普智勇，張冬蕊，尹學衛(wèi)，王 驍，竇體春

(1.中廣核新能源投資(深圳)有限公司云南分公司，云南 昆明 650000; 2.哈爾濱工業(yè)大學 電氣工程系，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著環(huán)境問題及能源結構問題的日益嚴峻，電力行業(yè)逐步加大了清潔能源的發(fā)展力度[1]。風電作為近年來大力發(fā)展的新能源之一，由于其典型的波動性和間歇性，給電力系統(tǒng)運行及穩(wěn)定帶來了新的挑戰(zhàn)。儲能裝置由于可以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)實時不平衡能量的吸收或支持，在新能源電力系統(tǒng)中具有非常廣闊的應用前景[2]。其中，電池儲能和超級電容儲能均具有快速響應的特點。不同的是，超級電容儲能具有較高的功率密度和較低的能量密度；而電池儲能具有較高的能量密度和較低的功率密度[3-5]。此外，電池儲能裝置的使用壽命受其充放電深度影響較大，而超級電容的循環(huán)壽命受其運行方式的影響較小[6]。因此，對比研究兩種儲能系統(tǒng)的不同性能，對充分、高效、經(jīng)濟地利用不同儲能裝置進行風電消納具有重要的意義和價值。

與此同時，風電功率可以視作不同時間尺度的分量疊加[7]。根據(jù)這個特點，可以結合不同時間尺度的風電功率特性及不同儲能系統(tǒng)的特點，探究不同儲能對多時間尺度風電消納的特性，對儲能參與新能源消納策略的制定提供參考和指導。

針對混合儲能系統(tǒng)與多時間尺度風電功率消納問題，國內外學者從控制策略，時間常數(shù)選取等方面進行了研究。文獻[8]采用離散傅立葉變換和經(jīng)驗模態(tài)分解的方法，實現(xiàn)了對實時風電功率的分解，提出了一種微電網(wǎng)混合儲能容量配制方法；文獻[9-10]基于綜合能源系統(tǒng)基本網(wǎng)絡結構，從經(jīng)濟性角度對多元儲能系統(tǒng)進行了規(guī)劃；文獻[11]基于電熱混合儲能原理，以對棄風功率的最大化消納為目標，提出了一種微電網(wǎng)運行策略。目前針對電池及超級電容儲能系統(tǒng)對風電功率消納問題的研究大多停留在優(yōu)化調度層面，缺少對兩種儲能系統(tǒng)內部的精細化建模，無法反映儲能系統(tǒng)或裝置實時的電壓和功率波動信息。因此，本文基于電池和超級電容儲能系統(tǒng)的工作原理及內部結構，對兩種儲能系統(tǒng)進行細致的數(shù)學模型刻畫，在此基礎上，研究儲能系統(tǒng)在消納多時間尺度風電功率過程中的動態(tài)表現(xiàn)，對儲能系統(tǒng)特性的研究和評估具有實用性的價值和意義。

本文從適用性和經(jīng)濟性角度，基于電池和超級電容儲能工作原理建立數(shù)學模型，探究了對不同時間尺度風功率消納過程中，兩種儲能的電壓、功率及能量變化過程，對兩種儲能對多時間尺度風電功率消納特性進行了對比分析和評估。

1 儲能系統(tǒng)數(shù)學模型

基于電池和超級電容儲能工作原理建立電池和超級電容儲能系統(tǒng)模型，在建模過程中進行以下假設[12]：

(1)忽略環(huán)境影響因素，如環(huán)境濕度、環(huán)境溫度等外部因素對模型內部元件的影響，認為設定模型參數(shù)不隨充放電過程的進行而發(fā)生變化；

(2)忽略個體間差異，認為所有元件單體是完全一樣的。

1.1 電池儲能系統(tǒng)模型

電池儲能單體通過串并聯(lián)的方式組成電池儲能系統(tǒng)模型[12]。本文采用等值電路法建立電池單體模型，如圖1所示[13]。

圖1 電池儲能單體模型

其中，Vbattery和Ibattery代表電池兩端的電壓與電流；Rt、Rseries和Ct分別代表電池內部的電阻與電容參數(shù)；Voc代表電池的開路電壓。模型內部參數(shù)如表1所示。

對應的電池單體傳遞函數(shù)為

(1)

本文考慮128個電池單體通過串并聯(lián)的方式組成用于風電功率消納的電池儲能子模塊(額定功率20.48kW)。根據(jù)風電功率及容量需求，可以適當確定一定數(shù)量的子模塊以及其連接的方式。

表1 電池模型內部參數(shù)

1.2 超級電容儲能系統(tǒng)

類似地，超級電容儲能系統(tǒng)也是由若干個超級電容儲能子系統(tǒng)組成的。超級電容單體通過串并聯(lián)的連接方式組成超級電容儲能子系統(tǒng)。超級電容儲能單體模型如圖2所示。

圖2 超級電容儲能單體模型

其中，超級電容端電壓和端電流分別為Vsc和Isc；R0-R2、C0-C2分別為對應的電阻和電容參數(shù)。超級電容儲能單體模型參數(shù)如表2所示。超級電容單體對應傳遞函數(shù)為

(2)

本文考慮超級電容儲能子模塊共由800多個超級電容儲能單體組成，總電容為56.8 F，額定電壓為199.8 V，總容量為293 Wh。

表2 超級電容模型內部參數(shù)

基于電池和超級電容單體模型，結合儲能系統(tǒng)內部單體串并聯(lián)關系，應用戴維南電路等效原理，可以對電池和超級電容儲能系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進行推導，在Matlab/Simulink軟件平臺搭建用于風電功率消納過程分析的儲能系統(tǒng)數(shù)學模型。

2 風電功率的重構

可以應用于風電功率的多時間尺度特性研究的非平穩(wěn)信號處理方法很多，如EMD(經(jīng)驗模態(tài)分解法)是其中應用較廣泛的一種[14]。

本文采用某風電場實測數(shù)據(jù)，應用EMD方法，對該60 MW風電廠功率進行分解。該風電場24小時功率及其幅頻特性曲線如圖3所示。

圖3 原始風電功率及其幅頻特性曲線

以中心頻率為基準，對風電功率進行重構。將風電功率按照中心頻率高低依次重構為高頻分量——中心波動頻率高于0.016 Hz，即波動周期為1 min以下的功率分量；中頻分量——中心波動頻率范圍在0.000 278～0.016 Hz，即波動周期為1 min至1 h范圍內的功率分量；低頻分量——中心波動頻率小于0.000 278 Hz，即波動周期在1 h以上的功率分量。經(jīng)過分解與重構后，如圖4至圖6所示，是時域和頻域內不同分量的特點。

圖4 高頻分量功率及幅頻特性曲線

圖5 中頻分量功率及幅頻特性曲線

圖6 低頻分量功率及幅頻特性曲線

風電功率的波動展現(xiàn)出多時間尺度的特性，即風電功率由高頻、中頻、低頻波動分量共同構成。隨著中心波動頻率的減小，風電功率的波動幅度逐漸升高。不同頻率的波動分量展現(xiàn)出了不同的波動特性將影響不同儲能系統(tǒng)的動態(tài)表現(xiàn)。

3 應用實例

相較于其他類型的儲能設備，電池和超級電容儲能的響應速度快，可以及時響應快速波動的功率擾動，且由于其儲能成本相對高昂，不適合用于大幅度低頻功率波動的風電消納。因此，綜合考慮兩種儲能的技術特點及經(jīng)濟性，僅使用電池和超級電容儲能消納風電的中高頻擾動分量。

首先，對比研究兩種儲能吸收快速波動的風電功率分量的表現(xiàn)。功率、電壓、能量響應曲線分別如圖7至圖9所示。

圖7 高頻信號下電池(左)及超級電容(右)功率曲線

圖8 高頻信號下電池(左)及超級電容(右)電壓曲線

圖9 高頻信號下電池(左)及超級電容(右)能量曲線

在消納高頻風電波動分量過程中，由于高頻分量對應的功率需求幅值較小，電池和超級電容均可以及時跟隨風功率波動，且其能量偏移具有類似的趨勢。但由于超級電容能量密度的限制，超級電容能量偏移幅值遠大于電池。在高頻功率波動下，電池和超級電容處在不斷地小幅度充放電工況中，電池的電壓在開路電壓附近上下波動，這一行為會對電池的壽命造成較大的影響。而對于超級電容來說，其使用壽命受充放電方式等因素影響微乎其微。

其次，對比研究兩種儲能吸收中等速度波動的風電功率分量時的表現(xiàn)。兩種儲能的功率、電壓、能量響應曲線分別如圖10至圖12所示。

圖10 中頻信號下電池(左)及超級電容(右)功率曲線

圖11 中頻信號下電池(左)及超級電容(右)電壓曲線

圖12 中頻信號下電池(左)及超級電容(右)能量曲線

在消納中頻波動風電功率的過程中，超級電容出現(xiàn)了因能量密度限制，無法跟蹤風電功率波動的情況。在頻繁較大幅度放電的工況下，超級電容多次出現(xiàn)放電至最小允許容量的情況，在此過程中僅能響應充電功率需求，而相比之下，由于電池儲能的能量充足，仍可以實時跟蹤風電消納的功率需求。

在此基礎上，由于電池儲能使用壽命受充放電方式影響較大，采用雨流計數(shù)法對消納高頻及中頻風電功率過程中電池的偏移曲線進行數(shù)據(jù)提取和壓縮，得到單次充放電次數(shù)與充放電深度關系如圖13所示[15]。在高頻功率波動影響下，電池充放電次數(shù)多且深度??；在中頻功率波動影響下，電池充放電次數(shù)較少且深度大。在高頻擾動下，電池壽命的折損程度更高，經(jīng)濟性較差。

圖13 高頻(左)和中頻(右)信號下電池充放電深度

由以上結果，在實際風電消納過程中，從經(jīng)濟性角度首先應避免電池儲能頻繁小幅度充放電工況對其使用壽命造成影響；其次，從風電消納效果角度，應避免超級電容進行較大功率波動幅度的充放電工況，以避免其因能量密度不足造成的完全充放電現(xiàn)象。因此，在風電功率消納過程中，可以考慮讓超級電容儲能響應系統(tǒng)中的波動幅度較小的高頻分量，而讓電池響應波動頻率較小的中頻分量，以充分利用不同儲能系統(tǒng)的工作特性和特長，達到風電的經(jīng)濟安全消納目的。

4 結論

(1)將風電功率重構為高、中、低頻三部分。其中波動頻率高的成分幅值較小，反之較大。

(2)電池儲能由于其使用壽命受充放電方式影響較大的局限性，應在工作中避免小幅度充放電的工況頻繁產生，從經(jīng)濟性角度更適用于中頻段風電功率的消納。

(3)超級電容儲能因其能量密度較小的特點，適用于消納高頻波動的風電功率。在充分利用其功率密度特點的基礎上，可以避免能量不足的情況產生。