混合储能系统平抑风力发电输出功率波动控制方法设计_蒋平

ＤＯＩ：１０．７５００／ＡＥＰＳ２０１２０３１９８

混合储能系统平抑风力发电输出功率波动控制方法设计

蒋　平，熊华川

（东南大学电气工程学院，江苏省南京市２１００９６

）摘要：风力发电系统输出功率的随机性对大规模风电并网会产生诸多不利影响，近年来采用储能

装置平抑风电输出功率的研究取得了一定进展。文中分析了单独采用蓄电池组或超级电容器对风力发电输出功率进行补偿时的不足之处，在此基础上构架了采用蓄电池组和超级电容器的混合储能系统，并进一步提出了利用其平抑风力发电输出功率的控制方法。所提出的控制方法将补偿功率分为高频和低频２个部分进行补偿，一定程度上克服了储能设备单独使用时的不足，并且在补偿过程中考虑了电网调度的需求。经仿真验证该方法能够较好地平抑风力发电系统输出功率。关键词：风力发电；储能装置；输出功率平抑；混合储能系统；蓄电池；超级电容器

收稿日期：２０１２－０３－２２；修回日期：２０１２－０７－

０３。国家高技术研究发展计划（８６３计划）资助项目

（２０１１ＡＡ０５Ａ１０５

）。０　引言

能源和环境是当今人类生存和发展所要解决的

紧迫问题，

对可再生能源的开发利用，特别是对风能的开发利用已受到世界各国的高度重视，双馈风力

发电机控制技术也已经较为成熟［

１］

。但风能与常规能源不同，具有随机性，因此，大规模的风电并网会

对电网造成不利影响，并且会给电网调度工作带来

困难［２］

。近年来，针对减小风能随机性带来的危害

开展了不少研究，储能设备性能的不断完善也为平

抑风力发电输出功率提供了更为强大的硬件支

持［

３－

４］。针对风力发电输出功率平抑的研究已有一定成果［５－

１０］，目前主要是采用蓄电池组和超级电容器２种储能设备来实现功率平抑。文献［５，１０］

讨论了采用蓄电池组进行风力发电系统功率平抑的可行性，同时分析了蓄电池接口电路的控制原理。文献［６－

７］研究了采用超级电容器进行风力发电系统功率平抑的控制策略，给出了采用ＤＣ／ＤＣ斩波电路

的电容器接口结构。

本文在已有研究成果的基础上，提出了一种混合储能系统及其控制策略。混合储能系统同时采用蓄电池组和超级电容器作为补偿设备，２种储能设备在功率补偿过程中相互补充，一定程度上克服了储能设备单独使用时的不足，同时在功率平抑过程中考虑了电网调度的需求。

１　单种类型储能设备功率平抑效果

储能设备类型多样，本文主要针对蓄电池组和

超级电容器２种储能设备进行研究。

１．１　蓄电池组单独使用时的平抑效果

蓄电池组采用如图１所示的方法接入风力发电系统［５］

。图中，蓄电池组经脉宽调制（ＰＷＭ）变换器接入电网，蓄电池组控制采用ｄｑ解耦控制策略，

使用ｄ轴电流作为参考值

。

图１　蓄电池组接入示意图

Ｆｉｇ．１　Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｂａｔｔｅｒｙ　

ｇｒｏｕｐ为了观察蓄电池组对风力发电系统输出功率平

抑的效果，在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ平台上进行了仿真分析，蓄电池组容量为４００Ａｈ，

结果如图２所示。可以看出，输出功率基本能够稳定在参考功率附近且波动较小，因此，从补偿效果考虑，单独采用蓄电池组作为储能装置效果比较理想。但这种方式在蓄电池运行过程中存在不足之处，图３给出了蓄电池组运行过程中充电电流Ｉｂｅｓｓ及荷电状态（ＳＯＣ）的变化曲线。

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２２１—第３７卷　第１期２０１３年１月１０

日Ｖｏｌ．３７　Ｎｏ．１

Ｊａｎ．１０，２０１３

图２　蓄电池组功率平抑效果Ｆｉｇ．２　Ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔ　ｕｓｉｎｇ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｂａｔｔｅｒｙ　

ｇｒｏｕ

ｐ图３　蓄电池组电流及ＳＯＣ波形

Ｆｉｇ．３　Ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ＳＯＣ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｂａｔｔｅｒｙ　

ｇｒｏｕｐ蓄电池组初始荷电状态为５０％，从图中可以看出，

在仿真过程中蓄电池组经历了４次充放电状态转换。一般来讲，蓄电池组具有较大的容量，但其充放电次数具有一定的局限性，如此频繁的充放电转换会对蓄电池组寿命造成较大的影响，不利于储能装置的长期稳定运行。

１．２　超级电容器单独使用时的平抑效果

超级电容器经过如图４所示的方法接入风力发电系统［６］

。图中，ＤＣ／ＤＣ电路为传统Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ斩波电路，超级电容器通过它直接与双馈感应发电机（ＤＦＩＧ）直流环节电容器相连。超级电容器与电网的功率交换则通过双馈风力发电机的网侧ＰＷＭ

变换器实现

。

图４　超级电容器接入示意图

Ｆｉｇ．４　Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｕｐｅｒｃａｐ

ａｃｉｔｏｒ超级电容器充放电功率控制主要通过调节ＤＣ／ＤＣ电路触发信号的占空比实现。这种控制方法需要保持充放电电流断续，否则会出现功率不可控的情况，如图５所示

。

图５　超级电容器补偿效果

Ｆｉｇ．５　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔ　ｕｓｉｎｇ　

ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ可以看出，输出功率在３～４ｓ之间因为功率不可控造成了明显的波动。为保证超级电容器充放电功率的持续可控，可根据下式确定触发信号占空比：

Ｋ１＝１Ｔ′２ＬＴ′Ｐｅｓｓｒｅｆｕｄｃ（ｕｄｃ－ｕｅｓｓ槡

） ｉａｖｅ＜ｉｍａｘ

ｋｕｅｓｓｕ

ｄｃｉａｖｅ＞ｉ烅烄烆ｍａｘ

（１）Ｋ２＝１Ｔ′２ＬＴ′（ｕｄｃ－ｕｅｓｓ）｜Ｐｅｓｓｒｅｆ｜ｕｄｃｕ２

ｅ槡

ｓｓ

ｉａｖｅ＞－ｉｍａｘｋｕｄｃ－ｕｅｓｓ

ｕｄｃｉａｖｅ＜－ｉ烅

烄烆

ｍａｘ

（２

）式中：Ｋ１和Ｋ２分别为充放电时触发信号占空比；

ｕｅｓｓ为超级电容器电压；ｕｄｃ为双馈风力发电机直流环

节电容器电压；Ｐｅｓｓｒｅｆ为功率参考信号；

Ｌ为ＤＣ／ＤＣ电路进线电感；Ｔ′为超级电容器补偿周期；ｉａｖｅ为补偿周期内电流平均值；ｉｍａｘ为保证电流断续所允许的最大电流平均值；ｋ为小于１的常数，本文取０．９。

考虑实际运行中，双馈风力发电机ＰＷＭ变换

器容量设计一般不大于发电机容量的１／３，而超级电容器通过网侧ＰＷＭ变换器与电网进

行功率交

换，因此，设计时通常将超级电容器补偿功率上限设定为双馈风力发电机容量的１／３。这样的设定在需要补偿功率较大的情况下就会出现补偿功率不足的情况，图６以ＧＥ公司１．５ＭＷ双馈风力发电机为例对这种情况作出了说明。

图６　超级电容器功率补偿限制示意图

Ｆｉｇ．６　Ｐｏｗｅｒ　ｌｉｍｉｔ　ｏｎ　ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｃｏｍｐ

ｅｎｓａｔｉｏｎ从图６中可以看出，当需要补偿的功率增大至

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３２１—·储能技术及其在电力系统中的应用·　蒋　平，等　混合储能系统平抑风力发电输出功率波动控制方法设计