施嘯寒，王少榮

（華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等可再生能源發(fā)電技術(shù)具有環(huán)境友好、可再生的優(yōu)點，然而它們的強隨機性和間歇性會給電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性以及電能質(zhì)量帶來不利影響。因此，不少國家制定了嚴(yán)格的間歇式電源的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。只通過電源本身進行調(diào)節(jié)以滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不僅會降低可再生能源的利用率，而且限制了間歇式能源的運行靈活性及其向電網(wǎng)提供輔助服務(wù)的潛力[3]。研究和實踐工程均表明使用儲能裝置來平抑此類電源的間歇性和隨機性不僅可減小可再生能源發(fā)電對電網(wǎng)的影響而且可以提高可再生能源的利用率和運行靈活性[4]。

現(xiàn)有的儲能介質(zhì)可以分為能量型和功率型2類[5-6]：以鋰電池、鈉硫電池、液流電池和鉛酸電池等蓄電池為代表的能量型儲能介質(zhì)，其具有能量密度較大、功率密度較小的特點，且充放電次數(shù)以及放電深度受使用壽命限制；以超級電容、超導(dǎo)磁儲能和飛輪儲能等為代表的功率型儲能介質(zhì)，其具有能量密度較小、功率密度較大、高倍率充放電不會損害其性能的特點。2類儲能技術(shù)各有優(yōu)劣，因此人們將2類儲能裝置組合使用，取長補短構(gòu)成混合儲能裝置[7-10]。

目前研究較多的是蓄電池和超級電容器構(gòu)成的混合儲能裝置。文獻[11-12]建立了直接并聯(lián)式超級電容器／蓄電池混合儲能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，文獻[13-14]討論了超級電容器／蓄電池混合儲能系統(tǒng)可以采用的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，文獻[7-9]對超級電容器／蓄電池混合儲能應(yīng)用于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)進行了研究，文獻[10]對混合儲能系統(tǒng)在微網(wǎng)中的應(yīng)用進行了研究。研究表明：混合儲能系統(tǒng)有助于實現(xiàn)儲能系統(tǒng)儲能容量和儲能功率比值的合理配置，改善蓄電池的充放電過程，延長使用壽命，提高整體性能并降低成本。超導(dǎo)儲能具有90%以上的效率和ms級的反應(yīng)速度，與超級電容器相比有著更高的效率和能量密度。隨著超導(dǎo)材料及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)儲能裝置成本得到了降低，在20世紀(jì)末已到達了15 000～25000$／MJ、150～250$／kW[15]，可以預(yù)見隨著超導(dǎo)材料以及制冷技術(shù)的進一步發(fā)展，低成本的超導(dǎo)儲能也將會成為人們儲能配置的選擇之一，因此研究含有超導(dǎo)儲能的混合儲能裝置的結(jié)構(gòu)及其控制技術(shù)具有重要意義。

本文借鑒較為成熟的超級電容器-蓄電池混合儲能系統(tǒng)的研究成果，以蓄電池和高溫超導(dǎo)磁體構(gòu)成的混合儲能系統(tǒng)為研究對象，以平抑間歇性電源的功率波動為應(yīng)用目標(biāo)，研究儲能系統(tǒng)的構(gòu)成及控制策略，并通過仿真實驗檢驗了控制策略及整體系統(tǒng)的有效性。

1 混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 儲能裝置的接入方案

圖1 含儲能系統(tǒng)的可再生能源發(fā)電裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of renewable power generation system with hybrid energy storage system

含混合儲能單元的間歇性電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，圖中2個背靠背變流器可以是雙饋風(fēng)機轉(zhuǎn)子變流器、永磁同步發(fā)電機的并網(wǎng)變流器或光伏并網(wǎng)變流器，它們都用來完成將可再生能源發(fā)出的電力變換并饋入電網(wǎng)的功能?？刂破?為發(fā)電側(cè)變流器控制器，依據(jù)不同的控制目標(biāo)可執(zhí)行恒功率控制或最大功率追蹤等發(fā)電運行方式，控制發(fā)電單元的出力。控制器2為網(wǎng)側(cè)變流器控制器，其根據(jù)調(diào)度的指令或按照預(yù)先制定的發(fā)電計劃控制電源饋入系統(tǒng)的功率。未配置儲能裝置時，為維持直流側(cè)電壓恒定，發(fā)電側(cè)變流器的有功功率必須和并網(wǎng)變流器相同，從而電源的功率波動直接反映到并網(wǎng)功率中。裝設(shè)儲能裝置后，2個變流器功率差值可以被儲能裝置補償，從而隔離發(fā)電功率波動對并網(wǎng)功率的影響，實現(xiàn)對并網(wǎng)功率波動的平抑。

儲能接入發(fā)電系統(tǒng)有經(jīng)逆變器接入交流電網(wǎng)和并聯(lián)接入電源變流器直流母線2種方式。并聯(lián)接入電源變流器直流母線方式省去了儲能裝置到電力系統(tǒng)的逆變器，且控制更為簡單，更適合應(yīng)用在已配置變流器的可再生能源發(fā)電場合，故本文采用此接入方式。圖1中，儲能單元的加入使得發(fā)電控制器1和并網(wǎng)控制器2對有功功率的控制實現(xiàn)了解耦，達到了對發(fā)電裝置出力P1和電源饋入電網(wǎng)功率P2獨立控制，隔離P1波動對P2的影響的目的。P1和P2間的差值即為儲能單元需要補償?shù)目偣β剩鼪Q定了要求配置儲能裝置的最大功率，影響因素主要為電源出力的預(yù)測精度。

1.2 儲能裝置的接口電路

蓄電池-超導(dǎo)磁體混合儲能系統(tǒng)中蓄電池與超導(dǎo)磁體具有不同的特點，因而需要設(shè)計不同的接口電路。

蓄電池的外特性為理想電壓源與內(nèi)阻串聯(lián)，可以直接并接到變流器間的直流母線處。然而直接并聯(lián)方式使蓄電池的出力完全取決于直流母線的電壓大小，受控性較差。目前通常采用Buck／Boost型雙向變換器將其連接到直流母線處[16]，通過改變斬波電路占空比實現(xiàn)蓄電池輸出功率的控制，見圖2。

圖2 蓄電池接口電路Fig.2 Interface circuit of battery

圖中VS1與VD2構(gòu)成Buck電路，控制輸出電壓uo在小于直流母線電壓uC的范圍內(nèi)變化，此期間蓄電池釋放能量；VS2和VD1構(gòu)成Boost電路，控制uo在大于uC的范圍內(nèi)變化，此期間蓄電池吸收能量。接口電路工作在Buck模式還是Boost模式取決于蓄電池指令功率的符號，2種模式均通過調(diào)整占空比的大小改變蓄電池釋放或吸收功率的大小。

與蓄電池電壓源的性質(zhì)不同，超導(dǎo)磁體具有電流源的性質(zhì)，其接口電路如圖3所示。2個全控型開關(guān)和2個二極管構(gòu)成的斬波器電路保證了任意時刻都有電流通路，符合超導(dǎo)磁體電流源要求。全控型開關(guān)VS3和VS4同時開通時，超導(dǎo)磁體承受的電壓為uC，磁體吸收能量；全控型開關(guān)VS3和VS4同時關(guān)斷時，超導(dǎo)磁體承受的電壓為-uC，磁體釋放能量。因而通過調(diào)節(jié)開關(guān)VS3、VS4的開通占空比即可控制超導(dǎo)磁體一個開關(guān)周期里的平均功率，占空比大于0.5時超導(dǎo)磁體吸收能量，占空比小于0.5時超導(dǎo)磁體釋放能量。

圖3 超導(dǎo)磁體儲能裝置接口電路Fig.3 Interface circuit of superconducting magnet energy storage

2 混合儲能系統(tǒng)的控制方法

儲能控制系統(tǒng)的任務(wù)為根據(jù)發(fā)電單元的實時功率與調(diào)度要求的發(fā)電功率之間的差值控制儲能單元發(fā)出或吸收相應(yīng)的功率。混合儲能控制系統(tǒng)包括2個層次的控制：中央控制和本地控制。中央控制完成儲能裝置的指令功率在不同儲能裝置間的分配，即上層能量管理任務(wù)；本地控制通過對接口電路的觸發(fā)控制實現(xiàn)各儲能單元對各自指令的跟蹤。

2.1 中央控制單元

中央控制單元依據(jù)2類儲能裝置的特點將總功率指令在蓄電池和超導(dǎo)磁體之間分配。超導(dǎo)磁體具有功率密度大、反應(yīng)速度快、循環(huán)壽命長、功率突變承受能力強等特點，可用來提供指令功率中高頻波動部分。磁體承擔(dān)功率指令中的高頻成分，同時避免了超導(dǎo)磁體儲能容量小而導(dǎo)致的滿充或滿放問題。蓄電池承擔(dān)功率指令中的平滑部分，提供長時間的充電或放電能力，不僅避免了蓄電池承受大的電流變動而損壞電池，而且通過減少小循環(huán)充放電次數(shù)延長了蓄電池的使用壽命。

本文使用滑動平均濾波法[3，6]分離儲能系統(tǒng)總功率指令P0（即圖1中P2與P1的差值）中的高頻分量和平滑成分，分離結(jié)果傳輸給蓄電池和超導(dǎo)儲能磁體的本地控制器?；瑒悠骄鶠V波是時間序列分析中的常用方法，具有參數(shù)少、實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。時間窗長度T是滑動平均濾波的唯一參數(shù)，T越大，滑動平均濾波的通頻帶越窄，濾波結(jié)果越平滑；T越小，滑動平均濾波器的通帶越寬，功率指令經(jīng)過滑動平均濾波后得到的蓄電池指令頻率成分的最高頻率越高。

由于超導(dǎo)磁體所能存儲的能量較小，其連續(xù)吸收或釋放能力受連續(xù)工作的影響很大，因而滑動濾波器的時間窗長度T應(yīng)該根據(jù)超導(dǎo)磁體儲能狀態(tài)進行調(diào)整?；瑒訛V波時間窗長度調(diào)整規(guī)則如下。

a.當(dāng)超導(dǎo)磁體的儲能量大于設(shè)定值QSMES1時，可認(rèn)為超導(dǎo)磁體的儲能量偏高。當(dāng)P0為正時，應(yīng)減小T；當(dāng)P0為負(fù)時，應(yīng)增加T。

b.當(dāng)超導(dǎo)磁體的儲能量小于設(shè)定值QSMES2時，可認(rèn)為超導(dǎo)磁體的儲能量偏小。當(dāng)P0為正時，應(yīng)增加T；當(dāng)P0為負(fù)時，應(yīng)減小T。

c.當(dāng)超導(dǎo)磁體儲能量介于設(shè)定值QSMES1和QSMES2時，可認(rèn)為超導(dǎo)磁體儲能狀態(tài)良好，滑動窗口寬度設(shè)置合理，應(yīng)保持T不變。

上述濾波器時間窗長度T調(diào)整原則帶有滯環(huán)特性，能夠自動防止T振蕩。由P0得到蓄電池功率指令P*bat及濾波器時間窗長度T的過程如圖4所示。其中，超導(dǎo)磁體儲能狀態(tài)可通過磁體電流反映，蓄電池儲能狀態(tài)通過可蓄電池端電壓反映。

圖4 蓄電池功率指令生成過程Fig.4 Process of power order generation for battery

2.2 本地控制單元

本地控制單元的任務(wù)是控制蓄電池和超導(dǎo)儲能磁體跟蹤各自指令。得到蓄電池功率指令后，從總功率指令中減掉此值即得到超導(dǎo)磁體功率指令。但如果直流母線連接的各單元均采用功率控制，可能會出現(xiàn)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定問題，因而需要各單元中的一個作為平衡功率源。超導(dǎo)磁體儲能裝置反應(yīng)迅速，適合作為平衡功率源來維持母線電壓，因此超導(dǎo)儲能裝置應(yīng)采用定電壓控制。分別以直流電壓和有功功率為控制目標(biāo)，2種儲能裝置的本地控制方法如下。

圖1中，以直流電壓為狀態(tài)變量建立狀態(tài)方程得到：

其中，p為時間微分算子，C為直流電容大小，uC為直流電壓，Pbat、PSMES為蓄電池和超導(dǎo)磁體有功出力。

可以看到以uC為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程是非線性的，以電容儲能為新的狀態(tài)變量代入式（1）得：

可看到式（2）是Q的線性微分方程，由于uC是單極性，故與電容器儲能Q一一對應(yīng)，因而這種代換是合理的。

結(jié)合式（2），得到包含電壓控制器的超導(dǎo)儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，其中虛線框部分為電壓控制器，控制器采用PI控制律＋前饋控制，超導(dǎo)儲能裝置功率指令表達式如式（3）所示。

其中，Qref為指令電壓uCref對應(yīng)的電容器能量，K、τ為PI控制器參數(shù)。超導(dǎo)儲能裝置的功率指令可根據(jù)PSMES=uC（2D-1）iSMES轉(zhuǎn)化為斬波電路的占空比D，并根據(jù)占空比生成開關(guān)管的觸發(fā)脈沖。

圖5 超導(dǎo)磁體控制系統(tǒng)框圖Fig.5 Block diagram of superconducting magnet control system

對圖5進行化簡，可得到Qref到Q的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

傳遞函數(shù)對應(yīng)I型系統(tǒng)，能夠無差跟蹤電壓指令的階躍，因而可以維持直流母線電壓在指定值。同時由于超導(dǎo)磁體控制器中采用了前饋控制，P0、Pbat的變化會直接引起P*SMES的變化，與無功率前饋相比，系統(tǒng)具有更好的擾動恢復(fù)能力和更短的擾動恢復(fù)時間。

蓄電池承擔(dān)功率的平滑部分，功率變化較慢，可以采用基于電流控制的雙PI環(huán)功率控制。外層功率控制環(huán)保證功率控制無穩(wěn)態(tài)誤差，內(nèi)環(huán)電流在加快系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的同時抑制調(diào)節(jié)過程中的振蕩。功率控制環(huán)和蓄電池電壓前饋共同給出電流指令，電流指令一方面為電流內(nèi)環(huán)提供參考值，用來計算斬波占空比D，另一方面其符號決定蓄電池接口電路的工作模式。電流指令大于零時，電路工作于Buck模式，上橋臂受占空比為D的觸發(fā)脈沖控制，下橋臂截止；電流小于零時，電路工作于Boost模式，下橋臂受占空比為D的觸發(fā)脈沖的互補信號控制，上橋臂截止。完整的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖中，P、I為蓄電池實際輸出功率和電流，Iref為電流指令。

圖6 蓄電池控制系統(tǒng)框圖Fig.6 Block diagram of battery control system

3 仿真實驗

為驗證文中設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方法的有效性，本文采用PSCAD／EMTDC按照圖1所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建模型進行仿真實驗。仿真模型使用三相變流器模擬圖1中的發(fā)電功率和并網(wǎng)功率的差值P0，并以此作為儲能系統(tǒng)的功率總指令。

系統(tǒng)參數(shù)如下：直流母線電壓660 V，電容5000 μF，交流系統(tǒng)電壓380V；交流側(cè)濾波器參數(shù)為2mH、0.01 Ω；超導(dǎo)磁體使用 10 H、0.01 Ω 電感建模，斬波電路工作頻率4 kHz；蓄電池使用360 V、1 Ω內(nèi)阻的電壓源建模，Buck／Boost接口電路直流側(cè)電感 10 mH，開關(guān)頻率10 kHz?；瑒訛V波器時間窗初始值為4 s，調(diào)整步長0.01 s，超導(dǎo)磁體門檻上、下限電流為350 A和200 A，蓄電池最大充放電功率30 kW，設(shè)計抑制的波動功率的波動范圍為±100 kW。

變流器與交流系統(tǒng)間的功率交換波形如圖7所示，圖中前5 s為超導(dǎo)磁體的充電過程，隨后為間歇性電源出力與并網(wǎng)功率（發(fā)電平均值）之差變動的過程。蓄電池功率指令Porder和實際功率Pbat如圖8所示。對比圖7和圖8，可以看出滑動均值濾波器成功將功率指令中的低頻分量分離出來作為蓄電池出力指令，蓄電池在大部分時間里承擔(dān)了變化周期為4 s及以上的低頻分量的功率。從圖8中可以看到，蓄電池的出力變化平穩(wěn)，基本不存在充放電小循環(huán)，與圖7相比往復(fù)充放電次數(shù)大幅減少，對于充放電次數(shù)有上限的蓄電池裝置而言，此特點極大延長了蓄電池的使用壽命。

超導(dǎo)儲能裝置出力PSMES及其電流iSMES分別如圖9和圖10所示。由圖9可見，超導(dǎo)儲能磁體承擔(dān)了總功率指令中快速變化的分量。由于蓄電池承擔(dān)了總功率指令中的低頻變化成分，超導(dǎo)儲能磁體的出力變化的峰峰值減小。對比圖9與圖7可看到，多數(shù)時間段內(nèi)功率偏離縱軸0線的幅值減小，只有在蓄電池出力受限時偏離幅值才會較大，如在40 s和120 s附近出現(xiàn)的大幅偏移。圖10中超導(dǎo)磁體電流波形體現(xiàn)了超導(dǎo)磁體的儲能狀態(tài)：大部分時間里超導(dǎo)磁體電流只有小幅度波動，只有在蓄電池出力受限、超導(dǎo)磁體被迫承擔(dān)平抑功率指令的低頻分量時才會出現(xiàn)較大幅度變化。

圖7 變流器與系統(tǒng)交換功率波形Fig.7 Curve of power exchange between converter and system

圖8 蓄電池功率指令及實際出力波形Fig.8 Waveform of battery power order and its actual power output

圖9 超導(dǎo)磁體出力波形圖Fig.9 Waveform of superconducting magnet power output

圖10 超導(dǎo)磁體電流波形Fig.10 Current curve of superconducting magnet

儲能系統(tǒng)接入點直流母線電壓如圖11所示，圖中可見直流母線電壓含有一定的紋波。這是由超導(dǎo)磁體電流源通過對電容充放電維持電壓恒定的工作原理決定的，紋波的大小取決于直流電容大小、超導(dǎo)磁體電流以及斬波器工作頻率，通過提高斬波器的工作頻率或采樣多重斬波器可以進一步減小電壓紋波。圖11可以看出直流電壓抗擾動能力較強，在大的有功沖擊下電壓偏離較小，如40 s附近平抑功率由-50 kW快速增加為100 kW時，直流電壓沒有出現(xiàn)大的凹陷。

滑動平均濾波器時間窗口長度變化波形如圖12所示。當(dāng)超導(dǎo)磁體儲能狀態(tài)在設(shè)計范圍內(nèi)運行時（130 s之前），時間窗長度基本不變，蓄電池承擔(dān)預(yù)先設(shè)計的低頻成分（變化周期為4 s及以上）。在130 s左右，超導(dǎo)磁體儲能狀態(tài)越過下限，時間窗長度自動增減，在指令功率為負(fù)時調(diào)高超導(dǎo)磁體功率指令的頻率下限，使蓄電池承擔(dān)功率指令高頻成分增加，從圖8的蓄電池出力也可看到此點。

圖11 儲能系統(tǒng)接入直流母線電壓Fig.11 DC bus voltage curve when energy storage system is connected in

圖12 滑動平均濾波器時間窗長度波形圖Fig.12 Waveform of time window length of moving average filter

4 結(jié)論

本文給出了使用蓄電池-超導(dǎo)磁體混合儲能系統(tǒng)平抑間歇性電源出力波動的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其基于中央控制單元和本地控制單元雙層控制結(jié)構(gòu)的控制方法和具體實現(xiàn)，并通過PSCAD／EMTDC進行了仿真實驗。理論分析和仿真實驗得到以下結(jié)論。

a.蓄電池-超導(dǎo)磁體混合儲能系統(tǒng)能夠有效隔離間歇性電源發(fā)電出力的波動對并網(wǎng)功率的影響，從而維持并網(wǎng)功率的穩(wěn)定。

b.使用具有滯環(huán)特點的時間窗長度調(diào)整方案調(diào)整滑動平均濾波器的時間窗，能夠?qū)⒀a償總功率在蓄電池和超導(dǎo)磁體之間合理分配，充分利用功率型和能量型儲能裝置各自的優(yōu)勢。蓄電池承擔(dān)慢變化分量，保證其出力穩(wěn)定，減小功率變化對蓄電池的沖擊，減少充放電小循環(huán)，從而延長蓄電池壽命；超導(dǎo)磁體承擔(dān)快變化分量，避免磁體充滿和放空，減小對超導(dǎo)磁體的容量要求，從而減小體積，降低成本。