰電池的SOC波動(dòng)；③磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率取決于風(fēng)電場(chǎng)功率、儲(chǔ)能變流器的功率損耗和電網(wǎng)功率。

Pw——風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率；PESS——儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率；Pg——經(jīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑后輸入電網(wǎng)的功率。圖5 儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

因此風(fēng)電場(chǎng)、電網(wǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率關(guān)系為：

Pw=PESS+Pg

(4)

2.2 儲(chǔ)能變流器控制策略

在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，儲(chǔ)能變流器的電壓為[9]：

(5)

有功功率和無(wú)功功率為：

(6)

式中P，Q——儲(chǔ)能變流器輸出的有功功率和無(wú)功功率；

ud，uq——儲(chǔ)能變流器交流側(cè)電壓的d、q軸分量；

id，iq——儲(chǔ)能變流器交流側(cè)電流的d、q軸分量；

ed，eq——電網(wǎng)電壓的d、q軸分量；

L，R——儲(chǔ)能變流器的內(nèi)部電感、電阻；

p——微分算子。

由交流電壓q軸定向原則可知，ud=0，uq=us，就可以對(duì)有功功率P、無(wú)功功率Q實(shí)現(xiàn)解耦控制，控制框圖如圖6所示。在圖6中，Pref、Qref分別為有功功率和無(wú)功功率的參考值。

圖6 儲(chǔ)能變流器解耦控制框圖

2.3 風(fēng)能平抑的控制目標(biāo)

風(fēng)速變化引起風(fēng)電功率的波動(dòng)，在復(fù)頻域中，對(duì)風(fēng)電功率Pw波動(dòng)進(jìn)行傅里葉變換(DFT)，按變化的頻率范圍可以分為三部分[9]：高頻區(qū)(1 Hz及以上)、中頻區(qū)(0.01～1 Hz)和低頻區(qū)(0.01 Hz及以下)。由研究表明，風(fēng)電功率波動(dòng)低頻量波動(dòng)緩慢，功率變化較小，電力系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)可進(jìn)行一定程度響應(yīng)；高頻量和中頻量由于功率波動(dòng)較快，并且變化較大，短時(shí)間(幾秒至數(shù)分鐘)內(nèi)會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重沖擊，因此儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)該主要平抑該頻段的波動(dòng)功率[10]。

為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的平抑，儲(chǔ)能系統(tǒng)所要輸出的功率PESS為：

(7)

則輸入電網(wǎng)的功率Pg為：

(8)

τ=1/2πf

τ——時(shí)間常數(shù)；

fc——截止頻率，根據(jù)分析應(yīng)使fc=0.01。

因此，圖6中有功功率參考值Pref=-PESS，Qref可以設(shè)置為0，也可以根據(jù)需要設(shè)置。本文在仿真中使Qref=0。

3 仿真研究

3.1 仿真參數(shù)

在MATLAB/Simulink環(huán)境中建立了風(fēng)電-儲(chǔ)能系統(tǒng)模型，仿真中各部分的主要參數(shù)如下。

(1)風(fēng)電系統(tǒng)采用永磁直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組[10]，額定功率為6 MW；永磁同步發(fā)電機(jī)參數(shù)為：定子電阻0.001 Ω，d軸電感0.069 mH，q軸電感0.115 mH，磁極對(duì)數(shù)48；逆變器直流側(cè)給定電壓1 400 V。

(2)磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)由2×438塊磷酸鐵鋰電池組成。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)采用先并后串的成組方式，先將磷酸鐵鋰電池兩兩并聯(lián)，再串聯(lián)在一起。儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量為280.32 kWh，最大輸出功率為840 kW。儲(chǔ)能變流器的直流側(cè)電壓設(shè)置為1 400 V，交流側(cè)電感為0.2 mH，電阻為0.001 mΩ，直流側(cè)電容為0.02 F，電容初始電壓為1 400 V。

3.2 仿真結(jié)果與分析

圖7給出了某風(fēng)電場(chǎng)在0～25 s內(nèi)的風(fēng)速變化曲線。圖8～圖9分別為風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)出的有功功率和風(fēng)電機(jī)組的直流側(cè)電容電壓曲線。

圖7 風(fēng)速變化仿真曲線

圖8 風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)出的有功功率

圖9 機(jī)組直流側(cè)電壓

從圖8可以看出，風(fēng)電系統(tǒng)輸出的有功功率波形，其隨風(fēng)速的變化而變化，風(fēng)速變化較快時(shí)，功率波動(dòng)也較劇烈；在仿真時(shí)間內(nèi)，風(fēng)電場(chǎng)輸出最大功率為5.5 MW，最小功率為2.4 MW，功率波動(dòng)達(dá)到3.1 MW，波動(dòng)相當(dāng)大。

從圖9可以看出，風(fēng)電系統(tǒng)直流側(cè)電壓始終在1 400 V上下波動(dòng)，證明了風(fēng)電系統(tǒng)控制策略的有效性，從而使發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率通過(guò)逆變器全部輸出。通過(guò)分析可知，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率具有很大的波動(dòng)性，因此在風(fēng)力發(fā)電中引入儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)平抑風(fēng)電的功率波動(dòng)是十分必要的。

在風(fēng)電系統(tǒng)中安裝磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)后，注入電網(wǎng)的功率曲線如圖10所示。磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率曲線如圖11所示。

圖10 儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑風(fēng)電系統(tǒng)有功功率

圖11 儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率曲線

從圖10可以看出，經(jīng)過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑后，輸入到電網(wǎng)的功率Pg變得很平滑，在仿真時(shí)間內(nèi)的功率波動(dòng)小于0.8 MW，功率波動(dòng)大大減小，這說(shuō)明磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠快速吞吐風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率的波動(dòng)成分。在圖11中，當(dāng)PESS為正時(shí)，表示儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)吸收功率，磷酸鐵鋰電池處于充電狀態(tài)；當(dāng)PESS為負(fù)時(shí)，表示儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率，磷酸鐵鋰電池處于放電狀態(tài)。

本文中磷酸鐵鋰電池的容量?jī)H為風(fēng)電系統(tǒng)額定容量的14%，就可大大減小風(fēng)電系統(tǒng)的功率波動(dòng)。隨著儲(chǔ)能配比容量的增加，一方面可提高平抑風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)的能力，另一方面也可提高整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的備用容量，再輔以類(lèi)似傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)外特性的控制策略，有望將隨機(jī)性發(fā)電的風(fēng)電場(chǎng)變?yōu)轭?lèi)似于傳統(tǒng)電廠的可調(diào)度新能源發(fā)電站，徹底解決隨機(jī)性新能源發(fā)電并網(wǎng)困難的局面。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)HPPC試驗(yàn)辨識(shí)了電池PNGV等效模型參數(shù)，建立了其仿真模型，仿真結(jié)果符合電池特性，驗(yàn)證了模型的有效性。

(2)磷酸鐵鋰電池充放電過(guò)程中的端電壓變化很小，因此提出了電池直接耦合在儲(chǔ)能系統(tǒng)直流母線上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能節(jié)省一套DC/DC變換器，簡(jiǎn)化控制過(guò)程，降低系統(tǒng)損耗。將風(fēng)電功率變化的高頻量和低頻量作為控制目標(biāo)，與儲(chǔ)能變流器功率解耦控制相結(jié)合，建立了儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略。仿真結(jié)果表明，所提出的磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略能夠有效地平抑風(fēng)電功率波動(dòng)。

(3)在風(fēng)電系統(tǒng)中引入磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)后，一是有利于風(fēng)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能利用的最大化；二是有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，為風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)創(chuàng)造更好的條件。

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(本文編輯：趙艷粉)

Application of LFP Battery Energy Storage System in Smoothing Wind Power Fluctuation

JU Guo-jiao, HU Jie, WANG Hui

(State Grid Qingpu Electric Power Supply Company, Shanghai 201700, China)

For the randomicity and intermittence of wind power, the LFP battery energy storage system is proposed to smooth wind power fluctuation. Firstly, based on the PNGV equivalent circuit model, the parameters of battery is identified by HPPC test, and the simulation model is analyzed and established to show charge and discharge characteristics of LFP．Secondly，based on the characteristics of the little changes of lithium battery terminal voltage, the structure of lithium battery is adopted to directly couple to DC bus of hybrid energy storage system. Then the power decoupling control scheme is presented for an AC/DC converter and the control target to smooth wind power fluctuations. Finally, the simulation model of wind power-energy storage system is established using MATLAB/Simulink software package. The results show the LFP battery energy storage system can effectively smooth the wind power fluctuation.

LFP battery; energy storage; wind power generation

10.11973/dlyny201605011

巨國(guó)嬌(1988)，女，碩士，工程師，從事變電站運(yùn)行和儲(chǔ)能電池管理工作。

TM912

A

2095-1256(2016)05-0582-05

2016-05-21