基于復合儲能系統平抑風電場波動功率研究

趙飛，許劍，2，徐玉杰，2，劉芽，陳海生，2，譚春青，2（.鄂爾多斯大規模儲能技術研究所，內蒙古鄂爾多斯07000；2.中國科學院工程熱物理研究所，北京0090）

基于復合儲能系統平抑風電場波動功率研究

趙飛1，許劍1，2，徐玉杰1，2，劉芽1，陳海生1，2，譚春青1，2
（1.鄂爾多斯大規模儲能技術研究所，內蒙古鄂爾多斯017000；2.中國科學院工程熱物理研究所，北京100190）

由于風能的不穩定性，風電場輸出功率帶有波動性和間歇性，某種程度上導致風力發電并網難以及“棄風限電”等問題。依據風電輸出功率波動特性，提出由先進壓縮空氣儲能和釩液流電池組成的復合儲能系統，用于平抑風電場輸出功率波動。并通過模擬仿真驗證了釩液流電池對風電場側快速波動功率的補償和平抑具有良好效果。結果表明，先進壓縮空氣儲能系統具備大功率大容量特性的同時，適合應用在風電場并網側調節風電場輸出功率。

復合儲能；風力發電；波動功率；電能質量

隨著環境問題日益突出和能源戰略轉型加快，風能利用在我國快速發展。但是，由于風能的不穩定性以及目前電網對風電消納能力不足，風力發電并網容量占電網總發電容量比例一般為15%～20%[1]。因此，一方面需要通過優化電網調度、建立外送通道提高風電消納能力；另一方面有必要對風電場輸出的電能質量進行改善，減小對電網的沖擊。

儲能技術應用于風電場，已經被國內外學者公認為改善風電電能品質的有效手段之一[2-3]。文獻[4-7]分別介紹釩液流電池、超級電容器、飛輪儲能以及超導儲能系統，并研究儲能系統對風電場波動功率平抑。但是，利用單一儲能技術無法全面滿足電網對風能、太陽能等間歇性能源接納需求[8]。利用不同儲能裝置技術特點的互補性，通過建立復合儲能系統可以大幅度提高風電場輸出品質，提高風電利用率。

釩液流電池具有響應速度快、可瞬間啟動、充電和放電狀態切換快速、充放電循環壽命長等優點；缺點是目前成本仍較高，規模仍然受儲能容量和功率的限制[9]。壓縮空氣儲能是繼抽水蓄能后又一可以做到大容量大功率的儲能裝置[10]。鑒于二者特點的互補性以及提高風電場輸出功率品質對儲能多樣性的需求，本文采用釩液流電池/先進壓縮空氣儲能耦合的復合儲能系統，平滑和調節風電場輸出功率。利用Matlab-Simulink軟件建立風電場、功率變換器和儲能系統模型進行建模仿真，并對風電場實測數據進行分析和計算，驗證復合儲能系統對風電場波動功率平抑效果。

1　釩夜流儲能電池簡介

圖1所示為釩液流電池工作原理圖。電池充放電過程時的化學反應表示為

圖1　釩液流電池工作原理Fig.1　VRB operating principle

電池的荷電狀態（SOC）和活性化學物質數量決定電池的總容量，電池功率和電池堆體中電極面積成正比。

[1，11]的建模仿真方法，利用Matlab-Simulink對釩液流電池進行建模仿真。圖2所示為釩液流電池等效電路模型：用一個動態更新的變量等效電池的荷電狀態（SOC），用來反映電池的剩余容量，其數值上定義為剩余容量占電池容量的比值；受SOC和單體電池數量（n）影響的受控電壓源等效電池堆體電動勢；由電池堆體電流Istack和SOC決定的泵損電流Ipump控制一個受控電流源，用于等效泵升損耗；電池反應過程中的內部功率損耗等效為電阻Rresistive和Rreactor損耗，外部寄生電阻損耗包括固定電阻Rfixed損耗和泵損Ppump。釩液電池的荷電狀態SOC定義為

式中：SOCt和SOCt-1分別為t和t-1時刻的荷電狀態；ΔSOC為一個時間步長的荷電狀態變化量。電池輸出功率和寄生損耗計算以及單體電池和SOC的關系可參照文獻[1]。

根據圖2模型對釩液流電池進行仿真并計算其充放電特性，如圖3、圖4所示。仿真模型參數：額定功率為1.3 MW；額定儲能容量為1.3 MW·h；電池端電壓變化范圍為1 330～1 470 V；充電電流為936 A，放電電流為1 020 A；單體電池數n為1 000；電阻Rfixed阻值為93.4 Ω，電阻Rresistive阻值為0.179 Ω，電阻Rreaction阻值為0.269 Ω。

圖2　釩液流電池等效電路模型Fig.2　Equivalent model of VRB

圖3　充放電狀態下電流與電壓變化Fig.3　The VRB voltage and current

圖4　SOC在1個充放電周期變化Fig.4　SOC variation during a charge-discharge cycle

圖3為釩液流電池在充放電過程中電流和電壓變化情況，圖4為釩液流電池在一個充放電周期內SOC變化情況，充電時間為3 923 s，放電時間為3 600 s。為避免釩液流電池在工作中過充和過放問題，電池的SOC值一般控制在0.2～0.8范圍內。圖3、圖4表明模型的充放電電流電壓和SOC能夠達到對釩液流電池的仿真要求。

2　先進壓縮空氣儲能系統

先進壓縮空氣儲能系統主要組成部分包括：電動機/發電機、壓縮機、渦輪、蓄熱/換熱器、蓄冷/換熱器、低溫儲罐以及控制系統，如圖5所示。電動機利用過剩的電力帶動多級壓縮機將空氣進行壓縮，利用蓄熱/換熱器儲存氣體壓縮過程中的排熱以提高系統效率，高壓空氣經過蓄冷/換熱器后儲存在低溫儲罐中，完成儲能過程；風電出力不足時，低溫高壓空氣經過低溫泵抽送到蓄冷/換熱器和蓄熱/換熱器進行升溫，通過渦輪對外做功帶動發電機，提供穩定電力，完成釋能過程，具有規模大、無污染、儲能周期長和不受地理條件限制等優點[12-14]。

圖5　先進壓縮空氣儲能系統流程示意圖Fig.5　Flow chart of an advanced compressed air energy storage system

3　儲能系統與風電場并網耦合

3.1復合儲能系統控制策略

基于先進壓縮空氣儲能系統和釩液流電池復合儲能系統結構如圖6所示。釩液流電池儲能系統應用于風電場側，以其快速充放電特性作為快速補償裝置平抑風電場輸出波動功率中的高頻成分，滿足風電場并網要求。先進壓縮空氣儲能系統應用于風電場并網側，平抑波動功率中的低頻成分，提高系統的經濟性能和技術性能。同時，壓縮空氣儲能系統作為主要儲能裝置對過剩風電電能進行存儲，在風電出力不足時進行釋能補償風電場。

圖6中：Pwind為風電場輸出功率；Pb為釩液流電池輸出功率；PT1為經過釩液流電池平抑后的風電場輸出功率；PCAES為先進壓縮空氣儲能系統輸出功率；PT2為經過復合儲能平抑后的風電場并網功率。

圖6　風電復合儲能系統Fig.6　Hybrid energy storage system for wind farms

如圖7所示為復合儲能系統控制策略框圖，風電場輸出功率Pw通過一階低通濾波器（濾波時間常數T1）得到經過風電場側釩液流電池儲能系統補償后輸出功率的參考值，控制風電場側儲能系統充放電過程，得到經過儲能系統平滑后的功率PT1；PT1經過第二個一階低通濾波器（濾波時間常數T2）得到經過電網側壓縮空氣儲能系統補償后輸出功率的參考值，控制壓縮空氣儲能系統的儲能釋能過程，最終得到經過復合儲能系統平滑后的并網功率PT2。調節濾波時間常數T1和T2的大小，可以實現復合儲能系統對波動功率的分頻平滑控制。

圖7　復合儲能系統控制策略Fig.7　Control method for hybrid energy storage system

風電場和復合儲能系統的功率關系為

分別由式（5）、式（7）和式（6）、式（8）得出儲能系統輸出功率為

對式（5）和式（6）離散化分析，設t為控制周期，在tk=kt（k=1，2，…，n）時刻有：

解得

由式（13）（14）可知在tk時刻，經過釩液流電池平滑后的功率PT1（k）由tk時刻風電場功率PW（k）、時間常數T1和前一時刻PT1（k-1）決定。PT1（k）和PT1（k-1）的差值隨T1增大而減小，即時間常數越大，功率變化越小，波動功率平滑效果越好，PT2（k）同理。因此，合理的配置T1和T2關系到波動功率平抑效果、儲能系統容量和功率以及投資成本。

3.2AC/DC并網變換器控制

釩液流電池儲能系統采用AC/DC功率雙向變換器并網，利用直接功率控制方式實現對功率變換器的控制。其結構如圖8所示，包括：直流側電壓誤差調節器、瞬時功率計算環節、滯環比較器、矢量位置鑒別器和開關矢量表。

圖8　AC/DC變換器控制策略框圖Fig.8　Control diagram of AC/DC converter

兩相靜止坐標下的瞬時功率計算為：

式中：p、q分別為功率變換器輸出的有功功率和無功功率；iα、iβ分別為變換器交流側電流的α、β軸分量；uα、uβ分別為變換器交流的電壓的α、β軸分量；L和R為變換器內部電感和電阻。穩態時，，實現p、q的解耦控制。圖8中為變換器直流側電壓參考值；Udc為液流電池端電壓；PI為比例積分控制器。通過對AC/DC變換器的控制可以實現液流電池和風電場之間的能量交換。

4　仿真計算

4.1釩液流電池與風電場耦合運行仿真

在Matlab/Simulink仿真軟件的環境下搭建39 MW風電場模型和10 MW釩液流電池模型，通過AC/DC變換器實現耦合建模，模擬并驗證釩液流電池儲能系統對風電場輸出波動功率的平抑效果。風電場額定輸出功率為39 MW，由26臺1.5 MW級雙饋異步風力發電機組成。釩液流電池儲能系統額定輸出功率為10 MW，額定儲能容量為1 MW·h，仿真時間為120 s。

圖9為利用組合風速數學模型[15]建模輸出的風速變化曲線，圖10為風電場功率平抑輸出曲線。Pwind為風電場模型在輸入圖9風速數據后輸出的風電場輸出功率；PT1為通過釩液流電池儲能系統平抑后的風電場輸出功率；Pb為儲能系統在平抑過程中吞吐功率曲線，Pb為負時，儲能系統處于放電狀態，Pb為正時，儲能系統處于充電狀態。

圖9　組合風速仿真曲線Fig.9　Simulation curve of the combined wind speed

圖10　風電功率平抑效果示意圖Fig.10　Smoothed wind power with VRB

圖11為釩液流電池在充放電過程中SOC的變化狀態，反映電池在工作過程中儲存電量的變化，為滿足仿真需求，SOC的初始值設為0.5。儲能系統平抑前瞬時波動功率幅值最大值為15 MW，在儲能系統平抑之后，風電場瞬時波動功率幅值最大值為5.5 MW，波動減小63%。

圖11　釩液流電池的SOCFig.11　SOC of VRB

4.2實測數據計算

如圖12所示為某39 MW風電場數據，圖12（a）為風速數據，圖12（b）為實際輸出功率數據，數據采集時間為13 175 min，采集頻率為15 min/次。圖13（a）為輸出功率的15 min級波動變化率，在15 min內功率波動最高可達33 MW，波動功率變化主要分布在10 MW范圍內，不定期會出現大功率變化。圖13（b）為輸出功率頻譜特性曲線，研究表明大于0.01 Hz的功率波動成分會對電網的穩定性造成影響，平抑并減少大于0.01 Hz的高頻波動成分是必要的[15-16]。

圖12　39MW風場實測風速和功率Fig.12　Measured wind speed and output power of 39 MW wind farm

在圖14中，PT1為風電場輸出功率在經過風電場側釩液流電池儲能系統平抑后的功率變化曲線，低通濾波器的時間常數T1的大小決定儲能系統對波動功率的平抑效果，這里時間常數取值為T1=1 h，目的在于平抑小時級的波動功率；圖15（a）為釩液流電池在T1=1 h時電池儲能系統吞吐功率變化，圖15（b）為其儲存能量的變化，容易看出電池儲能系統主要發揮充放電速度快的優勢進行頻繁的充放電對風電場輸出波動功率進行快速補償，要達到圖13的平抑效果對電池的功率要求大，而對電池的容量要求小，因此，釩液流電池儲能系統主要作為功率補償裝置應用在風電場側。

圖13　輸出功率的波動率和頻譜特性Fig.13　Fluctuation spectrum and fluctuation rate of wind farm output power

圖14　VRB平抑后的功率曲線Fig.14　Smoothed wind power with VRB

圖15　VRB功率和容量變化曲線Fig.15　Changing curve of the VRB output power and storage capacity

圖16中，PT2為PT1在經過電網側先進壓縮空氣儲能系統平抑后的功率變化曲線，低通濾波器的時間常數取值為T2=24 h，目的在于平抑24 h級的波動功率；圖17（a）為先進壓縮空氣儲能系統吞吐功率變化，圖17（b）為先進壓縮空氣儲能系統存儲能量的變化情況。電網側先進壓縮空氣儲能系統與風電場側電池儲能相比，充放電頻率明顯要小很多，符合壓縮空氣儲能系統分鐘級的響應時間要求；先進壓縮空氣儲能系統因其大容量大功率的特點，適合作為主要的儲能裝置應用于電網側。

圖16　CAES平抑后的功率曲線Fig.16　Smoothed wind power with CAES

圖17　CAES功率和容量變化曲線Fig.17　Changing curve of the CAES output power and storage capacity

圖18所示為24 h中風電功率Pwind、經液流電池平抑后的功率PT1以及并網功率PT2。圖19為相同時間段中對釩液流儲能電池和壓縮空氣儲能系統的功率和容量需求。

圖20所示為經復合儲能系統平抑前后，Pwind、PT1和PT2的頻譜特性分析，PT1與Pwind相比，從0.1 Hz開始發生明顯減小趨勢，因此釩液流電池儲能系統主要平抑波動功率大于0.1 Hz的高頻成分；PT2與PT1相比，從0.02 Hz開始發生明顯減小趨勢，說明先進壓縮空氣儲能系統能夠平抑0.02～0.6 Hz之間較低頻成分；PT2與Pwind相比，大于0.01 Hz中的波動成分經過復合儲能系統可以得到明顯的平抑，從而減小風電場并網波動功率對電網穩定性的影響。

圖18　24h中Pwind、PT1和PT2變化Fig.18　Changing curve of Pwind，PT1and PT2in 24 hours

圖19　24h中儲能系統功率和容量變化Fig.19　Changing curve of the energy storage system output power and storage capacity in 24 hours

圖20　頻譜特性曲線變化Fig.20　Changing curve of wind farm output power spectrum

5　結語

本文在仿真分析釩液流電池充放電特性的基礎上，通過對AC/DC功率變換器的設計和控制，完成釩液流電池與風電場的耦合和功率調節，驗證釩液流電池對風電場側快速波動功率的補償和平抑具有良好效果。先進壓縮空氣儲能系統具備大功率大容量特性的同時，適合應用在風電場并網側調節風電場輸出功率。在由2個低通濾波器組成的復合儲能系統控制策略的基礎上，對某39 MW風電場實測數據進行仿真計算，計算結果表明釩液流電池在風電場側完成對高頻波動成分（大于0.1 Hz）的平抑、壓縮空氣儲能對低頻波動成分（0.02到0.6 Hz）的平抑有較好效果，驗證了復合儲能對風電場輸出電力品質的提升效果，有望解決風電場輸出的不穩定性導致的并網難以及“棄風限電”問題。

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（編輯董小兵）

Research on Smoothing Wind Power Fluctuations Based on Hybrid Energy Storage System

ZHAO Fei1，XU Jian1，2，XU Yujie1，2，LIU Ya1，CHEN Haisheng1，2，TAN Chunqing1，2
（1.Ordos Institute of Large-Scale Energy Storage Technology，Ordos 017000，Inner Mongolia，China；2.Institute of Engineering Thermophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

Instability，intermittence and fluctuation of wind energy often results in adverse impacts on grid connection and wind power utilization.On the basis of an analysis of the fluctuation characteristics of wind power，this paper proposes a hybrid energy storage system composed of advanced compressed air energy storage（CAES）system and vanadium redox flow battery（VRB）to decrease power fluctuations in the wind farm. The energy storage strategy and simulation are designed based on mathematical models of the energy storage system.The simulation results show the VRB can be used to smooth rapid power fluctuations in the wind farm side.CAES with high power and large capacity is suitable to regulate the power output of wind farm in the grid side.

hybrid energy storage；wind power；power fluctuations；quality of electric energy

1674-3814（2015）07-0098-08中圖分類號：TM911

A

2015-01-19。

趙飛（1988—），男，碩士，工程師，主要研究方向為控制技術；

許劍（1983—），男，博士，助理研究員，主要研究方向為儲能與節能技術；

徐玉杰（1979—），女，博士，副研究員，主要研究方向為與環境相容的總能系統；

劉芽（1988—），女，碩士，工程師，主要研究方向為熱工測控；

陳海生（1977—），男，博士，研究員，主要研究方向為新型儲能系統與材料、微型燃氣輪機等；

譚春青（1963—），男，博士，研究員，主要研究方向為燃氣輪機和儲能系統等。