儲能技術在風力發電系統中的應用研究

山西能源學院能源與動力工程系 蘇曼婷 劉志剛 王迎春 范敏鈞

可持續發展模式在當前社會生產中占據重要位置，其中風能因為具有清潔、可再生等優點成為新能源發展的新方向。但風能受到氣象條件、地理環境等因素影響，具有一定的波動性、間接性特征，存在發電量不穩定的特征，而解決上述問題，需要采取一定補償措施盡可能實現風電輸出功率平滑。而儲能設備及其相關電力電子技術的出現則充分滿足了上述要求，是實現風電并網運行的關鍵，值得關注。

1 常見儲能技術分析

蓄電池儲能技術。該技術以電化學形式儲能，是較為常見的儲能手段，常見技術類型包括鎳氫電池技術、鉛酸電池技術與鋰電池等。根據相關學者對蓄電池技術的調研發現，隨著蓄電池技術不斷成熟，該技術能量密度大、適應性強等優點而被社會所關注，加之該技術整體成本偏低，也為該技術的發展奠定基礎[1]。但該技術存在明顯缺陷，如壽命短，加之蓄電池生產制作中使用了有害金屬，可能造成環境污染。

超導儲能技術。文獻[2]對超導儲能系統的可行性展開分析，認為該技術的核心思路為：用超導材料制成的線圈把電網供給的電能磁場能量的形式儲存，在需要的時再將此電磁能量轉換為電能釋放出來即可。與常規技術相比，超導儲能具有更高的充放電效率，且使用年限長，可在較短時間內提供較大功率，具有技術優勢。

超級電容器技術。與傳統儲能技術方案相比，超級電容器儲能技術具有能量存儲量大、耐壓能力好的技術特點，其技術優勢表現為：一是具有更大的功率密度，可滿足多次循環充放電的要求，且整個儲能系統的運行速度更快。二是該儲能技術架構的維護工作量少、系統穩定性高，這也為技術推廣奠定了良好基礎。

混合儲能技術。有學者認為，考慮到單一的儲能裝置在技術上存在一定的限制，無法同時滿足高功率密度、高能量密度、高儲能效率等方面的要求，所以應整合不同儲能技術的優勢實現性能互補，構建的混合儲能架構可兼顧技術性能優勢與經濟性的要求，在兼顧儲能系統放電能力的同時，也要盡可能延長使用年限，保證儲能技術經濟性目標的實現[3]。

2 合儲能系統的設計策略

2.1 蓄電池的設計思路

在風力發電中，考慮到風能具有隨機性特征，所以為平抑風能輸出功率，在儲能系統設計中必須考慮兩個關鍵條件，即可以提供長期功率支持，也具有補償短期高頻功率波動的特性。通過對當前常見儲能技術的研究可以發現，超級電容技術具有容量小的特征，可滿足電力系統頻繁充放電的操作要求，并且該技術方案在補償高頻功率波動上具有顯著優勢。而傳統的蓄電池組技術方案雖然無法滿足頻繁充放電的要求，但作為一種穩定的儲能手段，該技術可為風力發電提供長時間穩定的功率支持?；趯ι鲜霾煌桨傅南冗M性的考慮，在本次混合儲能系統設計中，將采用超級電容器+蓄電池組的設計方案。

2.2 蓄電池模型實現

本文所設計的蓄電池模型將電池損耗分為等效內阻損耗與寄生功率損耗兩方面，并依靠受控源體現電池性能。與傳統蓄電池控制方案相比，本文所設計的電池模型可滿足電池荷電狀態實時測量的要求，為自動化系統監控蓄電池運行狀態奠定良好基礎。

本次設計中采用了兩個電阻共同實現混合儲能系統中的等效內阻，包含了傳輸電阻、薄膜電阻、反應動力等因素造成的總損耗。在系統結構上采用了多個電池單元串聯模式，假設單體電池的電壓表示為Ucell，整個混合儲能系統中共設有n 個相同的電池，則串聯后儲能系統的電壓計算方式如公式：Ucs=nUcell，式中：Ucs表示儲能系統電池堆電壓值。同時Ucell與電池荷電狀態存在密切關系，則其計算方法如下：

式中：SOC 表示電池的荷電狀態；Ueq表示電池正負極標準電勢；R 表示氣體常數；T 表示溫度；F 表示拉法第常數。根據本式所介紹的關系式可以發現，本次設計的混合儲能系統中，其性能受到電池電荷狀態、單體電池數量等因素影響，此時為確保蓄電池整體性能穩定，則電池組的端電壓應滿足以下公式的計算要求：Ub=Ues-In（Rreocion+Rresisive），式中：Rreocion與Rresisive分別表示混合儲能系統中的兩個電阻；Ub表示電池組的端電壓。

2.3 電池控制策略

由于本次混合儲能系統中采用了超級電容器模型，所以在電池控制策略上應確保電池荷電狀態相對穩定，此時SOC 的計算方式如下公式所示：

Soc=U-Umin/Umax-Umin

式中：U 表示超級電容放電時的電壓；Umin表示超級電容放電時電壓的最小值；Umax表示超級電容放電時電壓的最大值。

為更好地滿足儲能系統控制要求，本次設計中采用超級電容器與雙饋風機PWM 變換器，通過直流環節連接的方式，將儲能系統連接到風力發電系統中，此時考慮到超級電容器運行期間會導致端電壓發生改變，為保證整個系統的穩定性，可考慮引入Buck-Boost 直流斬波電路，該電路的功能是連接電力系統的直流環節與電容器，在整體電路系統結構優化的基礎上，利用介入式的拓撲結構可減少風電系統產生的短期功率波動問題，并確保整個電力系統中直流母線強度理想，此時Buck-Boost 直流斬波電路的架構如圖1所示。

圖1 Buck-Boost 直流斬波電路架構圖

在圖1所介紹的電路架構中，可通過控制兩個可控晶閘管調整超級電容器的充放電狀態。其中，在混合儲能系統的正常工況下，系統通過發送觸發信號使S1進入導通狀態，確保電能可在直流環節中向超級電容器中釋放電能；隨著超級電容器中的儲能逐漸達到峰值，系統發送閉合系統，在接收觸發信號后S1進入閉合狀態。但在S1閉合之后風能會持續向系統輸送電能，且電感中的電流無法突變，此時電感與S2反并聯二極管構成回路，繼續執行超級電容充電過程，該過程會支出到開關管S1重新恢復導通，或者能量消失，反之亦然。

由此可見，在圖1所介紹的電路架構可控制兩個開關管的通斷即可控制電路的功率流向，而控制開關管具體的占空比就可控制充放電功率的大小。而為確保圖1所介紹的電路架構能穩定持續地運行，應嚴格控制電路架構的允許最大電流平均值，其計算方法如以下公式所示：

式中：imax表示直流斬波電路的允許最大電流平均值；T 表示超級電容器設定的補償周期時間；udc風機直流環節的電壓值；uess表示超級電容器的電壓值；L 表示電路進線的實測電感值。

2.4 儲能平抑風電功率波動控制策略

考慮到風能輸出的不穩定性，而合理運用儲能裝置則可平抑風電輸出的功率波動，達到提升系統平滑度的效果，這是適應未來大規模風電并網的關鍵。目前，較為常見的方法包括：在采用單一儲能裝置平抑功率時，可通過低通濾波器分離補償功率；在采用混合儲能平抑功率時，則可通過高通濾波器與低通濾波器將補償功率的低頻與高頻部分分離出來。同時，需要注意的是，在儲能平抑風電功率波動控制策略中，可利用低通濾波器獲得期望輸出功率，但在實際操作中無法完全杜絕延遲效應等因素的影響，這一現象則會導致補償后的功率值與實際值不相符，導致系統實際需要的儲能裝置容量更大。

為解決因為上述問題造成的數據差異，本次研究中將引入移動平均值算法，作為一種現代數據分析方法，不同于傳統技術對數據的分段，該技術可根據時間軸對數據流程進行推移，在持續獲得固定量數據后即可對最終結果進行預測。由此可見，該算法可以提供精準的數據平均值，且數據平滑效果好，可消除因為干擾項等問題對最終結果的精度影響，并綜合體現數據變化規律?；谝苿悠骄邓惴ǖ囊?，在計算風電輸出平滑值溝通率中可采用以下公式的計算方法：

基于上述關系式可以判斷，隨著n 取值不斷增加，m 取值減少，則儲能系統對應的期望功率越平滑。同時，m 的取值也是影響期望功率的重要因素，若m 的取值偏低，則會導致曲線出現明顯的鋸齒狀波形。同理為實現混合儲能系統穩定運行，則應保證期望功率的平滑度良好，也能與原輸出功率曲線保持滿意的等值性。

3 系統仿真驗證

本次仿真驗證中采用MATLAC/Simulink 軟件，在該軟件中構建風力發電系統仿真模型，在模型運算中設定移動時間尺度n=2s，m=10%。儲能裝置的仿真設定方案見表1。

表1 混合儲能裝置的仿真功能設定方案

同時，為更方便地觀察混合儲能系統的關鍵參數，以及電池荷電狀態SOC 的變化情況，在本次仿真研究中設定蓄電池容量偏低，確保整個仿真過程可在更短時間達到較大幅度變化的目的。另外，設定該混合儲能系統電池荷電狀態SOC 的正常值取值范圍為15.0%～85.0%，超級電容器的補償周期為0.004s。

基于上述要求，先對蓄電池系統的SOC 變化情況進行仿真模擬，最終模擬結果顯示，蓄電池補償功率曲線出現了較為明顯的數據波動情況，有明顯的鋸齒狀波形，證明在蓄電池補償功率情況下，SOC的整體情況不穩定。相關數據顯示，整個仿真過程以10s 為一個周期，其中當仿真進行至6～8s 時，SOC已經下降至10.4%～12.1%左右，明顯偏離正常取值范圍。此時，蓄電池處于嚴重的過充或者過放狀態，若不能及時采取有效措施將會導致儲能系統使用年限縮短，不利于保證系統的運行穩定性。

之后引入混合儲能系統，系統模擬不同時間段的補償功率變化情況，相關數據對比，在不同仿真時間（s）補償前/后的風電輸出功率情況（單位：×105W）結果如下：0/11.0/11.0、2/9.54 /11.2、4/11.3/10.9、6/8.3/10.4、8/9.4/10.2、10/10.8/10.0。根據以上對混合儲能系統應用效果的現場模擬結果可以發現，在通過該儲能系統進行補償后，發現補償后的輸出功率相對平滑，整體波動幅度與補償前相比整體偏低。

4 創新性評價

本文基于蓄電池組技術、超級電容器技術所構建的混合儲能系統在操作上具有可行性，整個數據處理中通過移動平均值算法解決了常規技術存在的數據異常波動情況，并且最終時間結果也顯示，該混合儲能系統在風力發電系統補償中具有可行性，經儲能裝置補償后，使風電輸出功率相對平滑，對于延長蓄電池組使用年限、提升系統穩定性的效果顯著。