薛 荻

（天津华电南疆热电有限公司，天津 300450）

1 燃气轮机中功率型储能-超级电容器选型

现有锂电池需要反复充电，因此使用中存在短时放电性能差、寿命短以及后期维护成本高等不足，而超级电容、飞轮储能等新技术弥补了传统锂电池在应用中的不足[1]。超级电容能在较短时间内对电池进行多次不间断地充电和放电，还能循环使用，寿命长且后期维修经济压力小，但其释放能量和功率密度均达不到设计要求。因此，将两者进行有机结合，充分利用两者优势，以替代单一的能量存储体系，是目前能量存储领域的新的发展趋势。为满足该方面设计，本文对燃气轮机中功率型储能-超级电容器进行了设计[2]。

目前，市场内动力型储能元件较成熟的应用包括超导磁储能、飞轮储能、超级电容器及压缩空气储能。其中，作为一种新型储能器件，超导磁体的功率响应速度是所有储能器件中最高的，但其自身能耗较高，不适合长时间工作。飞轮储能和压缩空气储能则需要具有足够的风能和合适的压缩空气容器，因此不适合推广使用。为此，本文提出了一种基于电容器的新型能量存储元件。储能装置通过外加电磁场对电解质进行极化反应，将电解质中的带电离子吸附到具有不同极性的电极上，形成双电层，从而进行能量存储。电容器结构如图1所示。

图1 燃气轮机中功率型储能-超级电容器结构

超级电容器的储能功能是通过双电层完成的，在充、放电过程中，只有荷电离子会粘附在一起，该过程属于物理化学作用，而电解质在正、负极移动的情况下是可以不断改变的。

电解液在储能过程中具有重要作用，可以根据实际情况将其作为一种不会发生机械运动的介质。使用超级电容时不会产生任何气体、固态、液态等物质，环境友好。因此，具有简单、小巧等优点的超级电容成为理想的能量存储器件[3]。

2 基于混合储能的燃气轮机黑启动方案设计

2.1 燃气轮机黑启动电源设计

为提升燃气轮机黑启动时装置性能，并提升燃气轮机整体优异性[4]，本文采用功率变换器并联方式，得到如图2所示的等效电路。

图2 并联等效电路结构图

图2所示电路结构具有更好的灵活性。本文将一种双向巴克-布氏管作为DC/DC 变换器的拓扑结构[5]。变流器工作时，它会在2 种模式间相互转换。处于Buck 状态时，其能量流向将会转向母线，即蓄能；处于Boost 状态时，其能量将会转向相反方向，从蓄能状态流向母线。双向变流器是一种基于Buck/Boost 的双向变流器，其主要作用是在一定时刻控制超级电容。由于双向变流器由超级电容监测，因此最后还是会被锂电池接收并保存。

2.2 基于混合储能的电源储能结构均压设计

在燃气轮机的电源结构中，一个单独锂电池的电压等级极小，因此为实现更大储能容量，需要对多个锂电池进行串联或并联。因为每个电池本身的参数不一样，所以充、放电时很有可能会出现电压不稳定的现象[6]。针对该问题，对锂电池进行均压控制时，将被动变为主动，通过控制能量存储单元与单个锂电单元之间的能量转换，来达到这种转换的目的。均压曲线如图3所示。

图3 均压曲线

假设在电源储能结构中存在2 个开关管，分别为K1和K2，从图3 可以看出，基于混合储能的电源储能结构均压需要经历4 个阶段。第一阶段（0～t0），2 个开关管K1、K2在该点都是关闭的，电感器中的电流是0。第二阶段（t0～t1），此时K1 为导通，K2为断开，电感电流逐渐增加，可通过公式（1）求解电感电流。第三阶段（t1～t2），此时开关K1断开，K2导通，电感电流变小，其计算如公式（2）所示。第四阶段（t=t2），此时电感中的电流为0。根据上述分析，对均压电路进行监控时采用固定脉冲的模式。

式中：iL（t0）代表t0时刻的电感电流；UB1代表锂电池配置电压；L代表电感。

式中：iL（t1）代表t1时刻的电感电流。

2.3 燃气轮机黑启动功率分配

确定电源储能结构均压模式后，结合混合储能对燃气轮机黑启动功率进行合理分配。将高通滤波器应用到锂电池和超级电容器中，此时功率极有可能发生改变，并产生高频分量，使功率存在部分剩余，而该部分是锂电池的重要构成部分。当有功指令超过0 时，可认为锂电池正在进行放电；当有功指令小于0 时，可认为锂电池正在进行充电。功率、有功指令和有功指令输出功率之间的关系如公式（3）所示。

式中：P代表功率；PR代表有功指令输出功率；Pc代表有功指令。

假设存在一个微分算子S，结合该微分算子可计算某一时刻的有功指令Pc（S）和有功指令输出功率PR（S），如公式（4）、公式（5）所示。

式中：T代表高通滤波器的时间常数；P（s）代表某一时刻的功率。

燃气轮机总功率变动时，锂电池输出功率的变动幅度不大，变化速度较慢，完全符合设备充、放电特性所需。

2.4 充、放电恢复策略

由于超级电容器可以在较短时间内对功率的变化做出快速响应，并且其充、放电速度较快，还可以不断循环利用，因此，基于上述优势，本文先利用超级电容器来控制用电，以更好地满足系统在该方面的需求。在仅靠超级电容无法弥补混合储能系统输出功率P的情况下，可以通过锂电池较高的能量密度来弥补超级电容的不足。两者协同工作，对混合能量存储设备的电源命令做出相应反应。二者的功率指示可以根据时间常数T变化而变化，如果要使超级电容以对P的反应为主，就必须增加T；如果希望锂电池主要用于对P的反应，就必须降低T。当能量储存设备的容量达到极限时，就必须进行不间断充电；而当能量储存设备的容量降至最小时，也必须进行不间断放电。这2 种情形都会极大损害能量存储设备，并进一步影响最后的平衡状态。在该基础上，根据超级电容的工作状态对功率进行调整，调整策略见表1。

表1 超级电容器工作状态与对应功率调整策略表

结合表1 中的策略可得，在处于过充预警状态且仍充电和处于过放预警状态且仍放电的情况下，需要对输出功率进行调整，以此确保燃气轮机能正常使用。

3 黑启动方案仿真

为测试设计的黑启动方案在应用中是否能达到预期，对其进行仿真测试。测试前黑启动试验环境中的仪器设备准备见表2。

表2 黑启动试验环境中仪器设备的准备

在上述基础上，进行黑启动方案中仿真参数的设计，具体内容见表3。

表3 黑启动方案中仿真参数的设计

为排除试验中相关参数的影响，需要提前设计电力系统中参数值，见表4。

表4 电力系统中的参数值设计

完成参数设计后，设计0.3s 时燃气轮机电压发生突变，突变后驱动燃气轮机的黑启动方案，记录燃气轮机供电过程中电压变化情况，将该结果作为黑启动方案的仿真结果，如图4所示。

图4 燃气轮机黑启动方案的仿真结果

4 结语

随着电力系统快速发展，电力系统的“黑启动方案”已成为解决某些区域用电安全问题的重要手段，而“黑启动”电源的规划设计又是其能否发挥作用的关键。为深化该方面研究，本文将锂电池与超级电容器作为燃气轮机供电过程中的核心储能方式来设计黑启动方案。

通过本文的设计，对图4 的黑启动方案仿真结果进行分析。图4 中显示，在正常条件下，燃气轮机在供电过程中的输出电压为220V，即满足末端用户的用电需求。但在0.3s 处，燃气轮机发电过程发生突变。为解决突变对燃气轮机运行造成的影响，使用本文设计的黑启动方案进行燃气轮机突变电压抑制处理。图4（a）为未应用黑启动方案的燃气轮机突变电压处理结果，从中可以看到，经过0.3s后，燃气轮机的突变电压瞬间降至220V。图4（b）为应用黑启动方案的燃气轮机突变电压处理结果，从中可以看到，经过0.1s 后，燃气轮机的突变电压较平缓地降至220V，相比图4（a）、图4（b）的电压波动情况整体较平缓，能显著降低电容、锂电池的充、放电速率，进而达到延长电池寿命的目的。综上所述，本文设计的黑启动方案可以在应用中达到预期效果。