桂永光

（江苏安方电力科技有限公司，江苏 泰州 225300）

0 引 言

实现碳中和目标，清洁能源发电是一条重要途径。“十四五”期间，中国新增跨区输电通道以输送清洁能源为主，各地也将大力支持和保障清洁能源发电能够及时并网消纳。清洁能源输出功率有较大的波动性，给电力系统的稳定运行、电能质量及调度控制带来了巨大的挑战。储能在清洁能源发电中可以实现电能的存储、削峰填谷、电能质量治理、平抑新能源出力波动以及紧急备用等功能[1,2]。

清洁能源发电系统中的储能一般分为能量型和功率型两类[3-6]。以锂电池、钠硫电池、液流电池以及铅酸电池等为代表的能量型储能介质的能量密度较大，响应速度较慢，功率密度较小；以超级电容、超导磁储能和飞轮储能等为代表的功率型储能介质能量密度较小，功率密度较大，高倍率充放电不会损害其性能。为了同时发挥储能的响应速度和能量密度，本文将能量型储能介质和功率型储能介质组成混合储能系统（Hybrid Energy Storage System，HESS）。

独立微网系统一般与大电网脱离，由于缺少大电网支撑，系统内各类分布式电源对系统的电压和功率产生较大影响。独立微网系统中也常会出现风速降低但负荷增加的情况，导致系统功率不平衡，电压失去稳定，这时储能系统将发挥重要作用。混合储能系统中电容保证瞬间电压和功率不变，超级电容可以抑制环流，缓解电压频率偏差的影响，而蓄电池保证中期输出功率和电压不变，可以达到恒功率效果[7]。如果让储能系统处于传统的浮充状态，显然已经不能解决分布式电源出力突增和负荷突降的问题。分布式电源出力越大，对应的储能剩余容量（State Of Charge，SOC）越大，则储能可输出的能量越大。

为实现分布式电源最大化利用，避免在微网中防止PCC处功率双向流动过大，系统震荡，对注入电网的电流造成很大的波动。本文分析混合储能系统的SOC，采用超级电容和储能组合，设计储能系统各个时刻的荷电容量，根据天气情况和地区统计风速进行调整，使储能系能够最大化调节系统功率。

1 混合储能系统结构及控制策略

1.1 混合储能结构

根据混合储能系统特点，既可以将蓄电池和超级电容当成一个整体实现控制，又可以将超级电容和蓄电池当成独立的分布式电源进行独立控制[8-11]。

图1为混合储能系统的一种典型结构，超级电容和蓄电池分别与DC/AC双向变流器联结然后并联到分布式电源输出端。分布式电源可以是光伏和风力发电机的多种组合，储能控制系统通过检测DG的输出电压和电流生成控制指令Osc和Obattery，超级电容和蓄电池的工作状态信息Sbattery和Ssc实时传递给控制器，可以对交流侧电压和频率作出快速响应。

图1 电容蓄电池分散控制的储能系统结构简图

该拓扑结构将超级电容和蓄电池分别看成独立的清洁能源发电装置，可以对其变流器的参数进行独立配置。储能系统控制器可以独立控制超级电容，实现电能质量治理，也可以综合控制超级电容和蓄电池，实现对系统综合调节。此外，该结构还可以独立控制各个变流器，以满足各种不同的控制目标，最主要的是这种拓扑结构扩容方便，适合大容量储能系统，可以实现对超级电容和蓄电池的独立控制。

根据蓄电池和超级电容的特点，可以将蓄电池和超级电容当成一个整体，甚至可以看成是一个可控的分布式电源。混合储能系统根据交流母线和分布式电源的出力情况，通过储能系统控制器分别调节超级电容和蓄电池，实现功率平滑控制。该结构较图1结构中，用到并网接口较少，但是较难实现对超级电容和蓄电池的单独控制，具体如图2所示。

图2 电容蓄电池集中控制的储能系统结构简图

1.2 混合储能实现功率平滑控制

考虑到清洁能源功率的波动性，结合蓄电池和超级电容器互补的储能特性，制定如下适合该混合储能系统的能量管理策略[4]。为充分发挥超级电容器瞬间功率密度大、可重复利用次数多以及响应及时的优势，让超级电容承担电能质量治理和瞬间功率波动抑制的功能。此外，蓄电池响应速度较慢，但是能量较高，可通过较长时间释放能量来承担系统中功率不平衡的调节作用。

为实现分布式能源的并网功率平滑控制，储能装置要发挥功率调节作用，恰当管理储能的荷电状态剩余容量SOC。通过管理混合储能的能量，使绿色能源并网接口具有弹簧一样的功能。例如，当风速达到最大时，风力发电机的储能对应的应该是最高荷电状态。因为下一时刻风速是下降的，对应的风力发电机输出功率降低，需要储能装置输出功率，通过管理荷电状态，这时储能装置恰好可以提供最多的电能来应对风速降低带来的功率降低，达到并网功率平滑控制效果。然而，当地风速比较低时，如果对应的储能装置荷电状态SOC接近100%，那么下一时刻风速增加，但储能装置此时不能再吸收功率，也就失去了功率和电压的调节效应。因此有必要管理混合储能装置的荷电状态，发挥其调节并网电源输出功率的功能。

2 风力微源储能剩余容量的设定

风力微源储能剩余容量的设定中，平均风速、最大风速、最小风速分别为过去3年的统计平均值。为了防止蓄电池SOC过低影响电池寿命，蓄电池最小剩余容量设定为30%。

根据统计年鉴计算平均风功率为：

式中，Pavg为风力机功率，单位为W；ρ为空气密度，单位为kg/m3（在一个标准大气压下，ρ=1.225 kg/m3）；A是横截面积，单位为m2；v是垂直吹过截面A的风速，单位为m/s。

由于风力机功率与风速的三次方成正比，因此计算风速对应的蓄电池负荷状态时以风速的三次方进行比较。得出平均风功率对应的实时风速v—3和年最大风速平均值v3max，年最小风速平均值v3min和现在风功率比较，为了使方法更具有普遍性，用标幺值表示。此外，为了研究方便，本文假定一种理想情况，且不考虑蓄电池充放电寿命，风速在一定时间内保持稳定，蓄电池短期内可释放或吸收较大能量。

通过该地区历年数据统计，得出该地区的年最大风速平均值为v3max和年最小风速平均值为v3min。寻求一种SOC管理策略模型，将风速的三次方与储能系统发出的功率对应起来，满足在不同的风速下储能系统发出不同的功率，最大概率地满足下一时间段储能系统能够调整到最合适的SOC状态来应对风速变化。例如，当风速已经达到年最大平均风速时，其SOC最理想状态应为90%以上，以应对下一时间段风速降低。可将v3max与v3min之间的风速划分7个等份，对应的风速分别是v31、v32、v33…，分别对应SOC状态的30%、40%、50%、60%、70%、80%以及90%。当风速v3为年平均值v3max时，SOC=90%。

通过建立风速与储能系统SOC的对应关系，发挥储能系统在平抑功率波动中高效灵活的调节优势，实现微源并网功率的平滑控制。

3 结 论

储能系统对维持独立微网安全稳定运行具有十分重要的作用，本文针对风力发电的微电网系统功率平衡问题，设计了储能系统SOC管理策略。通过对不同状态和不同环境下的储能系统SOC进行管理，实现混合储能系统能量及容量高效利用，实现分布式风力发电并网点功率平滑输出及电能质量治理，确保系统运行的安全性及可靠性。