劉 青, 樊世通

(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，河北保定071003)

考慮蓄電池極化效應(yīng)的儲能容量配置方案研究

劉 青, 樊世通

(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，河北保定071003)

配置合理的儲能系統(tǒng)對孤立微電網(wǎng)的穩(wěn)定與經(jīng)濟運行具有重要的意義。在含風(fēng)電、蓄電池與超級電容器混合儲能的孤立微電網(wǎng)基礎(chǔ)上，充分考慮實際系統(tǒng)中蓄電池極化效應(yīng)的影響，以平抑低頻風(fēng)電功率波動為目的配置蓄電池容量，同時以平抑高頻風(fēng)電功率波動為目的配置超級電容器容量，并建立了平抑一定概率下功率波動的儲能容量配置模型，從而保證儲能系統(tǒng)有足夠容量維持孤立微電網(wǎng)穩(wěn)定運行。結(jié)合具體微電網(wǎng)實例對混合儲能配置方法進行說明，分析給定數(shù)據(jù)下的風(fēng)電功率波動，計算得到滿足設(shè)定概率的功率波動的儲能配置容量，并通過實時仿真進行驗證，結(jié)果表明儲能系統(tǒng)可平抑風(fēng)電功率波動、維持負荷穩(wěn)定運行，且蓄電池與超級電容器SOC均運行于合理范圍。該方法對實際微電網(wǎng)中儲能的容量配置具有一定的指導(dǎo)意義。

微電網(wǎng)；蓄電池；超級電容器；容量配置；極化效應(yīng)

0 引言

隨著世界能源危機的日益嚴重，以風(fēng)電、光伏為代表的新能源發(fā)電成為了重要的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)[1,2]。經(jīng)過近年來的高速發(fā)展，中國風(fēng)電并網(wǎng)裝機容量超越美國成為世界第一。但由于風(fēng)資源豐富的地區(qū)多為偏遠的海島地區(qū)，并網(wǎng)投資較大，建立孤立的微電網(wǎng)系統(tǒng)，是解決風(fēng)力資源利用問題的有效途徑[3～5]。

由于風(fēng)力發(fā)電的波動性，孤立微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行離不開儲能系統(tǒng)的調(diào)控[6～8]。同時，由于儲能系統(tǒng)投資較高，綜合考慮供電可靠性與經(jīng)濟性，需合理配置儲能系統(tǒng)的容量[9～11]。目前，針對微電網(wǎng)容量配置問題已進行了一定研究，文獻[12]在考慮風(fēng)電功率間歇性、波動性的基礎(chǔ)上，以平抑風(fēng)電功率波動為目的，提出了一種配置大規(guī)模儲能系統(tǒng)的方案，并初步優(yōu)化了儲能系統(tǒng)容量。文獻[13,14]在進行負荷分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)全年用電情況，對風(fēng)、光、儲容量進行了優(yōu)化配置。文獻[15]分別以極小化系統(tǒng)投資成本和極大化可再生能源在系統(tǒng)能量供給中的比例為目標(biāo)，建立了微電網(wǎng)多目標(biāo)容量優(yōu)化配置模型并求解。文獻[16]以海島孤立微電網(wǎng)為對象，提出了考慮系統(tǒng)投資運行成本、供電可靠性和可再生能源浪費率的多目標(biāo)優(yōu)化配置模型。但上述文獻中，對于儲能系統(tǒng)特性考慮不全面，未考慮某些時刻儲能系統(tǒng)有剩余容量卻無法繼續(xù)吸收或輸出功率。

本文在含風(fēng)電、蓄電池和超級電容器混合儲能的基礎(chǔ)上，以平抑風(fēng)電功率波動為目的，考慮蓄電池極化效應(yīng)的影響，提出了一種超級電容器、蓄電池混合儲能容量優(yōu)化配置方法。

1 孤立微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及控制模式

圖1為本文建立的孤立微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)圖，包括雙饋風(fēng)電機組(DFIG)、蓄電池組、超級電容器、可控負荷、卸荷電路及日常負荷。

圖1 孤立微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的控制模式為：

(1)DFIG采用傳統(tǒng)最大功率點跟蹤控制，長期處于捕獲最大風(fēng)能狀態(tài)、最大化利用風(fēng)力資源。

(2)儲能系統(tǒng)中，能量密度較大的蓄電池組用于平抑低頻風(fēng)電功率波動。采用PQ控制，以TB時間為周期根據(jù)風(fēng)電功率與負荷功率差值改變功率參考值；功率密度較大的超級電容器用于平抑高頻風(fēng)電功率波動，采用V/f控制，時刻維持系統(tǒng)電壓、頻率穩(wěn)定。當(dāng)達到蓄電池功率給定周期TB時，蓄電池改變功率值補償系統(tǒng)功率差額，協(xié)助超級電容器維持微電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

(3)可控負荷由于其具有可控性，可根據(jù)風(fēng)電功率變化調(diào)節(jié)負荷功率值，故以TL為周期改變可控負荷功率，同時，可控負荷功率可在其額定功率附近小范圍波動，在產(chǎn)生經(jīng)濟效益的同時輔助儲能系統(tǒng)對系統(tǒng)功率進行調(diào)節(jié)。

2 混合儲能容量配置方案

2.1 蓄電池

本文蓄電池以鉛酸蓄電池為例?，F(xiàn)有的蓄電池充電方式一般采用三階段充電，即恒流充電、恒壓充電和浮充充電。在恒流充電階段，可根據(jù)電網(wǎng)側(cè)功率需求調(diào)整蓄電池充放電電流，達到平抑風(fēng)電功率波動的目的。當(dāng)蓄電池端壓隨著恒流充電上升至安全電壓上限時，由恒流階段轉(zhuǎn)為恒壓階段，在維持蓄電池端壓不變的前提下，對蓄電池進行小電流充電。當(dāng)蓄電池進入恒壓充電階段時，其輸出功率不可控。因此，在孤立微電網(wǎng)穩(wěn)定運行時，蓄電池應(yīng)盡可能地運行于恒流階段，保證蓄電池具有平抑風(fēng)電功率波動的能力。

當(dāng)蓄電池充電時，由于電池中有電流通過導(dǎo)致電池的電動勢偏離平衡值，這種相對于平衡電動勢的偏移稱為電池的極化，并產(chǎn)生過電勢，使蓄電池端壓升高，放慢了電化學(xué)反應(yīng)，阻礙充電電流。此外，充電電流越大，則極化現(xiàn)象越嚴重。因此，在制定蓄電池SOC(State of Charge, SOC)約束時，考慮極化效應(yīng)帶來的影響。蓄電池SOC(HS)約束如式(1)所示：

(1)

式中：HS,min為防止蓄電池深度放電設(shè)置的安全運行最小值，HS,max=min(HS,max1，HS,max2),HS,max1為防止蓄電池過充設(shè)置的安全運行最高值，HS,max2為考慮極化效應(yīng)的蓄電池恒流充電可充至的最高值。

蓄電池容量配置。考慮可控負荷調(diào)度周期為TL，蓄電池容量應(yīng)滿足在可控負荷調(diào)度周期內(nèi)可補償風(fēng)電功率波動。周期TL內(nèi)實際所需最大能量為：

(2)

式中：ΔPW為風(fēng)電功率波動值。

由于實際系統(tǒng)中，風(fēng)電以大功率波動概率較低，考慮系統(tǒng)經(jīng)濟性，無需以最大功率波動作為儲能系統(tǒng)能量值進行計算，根據(jù)負荷對電能質(zhì)量的要求不同，設(shè)置概率值Pb,pro，使儲能系統(tǒng)滿足設(shè)定概率下的風(fēng)電功率波動。故周期TL內(nèi)所需能量為：

(3)

式(3)表示，選擇Pb,pro概率下的功率波動時周期TL內(nèi)所需能量，即若儲能系統(tǒng)可滿足周期TL內(nèi)所有功率波動，選擇Pb,pro=1，Eb,pro=Eb,max，若儲能系統(tǒng)可滿足周期TL內(nèi)90%的功率波動，選擇Pb,pro=0.9，并對實際風(fēng)電功率數(shù)據(jù)進行概率統(tǒng)計，得到概率為0.9時的風(fēng)電功率波動能量值。由于風(fēng)電以小功率波動的概率遠大于以大功率波動概率，選擇Pb,pro=1所得Eb,pro與Pb,pro=0.9所得Eb,pro相差較大，進而儲能系統(tǒng)需配置容量具有很大差異，故應(yīng)根據(jù)實際負荷需求選取Pb,pro，保證供電可靠性與系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

考慮蓄電池SOC約束及充放電效率，同時考慮蓄電池處于HS,max與HS,min中間值，即蓄電池此時可充電亦可放電，蓄電池應(yīng)具有的最小能量為：

(4)

式中：η為儲能到負載的放電回路效率，一般取95%～98%。

根據(jù)蓄電池電壓Ub，故蓄電池容量為：

(5)

2.2 超級電容器

考慮蓄電池調(diào)度周期為TB，超級電容器容量應(yīng)滿足在蓄電池調(diào)度周期內(nèi)可補償風(fēng)電功率波動。周期TB內(nèi)實際所需最大能量為：

(6)

滿足設(shè)定概率Pc,pro時的所需能量為：

(7)

考慮超級電容器充放電特性，同時考慮超級電容器處于能量中間狀態(tài)，即此時超級電容器可充電或放電，選擇此狀態(tài)為超級電容器額定電壓與最小運行電壓中值，故超級電容器所需容量為：

(8)

式中：U0為超級電容器額定電壓；Ut為超級電容器允許運行的最低電壓。

3 算例分析

3.1 風(fēng)電功率波動分析

風(fēng)速數(shù)據(jù)采用鹽城射陽測風(fēng)數(shù)據(jù)，高度70 m，采集時間為2012年3月17日18:00～2013年4月22日23:50，時間間隔為10 min。風(fēng)速變化曲線如圖2所示。

圖2 70 m高度風(fēng)速變化曲線

根據(jù)風(fēng)速數(shù)據(jù)查閱風(fēng)機風(fēng)速-功率曲線，以華銳1.5 MW風(fēng)電機組SL1500/82為例，得到風(fēng)速對應(yīng)的風(fēng)電功率值，進一步計算得到風(fēng)電功率波動數(shù)據(jù)。表1為相鄰10 min風(fēng)電功率突變值概率分布。

表1 相鄰10 min風(fēng)電功率突變值概率分布

根據(jù)10 min內(nèi)風(fēng)電功率最大、最小值與平均值差值的絕對值，得到10 min內(nèi)風(fēng)電功率突變值，其概率分布如表2所示。

表2 10 min內(nèi)風(fēng)電功率突變值概率分布

由表1、表2可知，風(fēng)電場的輸出功率在較大與較小的時間尺度下都存在很大的波動，為了滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15945-2008對風(fēng)電場輸出有功功率單位時間內(nèi)波動的規(guī)定[17]，為風(fēng)電場添加儲能系統(tǒng)平滑輸出功率是很有必要的。

3.2 儲能系統(tǒng)容量配置

(1)蓄電池。為確定蓄電池極化效應(yīng)的影響，首先以10塊25Ah的卷繞式鉛酸蓄電池串聯(lián)作為實驗對象進行三階段充電，得到考慮蓄電池極化效應(yīng)的充電特性如表3所示。

表3 蓄電池充電特性

表3中，實驗溫度均為25℃，蓄電池以設(shè)定電流值進行恒流充電，當(dāng)?shù)竭_恒壓階段停止充電，得到最終SOC，初始SOC與最終SOC通過查詢開路電壓與SOC對應(yīng)關(guān)系得到，開路電壓為靜置3～5 h后電池電壓。

由表3可知，蓄電池在較低SOC與較高SOC分別以不同恒定電流進行充電，以大電流充電時最終SOC明顯低于以小電流充電最終SOC，大電流充電極化現(xiàn)象更為嚴重。同時，小電流充電最終SOC最高僅為60.97%，在不采用任何去極化效應(yīng)措施時，蓄電池約40%的容量難以利用?？紤]大電流充電時的極化效應(yīng)，HS,max取50%，同時HS,min取10%。

根據(jù)表1中相鄰10 min風(fēng)電功率突變值概率分布，選擇滿足99.61%的風(fēng)電功率波動，即蓄電池可補償500 kW以下的功率波動，TL取10分鐘，蓄電池直流母線電壓為600 V，故補償500 kW風(fēng)電功率波動所需能量為83.33 kW·h，蓄電池容量為438.58 kW·h，即730.96 Ah。

(2)超級電容器。根據(jù)表2選擇滿足92.36%的風(fēng)電功率突變，即超級電容器可補償800 kW以下的功率波動，TB取30 s，超級電容器額定電壓取600 V，最大跌落電壓取60 V，故補償800 kW風(fēng)電功率波動所需能量為2.16×107J，超級電容器電容值為1 297 F。

3.3 仿真驗證

根據(jù)本文配置的混合儲能容量，對孤立微電網(wǎng)進行4 h實時仿真實驗，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 實時仿真實驗結(jié)果

由圖3可知，4 h內(nèi)風(fēng)電功率一直處于波動狀態(tài)，蓄電池與超級電容器頻繁改變功率輸出值，平抑風(fēng)電功率波動，維持系統(tǒng)負荷穩(wěn)定運行，且4 h內(nèi)蓄電池與超級電容器SOC均處于合理范圍內(nèi)，驗證了本文所提容量配置方案的可行性。

4 結(jié)論

文章在含風(fēng)電、蓄電池與超級電容器混合儲能的孤立微電網(wǎng)基礎(chǔ)上，充分考慮實際系統(tǒng)中提出的蓄電池與超級電容器的容量配置方案，在給定風(fēng)速數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以滿足99.61%概率的風(fēng)電功率波動配置蓄電池容量，滿足92.36%概率的風(fēng)電功率波動配置超級電容器容量，并應(yīng)用于微電網(wǎng)中。蓄電池和超級電容器均可在合理的SOC范圍內(nèi)以不同的時間尺度平抑風(fēng)電功率波動，從而驗證了所得結(jié)果的正確性與可行性。該方法對微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的容量配置具有一定的指導(dǎo)意義。

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Energy Storage Capacity Configuration Scheme Considering Battery Polarization Effect

Liu Qing， Fan Shitong

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Baoding 071003，China)

Configure renewable energy storage capacity is of great significance to the stable and economic operation of micro-grid. On the basis of isolated micro-grid with wind power, battery and super capacitor and different time scales power fluctuations, this paper analyzes energy storage capacity configuration to calm low frequency wind power fluctuations and super capacitor capacity configuration to calm high frequency wind power fluctuations considering polarization effect. As a result, energy storage capacity configuration model is constructed to satisfy a certain probability wind power fluctuations and ensure that energy storage has enough capacity to maintain micro-grid stable. Then it explains configuration method based on concrete micro-grid example and calculates energy storage capacity based on given wind speed data. Finally, real-time simulation shows battery and super capacity can maintain micro-grid stable operation within reasonable SOC scope. The results show that the method has a certain guiding significance in configuring micro-grid energy storage capacity.

micro-grid; battery; super capacitor; capacity configuration; polarization effect

2015-05-08。

國家能源應(yīng)用技術(shù)研究項目(NY20110204-1)。

劉青(1974-)，女，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)微機繼電保護及新能源發(fā)電技術(shù),liuqing0816@yahoo.com.cn。

TM73

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.07.001