李冲，陈谦，陈霄逸，刘增金，李卓然

（河海大学能源与电气学院，江苏南京 211100）

可再生能源以清洁、安全和可持续的特点得到了世界上很多国家的关注。风能作为一种技术相对成熟，成本较低和安全性较高的可再生能源，近年更是有了长足的发展[1]。风能最大的特点是随机性和间歇性，所以风电场无法持续稳定地输出有功功率，从而风电大规模并网运行给电力系统带来了较大的挑战。

近年来，储能技术已得到了越来越多的工程应用，如交通运输等领域。由于电力系统本身具有发-输-配即时完成的特点，对储能技术的需求尤其迫切。比如，风电场配置储能系统，通过风电场与储能系统的相互配合，能有效地平衡风电功率波动，满足电力系统的运行要求。

采用储能技术有许多制约因素，如储能的建设成本很高、储能设备的运行有很多约束条件、储能设备的运行过程中会造成损耗等[2]。

目前，有关风电场的储能技术研究主要集中在如何采用单一类型的储能装置进行风电场输出平滑控制，而针对混合储能的研究还很少。文献[3-4]都选择超级电容作为储能介质，研究其在增强风电稳定性中的应用，研究结果表明，超级电容储能对风电场有功功率和无功功率都能够起到良好的平滑效果。文献[5]提出了蓄电池储能系统，研究结果表明，所设计控制策略下的电池储能能够平滑风电输出的波动，达到并网要求，不同类型的储能电池，能够优势互补，利于延长储能电池寿命。文献[6-7]综合功率密度较高的储能装置和能量密度较高的储能装置的优势，研究了由超级电容和蓄电池构成的混合储能系统，研究结果表明混合储能可以改善蓄电池的充放电过程，延长其使用寿命，有较强的技术经济性。

本文分析了多种储能技术的特性，构建了多种基于超级电容和电池的混合储能系统。针对相应的系统模型，提出了一种分频控制方法，并设计了相应的分频控制器。

1 混合储能系统设计

1.1 调度控制结构

储能系统的风电场调度功率分配结构如图1所示。该系统主要由电力系统调度中心、风电场控制、储能系统单元和风力发电机组单元4个部分组成。在负荷一定情况下，电力系统调度中心根据精度较高的超短期风速预测实时更新风电场出力计划，每隔一段时间向风电场发送一次实时调度指令，风电场控制层接到指令后再按照风电场最大风能跟踪控制发电原则，下达风力发电系统在该时段的出力计划，从而得到储能系统在该时段的出力。

图1 调度控制结构图Fig.1 Control structure of dispatching

1.2 混合储能方案

目前能够在风力发电系统中应用的储能技术主要包括抽水蓄能，超导储能，飞轮储能，超级电容储能，电池类储能。相对于单一的储能，多个储能装置相互配合能够取长补短，将单个储能的缺点最小化，而把优势最大化。超级电容、超导储能、飞轮储能和电池储能的功率和能量密度的比较用图2表示。

图2 储能技术功率密度和能量密度分布Fig.2 Power and energy characters of energy storage

从理论上分析，超级电容和蓄电池构成混合储能系统能够实现两者的优势互补，同时具有很高的能量密度和功率密度，以及响应时间短的优点。本文选择超级电容和电池来组合成混合储能系统作为主要研究对象。

1.3 储能的配置方案

在风电场中，储能系统通过电力电子接口装置与风电场连接，可以装设在3个地点，机组侧背靠背换流器直流回路、风电机组的输出端和风电场的并网出口母线。风电场的4种混合储能配置方案A~D分别如图3—6所示。

图3 单台风电机组侧配置混合储能系统Fig.3 Hybrid energy storage installed on the single unit side

图4 机组出口处配置混合储能系统Fig.4 Hybrid energy storage on the terminal of the unit

图5 机组侧配置超级电容，出口处配置蓄电池Fig.5 Super capacitor in units and battery on the bus

方案A中，以单台机组为目标，配备储能系统，储能系统的容量要求较低，易于实现，也便于将储能系统和风电机组物理上和电气上嵌入设计，便于集成。方案B中，同样以单台机组为目标配置储能系统，容量上也易于实现，无需改变风电机组的原有结构和控制方式。方案C采用集中式和分布式相结合的方式，将混合储能系统分散配置，超级电容配置在机组侧背靠背换流器直流回路，而蓄电池配置在风电场并网母线出口处。方案D中混合储能系统采用集中配置，总的储能容量可以优化设计。

图6 风电场并网出口母线配置混合储能结构Fig.6 Hybrid energy storage on the bus for grid-connected wind farm

2 混合储能系统控制器设计

混合储能系统主要超级电容组、蓄电池组、四象限运行AC/DC换流器、双向DC/DC变换器、分频控制器5部分组成，控制系统由AC/DC换流器、DC/DC变换器以及分频控制器3个环节组成。

2.1 混合储能系统设备模型

2.1.1 超级电容

超级电容的实际内部网络结构和机理非常复杂，目前模型较多。本文等效模型采用只有理想电容器与等效串联电阻的串联一阶线性RC模型。从而当超级电容的端电压从U1变化到U2时，其释放或者吸收的能量可用式（1）表示：

式（1）中，C为超级电容值。

2.1.2 蓄电池

蓄电池的等效模型较多，常用的内阻模型如图7所示。

图7 蓄电池内阻模型Fig.7 Model of the battery with internal resistance

内阻模型包括一个理想等效直流电压源E和等效内阻R，假定电池可以提供无限的能量，不考虑电池荷电状态（State of Charge，SOC）对蓄电池电动势的影响。

2.2 控制器结构设计

2.2.1 DC/AC换流器控制器设计拓扑结构如图8所示。

图8 三相电压型变流器拓扑结构图Fig.8 Three-phase voltage-type inverter topology

在PARK变换下，换流器和电网交换的功率可表示为：

式（2）中，usd，isd，isq分别为PARK变换后dq0坐标系下电压、电流直轴和交轴分量，由上式可知换流器侧的有功功率Ps只与isd相关，无功功率Qs只与isq相关[8]，换流器控制系统结构如图9所示。

图9 DC/AC换流器控制框图Fig.9 Control block of the DC/AC inverter

2.2.2 DC/DC变换器控制器设计

混合储能系统中有两个双向DC/DC变换器，分别与超级电容器组和蓄电池组连接，对应称为Chopper-SC和Chopper-B。本文采用的基于高通滤波原理的功率平滑方法，超级电容和蓄电池平滑的目标功率相对独立，要求超级电容和蓄电池能够准确跟踪目标功率分别进行控制，其拓扑结构如图10所示。

超级电容和蓄电池释放（吸收）的功率可表示为

式（3）中，USC、UB分别为超级电容、蓄电池端电压；iSC、iB分别为流过超级电容和蓄电池的电流。

图10 混合储能系统拓扑结构图Fig.10 Topology of the hybrid energy storage

双向DC/DC变换器的控制框图分别如图11和12所示。

图11 超级电容侧变换器控制框图Fig.11 Controller block on the super capacitor side

图12 蓄电池侧变换器控制框图Fig.12 Controller block on the battery side

2.2.3 分频控制器结构设计

为了获得高频部分的波动，设计一阶高通滤波器，通过对PWind滤波获得，即超级电容的有功功率参考值

其中，PWind为风电场输出的有功功率；PHESS为混合储能系统输出或吸收的有功功率；Pg为经储能系统平衡后向电网输送的有功功率。

从而，进一步可以获得电池储能的功率参考值

式（5）中，τ是高通滤波器的时间常数，τ=1/2πfC。

对风电场输出功率进行储能平抑控制前，要根据期望得到的平抑效果确定需要滤除的功率波动分量的频率，即截止频率fc，fc和系统性能要求以及电池电容占比有关，本文取截止频率为0.1 Hz，此时τ=1.59 s。

超级电容器用来平抑高频（>0.1 Hz）的功率波动，而蓄电池用来平抑低频的功率波动[9-11]，具体控制策略如图13所示。

图13 混合储能系统能量管理Fig.13 Energy management of hybrid ES

3 仿真分析

在Matlab/Simulink平台上搭建含混合储能风电场的仿真模型，风电场容量为30×1.5 MW，仿真时间为30 s，假设该时间内风电场的功率输出参考值为35 MW。仿真风速由基本风、随机风、阶跃风叠加而成，模拟如下风速变化：0~5 s间一次阵风，5~10 s为渐进风，10~25 s为随机风，25~30 s为平稳风速。

3.1 集中配置混合储能模式下仿真

图14—图18为集中配置混合储能模式下仿真结果。

图14 无储能风电场输出功率Fig.14 Wind power output without storage

图15 含混合储能系统风电场输出功率Fig.15 Wind power output with hybrid storage

图16 无储能风电场输出功率波动频谱Fig.16 Output fluctuation spectrum of wind power without storage

图17 混合储能模式下超级电容功率Fig.17 Power of the super capacitor with hybrid storage

图18 混合储能模式下蓄电池功率Fig.18 Power of the battery with hybrid storage

3.2 集中配置蓄电池单一储能模式下仿真

在同等条件下，对蓄电池单一储能模式进行了仿真，仿真结果如图19和20所示。

图19 含蓄电池单一储能风电场输出功率Fig.19 Output of the wind farm with a single battery energy storage

图20 蓄电池单一储能模式下蓄电池功率Fig.20 Output of the battery with a single battery energy storage

从上面图中可以得出以下几点结论：

1）风电场输出功率跟随风速变化，风速区间为7~11 m/s，而功率变化区间为30~41 MW，图16还给出了风电场输出功率的频谱分析。可见，风电输出功率波动主要集中在1 Hz以下，虽然风速中含有高频分量，但是由于其被风机的转动惯量所吸收，所以在功率波动上没有体现。

2）比较图14和图15，配置混合储能系统前，最大功率波动达到7 MW左右，而且功率波动频率较高，而配置混合储能系统后，风电输出功率波动平稳很多，近似恒定在指令值35 MW附近。可见，混合储能系统可以有效平衡风电功率的波动，在一定时间内使风电场注入电网的功率跟随指令值。

3）作为对比，图17和图18给出了混合储能系统中超级电容和蓄电池的功率变化曲线。由于混合储能系统取释放功率为正方向，所以超级电容和蓄电池的功率变化和风电输出功率变化方向相对，可见超级电容和蓄电池的功率跟随风电场输出功率的变化，相互配合，超级电容吸收风电场大于0.1 Hz的功率波动，而频率较低的波动则被蓄电池所吸收。

4）比较图15和图19可以发现，混合储能模式下的风电输出功率平衡效果更好，在0~5 s间、6 s及10 s处，蓄电池单一储能模式下，风电输出仍有幅度较为明显的波动。

5）对比图18和图20可见，相对于蓄电池单一储能模式，在混合储能模式下，由于超级电容吸收了快速高频波动，所以蓄电池的功率变化平稳很多，充放电次数也有明显减少，在一定程度上优化了蓄电池使用寿命。

6）对比图19和图20，可以发现，蓄电池单一储能模式下，在0~5 s间和6 s及10 s处，由于功率波动幅度超过了蓄电池的最大功率，蓄电池只能以最大功率（4.5 MW）输出，所以这部分功率波动无法被平衡。而在混合储能模式下，混合储能系统同时具备了超级电容的高功率密度和蓄电池的高能量密度，能够平滑更大范围内的功率波动。

3.3 分布式配置混合储能模式下仿真

为验证上述控制策略可应用于不同的储能配置方案中，对分布式配置混合储能模式进行了仿真，仿真结果如图21~图24所示。

图21 无储能风机输出功率Fig.21 Output of the wind power without storage

图22 含混合储能风机输出功率Fig.22 Output of the wind power with hybrid storage

图23 混合储能中超级电容功率Fig.23 Power of the super capacitor with hybrid storage

图24 混合储能中蓄电池功率Fig.24 Power of the battery with hybrid storage

可见，采用分布式配置，即将混合储能系统配置在机组侧，也可以对风机输出功率起到很好的平衡作用，使其根据指令稳定输出功率。

4 结论

本文对利用混合储能系统平滑风电功率进行了深入的研究，采用高通滤波的方式，将短期高频（>0.1 Hz）风电功率波动分配给超级电容吸收，而中长期低频部分则由蓄电池吸收。依据这一策略，分别设计了AC/DC换流器和两个双向DC/DC的控制器，并分别对集中配置混合储能系统模式、集中配置蓄电池单一模式和分布式配置混合储能系统模式进行了仿真。仿真结果表明，采用该控制方法后，机组或风电场的输出在一定时间范围内基本恒定，两种配置方案中混合储能系统能够有效平衡风电场功率波动，其平衡效果优于蓄电池单一储能。另外，混合储能系统对风电功率的平衡效果优于单一的蓄电池，同时混合储能系统中由于超级电容的存在降低了蓄电池的充放电次数，对蓄电池的使用寿命起到优化作用。

[1]Brendan Fox.风电并网：联网与系统运行[M].北京:机械工业出版社，2011.

[2]赵晶晶，李振坤，朱兰，等.储能系统在微网中的优化配置与成本分析[J].华东电力，2011，39（10）:1615-1618.ZHAO Jing-jing，LI Zhen-kun，ZHU Lan，et al.Optimal allocation and cost analysis of energy storage system[J].East China Electric Power，2011，39（10）:1615-1618（in Chinese）.

[3] 张步涵，曾杰，毛承雄，等.串并联型超级电容器储能系统在风力发电中的应用[J].电力自动化设备，2008，28（4）:1-4.ZHANG Bu-han，ZENG Jie，MAO Cheng-xiong，et al.Application of series-parallel energy storage system with super-capacitor in wind power generation[J].Electric Power Automation Equipment，2008，28（4）:1-4（in Chinese）.

[4] 李霄，胡长生，刘昌金，等.基于超级电容储能的风电场功率调节系统建模与控制[J].电力系统自动化，2009，33（9）:86-90.LI Xiao，HU Chang-sheng，LIU Chang-jin，et al.Modelling and controlling of SCES based wind farm power regulation system[J].Automation of Electric Power Systems，2009，33（9）:86-90（in Chinese）.

[5]李建林.电池储能技术控制方法研究[J].电网与清洁能源，2012，28（12）:61-65.LI Jian-lin.Study on control methods of battery energy storage technology[J].Power System and Clean Energy，2012，28（12）:61-65（in Chinese）.

[6] 于芃，周玮，孙辉，等.用于风电功率平抑的混合储能系统及其控制系统设计[J].中国电机工程学报，2011，31（17）:127-133.YU Peng，ZHOU Wei，SUN Hui，et al.Hybrid energy storage system and control system design for wind power balancing[J].Proceedings of the CSEE，2011，31（17）:127-133（in Chinese）.

[7] 张国驹，唐西胜，齐智平.平抑间歇式电源功率波动的混合储能系统设计[J].电力系统自动化，2011，35（20）:24-28，93.ZHANG Guo-ju，TANG Xi-sheng，QI Zhi-ping.Design of a hybrid energy storage system on leveling off fluctuating power outputs of intermittent sources[J].Automation of Electric Power Systems，2011，35（20）:24-28，93（in Chinese）.

[8] 王万宝．三相电压型SVPWM整流器仿真研究[D].武汉：华中科技大学，2009.

[9]CIMUCA G O，SAUDEMONT C，ROBYNS B，et al.Control and performance evaluation of a flywheel energy-storage system associated to a variable-speed wind generator[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53（4）:1074-1085.

[10]ZUBIETA L，BONERT R.Characterization of double-layer capacitors for power electronics applications[J].IEEE Tra-nsactions on Industry Applications，2000，36（1）:199-205.

[11]杨水丽，李建林，李蓓，等.电池储能系统参与电网调频的优势分析[J].电网与清洁能源，2013，29（2）:43-47.YANG Shui-li，LI Jian-lin，LI Bei，et al.Advantages of battery energy storage system for frequency regulation[J].Power System and Clean Energy，2013，29 （2）:43-47（in Chinese）.