互补储能技术及其控制策略

王 波

（国网安徽省电力公司 检修公司，合肥 230061）

1 储能系统研究状况

近年来，风力发电和太阳能光伏发电技术广泛应用，在电网中扮演着越来越重要的角色。然而由于气候的不确定性和随机性，导致了可再生能源发电系统输出功率存在随机性和波动性。因此，亟需引入储能系统来降低对电网波动的影响。通常，在可再生能源出口侧安装储能系统，可以直接对输出功率进行平抑，在一定程度上可以提高可再生能源电源的可调度性［1-3］。

在技术上比较成熟和具备可行性的储能系统，主要是蓄电池储能系统（BESS）和超级电容储能系统（SCESS）。文献［4］指出，蓄电池储能系统具有能量密度高的优点，但不利于深度充放电；而超级电容储能系统功率密度高，响应速度快，但其能量密度低。文献［5，6］提出利用蓄电池储能系统平衡风力发电的间歇性，以及配置相应的储能容量。文献［7，8］提出利用超级电容储能系统平抑独立可再生能源发电系统功率波动的拓扑结构以及控制策略，但没有充分考虑超级电容在长期工作中容量上的缺陷。文献［9，10］提出蓄电池储能系统电路模型及平抑控制策略，但没有深入分析蓄电池在工作中应对尖峰功率时存在的问题。单一超级电容储能系统虽然能够快速响应平抑大功率波动，但是在长时期运行时会出现因容量上的限制而导致能量不足；而单一蓄电池储能系统在平抑尖峰大功率波动时，可能会因为响应速度慢或者功率不足而导致平抑的失败，需通过进一步加大容量等级来弥补功率上的缺陷，这样会造成容量上的冗余，同时充放电深度过大对蓄电池储能系统的使用寿命会造成严重的影响。

综上所述，针对单一储能系统功率或能量上存在的问题，根据蓄电池储能系统和超级电容储能系统在能量和功率上的特点，结合二者的互补性，提出了面向可再生能源发电系统的互补储能技术，并且针对给定发电计划下的功率波动，给出了相应的平抑控制策略。

2 储能系统的建模

由于考虑的是数学模型，不考虑超级电容器和蓄电池的电路模型及其工作过程，并且在数学模型上超级电容和蓄电池储能系统是相似的，因此从3个角度考虑建模。

2.1 电量递推关系

剩余电量是储能系统充放电能力的重要标志，它在充放电过程中不断地发生变化，其变化量与该时间段内充放电功率、自放电率以及充放电效率有关。

1）充电过程关系式

2）放电过程关系式

式中：W（n）为第n个时段结束时储能系统的剩余电量，MWh；δ为储能系统自放电率，%／min；W（n-1）为第n-1个时段结束时剩余电量，MWh；Pc为储能系统充电功率大小，MW；Pd为放电功率大小，MW；ηc为储能系统充电效率的大小，%；ηd为储能系统放电效率的大小，%。

2.2 电量约束

为了储能系统的正常使用和工作效率，需要对电量进行限制，以防止其电压过高或过低。其电量约束表达式为：

式中：Wmin为储能系统电量约束下限，MWh；Wmax为储能系统电量约束上限，MWh。

假设蓄电池和超级电容储能系统的额定容量都为EC，通常蓄电池取Wmin=0.2EC，Wmax=0.85EC；超 级 电 容 取 Wmin=0.15EC，Wmax=0.95EC。同时，为了保证储能系统开始就能充放电，电量初值W（0）取值范围在0.5EC至0.6EC之间。

2.3 功率约束

储能系统的充、放电功率约束，由储能系统的最大持续充、放电功率以及当前剩余电量决定。最大充、放电功率允许值为：

1）充电过程关系式

2）放电过程关系式

式中：Pc，max（n）为第n个时段储能系统的最大充电功率允许值，MW；Pd，max（n）为第n个时段储能系统的最大放电功率允许值，MW；Pmax，C为储能系统最大充电持续功率，MW；Pmax，D为储能系统最大放电持续功率，MW。

考虑工作中的可再生能源发电功率P（n）和平抑目标PMB（n），储能系统功率约束表达式为：

1）充电约束时

2）放电约束时

式中：Pc（n）为工作中充电功率大小，MW；Pd（n）为工作中放电功率大小，MW。

3 互补储能系统控制策略

3.1 功率关系

通常根据历史数据和电网需求，事前制定可再生能源发电系统的发电计划功率，而实际过程中由于气候因素的不确定性，可再生能源发电系统的功率随时间存在一定的波动性，因此需要储能系统平抑二者之间的偏差。假设可再生能源发电系统的出口功率为PRenew，计划功率为Pplan，则两者之间的偏差为储能系统的功率PESS，即：

当PESS＞0时，表明储能系统释放功率，反之则吸收功率。

由于储能系统由蓄电池和超级电容共同组成，假设超级电容的功率为PSC，蓄电池的功率为PB，则：

当PB＞0时，表明蓄电池储能系统释放功率，反之吸收功率。在运行过程中PB和PSC符号可以不同，它们之间存在一定的能量交换。

3.2 浮动平均值

浮动平均值（Floating Average Value）用于求取一个波动信号的平均值，并且随着时间变化，对于离散化的数据系列，其表达式为：

进一步对式（10）展开，则：

由式（11）可以看出，g值越小其信号的平稳性越好。为使蓄电池储能系统在平抑过程功率平稳，避免出现充放电功率过大，综合考虑后g值取0.045。

3.3 控制策略

根据蓄电池能量密度高但不适宜深度充放电，而超级电容能够大功率充放电但能量密度低的特点，将超级电容作为蓄电池的辅助功率缓冲器，针对可再生能源发电功率和实际发电计划之间的功率波动偏差，先通过浮动平均环节得到功率偏差的平均值，以此作为进入蓄电池储能系统中功率的参考，剩余部分特别是包含尖峰功率波动的成分进入超级电容储能系统。这样可以使得蓄电池能量优势充分发挥，降低其深度充放电的可能性，而超级电容器不仅能发挥其功率方面的优势，而且在能量方面可以为蓄电池提供一定的辅助和补充作用。

互补储能系统控制策略框图如图1所示。

图1 互补储能系统控制策略框图

由图1可以看出，互补储能系统的工作过程为：

1）读取发电计划功率Pplan和可再生能源发电系统的实际输出功率PRenew，并计算功率偏差作为进入储能系统中的功率值。

2）对PESS求取浮动平均值得：

3）如果ABS（PESS）＞ABS（Pmean），则

4）如果ABS（PESS）＜ABS（Pmean），则

式中：FAV（）为求取浮动平均值函数；ABS（）为绝对值函数。

4 算例分析

某可再生能源发电系统一定时间段（3 000s，采样周期为10s）的发电功率PRenew曲线和给定的发电计划功率Pplan曲线如图2所示。图中x坐标轴每个点代表10s，共300个时间点。

图2 PRenew与Pplan功率曲线

4.1 单一蓄电池储能系统

如果采用单一的蓄电池储能系统，要达到平抑的目标，则在这个过程蓄电池储能系统中功率变化状况如图3所示，能量变化状况如图4所示。

图3 蓄电池储能系统功率变化曲线

图4 累计充放电电量变化曲线

由图3和图4可以看出，采用单一蓄电池储能系统时，在出现尖峰功率波动时，蓄电池的最大放电功率达到2.4MW，最大充电功率为1.337MW，充放电功率波动较大。在这个平抑过程中，蓄电池储能系统最大累计释放能量达到0.175MWh，如果蓄电池初始能量SOC（0）为0.5EC，为保证蓄电池的正常工作同时达到平抑目标，则需要配置的蓄电池储能系统额定容量至少为0.6MWh，由于在这个过程中出现多次深度充放电，将会影响蓄电池储能系统的使用寿命，对蓄电池储能系统而言，在尖峰功率波动时可能会出现响应速度缓慢而造成平抑失败，为了防止这种状况的出现，必须进一步加大蓄电池储能系统的额定容量，满足其功率要求。

4.2 互补储能系统

根据本文提出的蓄电池—超级电容互补储能系统，实施其相应的控制策略，互补储能系统中蓄电池储能系统充放电功率PB仿真结果如图5所示。

图5 蓄电池功率PB变化曲线

互补储能系统中蓄电池储能系统累计充放电电量W仿真结果如图6所示。

图6 累计充放电电量W变化曲线

互补储能系统中超级电容储能系统充放电功率PSC仿真结果如图7所示。

图7 充放电功率PSC变化曲线

互补储能系统中超级电容储能系统累计充放电电量W／MWh仿真结果如图8所示。

互补储能系统中3种功率变化值仿真结果如图9所示。

图8 累计充放电电量W变化曲线

图93 种功率变化值比较

将图5、图6与图3、图4相比，采用蓄电池—超级电容互补储能系统后，蓄电池的最大放电功率为0.779MW，降低了67.5%，最大充电功率为0.47MW，降低了58.9%。在这个过程中最大累计释放能量为0.11MWh。为了保证其正常工作且达到平抑目标，蓄电池储能系统最小配置容量为0.37WMh，相比之下有所减小。这是因为超级电容储能系统在这个过程中不仅平抑尖峰功率波动，同时也为蓄电池储能系统提供了一定的能量支持。由于在此过程中蓄电池的充放电功率较平稳，没有出现尖峰充放电功率，在此种容量等级下即可满足相应的充放电功率要求。

由图7、图8可以看出，超级电容储能系统在平抑过程中，最大放电功率为1.92MW，最大充电功率1.4MW，并且在这个过程中超级电容储能系统最大累计释放能量为0.066MWh，在保证正常工作的状况下，超级电容最小配置容量约为0.18MWh。由于超级电容器可以深度充放电，因此能够满足大功率的平抑要求。

通过图9中互补储能系统功率综合比较可以看出，通过超级电容器和蓄电池储能系统的配合，蓄电池储能系统承担较小的功率，且在平抑过程中功率较为平稳，没有出现特别大的充放电功率。超级电容器可以承担功率缓冲的作用，一方面在出现大的功率波动时能够快速响应承担尖峰功率，同时在这个过程中实时提供部分功率以保证蓄电池储能系统充放电功率的平稳性。在功率波动较小时超级电容功率为0，主要由蓄电池储能系统来起平抑作用。

5 结论

根据本文提出的蓄电池—超级电容器互补储能系统及其相应的控制策略，可以有效地缓解单一蓄电池储能系统在平抑过程中深度充放电的压力，最大充放电功率都得到显著的降低，使得蓄电池储能系统在较为平稳的充放电功率下工作，对于实际工作中的蓄电池储能系统而言，可以改善蓄电池的使用性能，延长使用寿命。同时，互补储能系统可以充分利用超级电容功率密度高、响应速度快、蓄电池能量密度高的互补性，与单一储能系统相比性能更加完善。

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