復(fù)合儲能功率平穩(wěn)化系統(tǒng)及其保護蓄電池的研究

復(fù)合儲能功率平穩(wěn)化系統(tǒng)及其保護蓄電池的研究摘要：風(fēng)能和太陽能的輸出功率由于自然環(huán)境的隨機變化具有不穩(wěn)定和間歇性的特點，鉛酸蓄電池作為主要儲能設(shè)備，可保證供電系統(tǒng)能量緩沖實現(xiàn)長期穩(wěn)定供電。然而，短期內(nèi)供電系統(tǒng)無規(guī)律高頻變化的輸出功率，不僅會使蓄電池產(chǎn)生大電流充放電而且增加其充/放電循環(huán)次數(shù)，進而影響儲能系統(tǒng)的壽命。本文提出了采用超級電容器（EDLC）和雙向Buck/Boost斬波電路的復(fù)合儲能功率平穩(wěn)化系統(tǒng)，通過抑制輸出功率的波動幅值和頻率來減少蓄電池的瞬間大電流充放電和充/放電循環(huán)次數(shù)。首先，以小型風(fēng)力發(fā)電機為例，討論了其輸出功率的波動特征和波動頻率范圍，分析了平穩(wěn)化系統(tǒng)在低頻區(qū)域的特性；其次，通過仿真系統(tǒng)和試驗證實了提案系統(tǒng)的有效性和可行性。最后，利用多點測試值的均值計算，討論了該平穩(wěn)化系統(tǒng)對抑制輸出功率波動和降低蓄電池充放電循環(huán)周期的效果，結(jié)果表明，在輸出功率的波動頻率區(qū)域，波動功率和蓄電池充放電循環(huán)次數(shù)被有效的降低。關(guān)鍵詞：功率波動；平穩(wěn)化系統(tǒng)；超級電容器；蓄電池；充放電循環(huán)引言作為對環(huán)境友好的能源，風(fēng)能和太陽能得到廣泛關(guān)注。儲能系統(tǒng)是新能源供電系統(tǒng)中的重要組成部分可確保供電平衡穩(wěn)定并為用戶提供長期用電需求，其儲能方式、使用環(huán)境、價格、壽命均受到使用者的關(guān)注。目前，鉛酸蓄電池以其初始成本低廉、能量密度高、制備簡單的優(yōu)點，仍在風(fēng)能太陽能供電系統(tǒng)中被廣泛使用,但鉛酸蓄電池是電化學(xué)儲能裝置，循環(huán)充放電次數(shù)有限并且大電流的充放電會嚴重影響其使用壽命。風(fēng)能太陽能供電系統(tǒng)的輸出功率受自然環(huán)境的影響具有隨機性和不穩(wěn)定性的特點，尤其在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，短期內(nèi)，輸出功率的波動會大大增加蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù)并最終導(dǎo)致儲能裝置過早損壞，從而影響供電系統(tǒng)平衡[3]。在新能源供電系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)仍然是最容易損壞的部分。防止電池過早損壞延長其使用壽命是保證新能源供電系統(tǒng)尤其是獨立的新能源供電系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作的保證。本文首先以小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為例，討論了其輸出功率的波動特征和波動頻率范圍，重點分析了平穩(wěn)化系統(tǒng)在低頻區(qū)域的特性；其次，通過對提案的超級電容器（EDLC）/蓄電池復(fù)合儲能功率平穩(wěn)化系統(tǒng)的分析，確定了雙向Buck/Boost斬波電路的合理參數(shù)配置，通過仿真系統(tǒng)和試驗證實了提案系統(tǒng)的有效性和可行性；最后，利用多點測試值的均值計算，在不同負載電流和參數(shù)情況下，討論了該平穩(wěn)化系統(tǒng)對抑制輸出功率波動和降低蓄電池充放電循環(huán)周期的效果，結(jié)果表明，在輸出功率的波動頻率區(qū)域，波動功率被有效抑制，實現(xiàn)了蓄電池的平穩(wěn)供電，蓄電池充放電循環(huán)次數(shù)被有效的降低了[4]。(a)風(fēng)力機輸出功率(b)頻譜圖(a)OutputpowerofWTG(b)Frequencyspectrum圖.1商用風(fēng)力發(fā)電機輸出（例-1）Fig.1OutputofWTGincommercialuse(Example-1)(a)風(fēng)力機輸出功率(b)頻譜圖(a)OutputpowerofWTG(b)Frequencyspectrum圖.2商用風(fēng)力發(fā)電機輸出（例-2）Fig.2OutputofWTGincommercialuse(Example-2)2.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出2.1輸出功率波動特性風(fēng)力機的輸出功率不僅在長期內(nèi)變化不定，在短期內(nèi)也具有較大的波動性。以400W風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出為例，采用相同的測試方法，取樣頻率取10kHz。圖1(a)和圖2(a)分別是2個不同時段200s的風(fēng)力機輸出功率。如果配置儲能系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將這種波動功率供給蓄電池，那么必然會對蓄電池產(chǎn)生極大地影響，縮短其使用壽命，因此，抑制短期功率波動的研究對儲能獨立自然能系統(tǒng)是很有必要的。2.2風(fēng)波動的頻率范圍由傅立葉分析法分析采集的數(shù)據(jù)頻率波動區(qū)域。圖1(b)和圖2(b)分別是對應(yīng)的輸出功率圖1(a)和圖2(a)的頻譜圖。由于計算軟件容量的限制，F(xiàn)FT頻譜圖中頻率≥0.05[Hz]的數(shù)據(jù)被看作是可用數(shù)據(jù)。圖1(b)和圖2(b)表明風(fēng)力機輸出功率波動通常處于較低的頻率區(qū)域,即10[Hz]以下。由大量采集的實驗數(shù)據(jù)可得相似的頻率特性，由于篇幅問題本文不做逐一列舉。鉛酸蓄電池是電化學(xué)儲能裝置，當(dāng)輸入功率的波動頻率與蓄電池化學(xué)反應(yīng)速度相比很高時,可以將這種功率波動看作是一種高頻率成分(通常＞100[Hz])，文獻[1]表明，這種高頻成分引起的波動對蓄電池使用壽命的影響很小。因此，本文對功率波動抑制的研究將主要在0.05～3Hz頻率區(qū)域范圍內(nèi)進行。3.功率平穩(wěn)化系統(tǒng)3.1平穩(wěn)化系統(tǒng)的提出儲能設(shè)備中鉛酸蓄電池具有能量密度大功率密度小壽命有限的特點，而超級電容器具有功率密度大能量密度小壽命長的特點[2]。結(jié)合二者的優(yōu)缺點使用超級電容器/蓄電池復(fù)合儲能系統(tǒng)同時配合電力電子控制，在具有波動電力輸出的新能源供電系統(tǒng)中不僅能實現(xiàn)長期儲能而且可通過超級電容器吸收補償波動功率中的諧波，保證蓄電池恒流充電減少波動瞬時從而延長其使用壽命。簡單直接并聯(lián)的EDLC-蓄電池混合儲能系統(tǒng)只能通過蓄電池和EDLC內(nèi)阻的比例對功率波動進行補償，不具有可控性，因此，本文提出了一個可控的EDLC/蓄電池功率平穩(wěn)化系統(tǒng)，通過引進雙向Buck∕Boost控制器實現(xiàn)抑制功率波動的目的。圖3、圖4分別為風(fēng)光互補復(fù)合儲能功率平穩(wěn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和電路圖[5]。表1為定義的電路中各主要變量，系統(tǒng)中負載取定值，電源、負荷和蓄電池并聯(lián)連接，蓄電池的輸出電壓近似為常數(shù)。圖4中的虛線部分為含超級電容器的雙向功率平穩(wěn)化系統(tǒng)。EDLC與蓄電池通過雙向Buck∕Boost控制器并聯(lián)連接，L2C1保護EDLC免受瞬時峰值電流沖擊。在控制系統(tǒng)中，低通濾波器（LPF1）截止頻率fc為0.05Hz，頻率低于fc的部分被提供給蓄電池，頻率高于fc的電流將被EDLC補償后供給蓄電池。采用PI控制器是用于控制和調(diào)整偏差電流ib（ib=ibref-ib）使其趨近于零，低通濾波器LPF2放置在PI后，來降低開關(guān)引起的波動。開關(guān)S2的工作周期用d表示，開關(guān)頻率fs=32.125[kHz]，S1和S2的電壓在脈寬調(diào)制（PMW）和工作周期的調(diào)控下改變。與VED相比，電感L2的電壓小到可以忽略，因此，可以假定VC1≈VED。S2的電壓由式（1）(1)通過比較電壓VS2和VB控制S1和S2的開/關(guān)，使波動功率中的高頻諧波部分由EDLC補償，低頻近似直流成分供給蓄電池。后續(xù)仿真與實驗中使用的EDLC的額定電壓100[V]，電容量CED=7[F]。EDLC的初始電壓設(shè)定為VED,0=50[V]，VB=24[V]。表2表示了各參數(shù)值。

圖3功率平穩(wěn)化自然能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure3.Stand-aloneNaturalEnergyPowerSystemwithproposedelectricpowersmoothingsystem圖4功率平穩(wěn)化系統(tǒng)電路圖Fig.4Configurationofproposedelectricpowersmoothingsystem表1.主要變量Table1.MainparametersVariablesMeaningis電源輸出電流il負載電流ib鉛酸蓄電池電流VB鉛酸蓄電池電壓ic超級電容器電流VS2開關(guān)S2電壓VC1電容C1的電壓iEDEDLC電流VEDEDLC電壓表2參數(shù)值Table2.Parameters’valueParametersValueVED50[V]L15[mH]L20.5[mH]C110[F]Kp0.3[1/A]Ki0.2[1/(As)]3.2．平穩(wěn)化精度定義為了方便評價抑制功率波動的效果，定義抑制功率波動的平穩(wěn)化精度。PS,PL和PB分別表示電源功率，負載功率和蓄電池功率，如式（2）所示，平穩(wěn)化精度S定義如式（3）所示。式（3）表明，PB的振幅越小平準(zhǔn)化精度S越小，平準(zhǔn)化精度越高，抑制功率波動的效果則越好。根據(jù)公式（2）、（3）可得公式（4），即可通過輸出電流對功率波動的抑制效果進行評估。本文中以平穩(wěn)化精度S≤10%作為目標(biāo)值，即蓄電池電流的波動幅值在電流源電流波動幅值的10%以內(nèi)。（2）（3）（4）3.3.傳遞函數(shù)和頻率特性分析本文應(yīng)用無窮小差值法對逆變提議的控制器進行分析，引入線性周期變化和，如式（5）所示，U0和D0分別表示穩(wěn)態(tài)輸入向量和工作周期。注：穩(wěn)態(tài)條件為，。，（5）變化狀態(tài)向量和輸出量由式（6）獲得，其中X0和Ib0分別表示穩(wěn)態(tài)向量和輸出量。，（6）經(jīng)過分析，這個擾動被認為是非常小的，遠小于穩(wěn)態(tài)值，只有一階線性擾動項可得到小信號線性模型：（7）因為非線性假設(shè)的影響非常小，忽略它不會對整體精度分析產(chǎn)生明顯影響，可有效的使整個系統(tǒng)線性化。穩(wěn)態(tài)時，狀態(tài)向量X0如式（8）所示。（8）設(shè)小信號的值為零，線性化系統(tǒng)小信號輸出傳遞函數(shù)，如式（9）、（10）所示。（9）（10）圖圖5.功率平穩(wěn)化系統(tǒng)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖Figure5.Blockdiagramoftheproposedelectricpowersmoothingsystem圖圖6.功率平穩(wěn)化系統(tǒng)頻率特性Figure6.Frequencycharacteristicsoftheproposedsystem利用拉普拉斯變換，設(shè)定所有初始條件為零，根據(jù)以上分析獲得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，如圖5所示，G1(s),G22(s),和G3(s)是2-nd低通濾波器。G1(s)是LPF1的傳遞函數(shù)，G3(s)是LPF2的傳遞函數(shù)。圖5的上半部分反映了主電路抑制功率波動的特性，其中，G5(s)表示為蓄電池電流（輸出）提供小信號的波動功率的輸出電流（輸入）的傳遞函數(shù)。下半部分反映了控制電路的特性，，和分別表示變化的參考電池電流，和間的變化誤差和工作周期參考輸入信號的變化量。Kc是參考輸入信號與工作周期的比較器的比例系數(shù)，此處，Kc設(shè)定值為1/20。G0(s)是工作周期對電池電流（輸出）的傳遞函數(shù)。圖5中，反饋增益為1，對于定值負載，公式（11）表示從電源電流到輸出電流的閉合回路的傳遞函數(shù)：（11）其中（12）式（13）表示一個阻尼比，反映平穩(wěn)化精度S和評估穩(wěn)態(tài)時功率波動的抑制水平。Hc(j)表示系統(tǒng)閉合回路的傳遞函數(shù)。（13）圖6表示當(dāng)截止頻率LPF1=0.1[HZ]，工作周期d=0.5時計算結(jié)果的頻率特性。作為波動功率的頻率函數(shù)，顯示了從電源輸出電流到蓄電池輸入電流的阻尼比。圖6的左邊部分（低頻區(qū)域）的頻率特性反映了LPF1對功率波動的抑制特性；右邊部分（高頻區(qū)域）的頻率特性反映了平穩(wěn)化系統(tǒng)的頻率特性。當(dāng)阻尼比小于-20[dB]時，平穩(wěn)化精度S低于10%。圖6表明，當(dāng)fc=0.1[Hz],d=0.5時，阻尼比小于-20[dB]且處于0.3[Hz]≤fh≤30[Hz]的頻率區(qū)域內(nèi)的功率波動將被抑制。實際引用過程中可通過調(diào)整LPF1的截止頻率和其他系統(tǒng)參數(shù)來擴展能夠一直功率波動的頻率區(qū)域。同樣，實驗結(jié)果的頻率特性也顯示在圖6中，可看出實驗結(jié)構(gòu)的頻率特性與計算結(jié)果對應(yīng)較好。分別對輸出電流的峰峰值分別為3[A]，6[A]，9[A]，12[A]（＜20[A]）進行實驗，結(jié)果表明波動電流的振幅對波動功率平穩(wěn)化系統(tǒng)的頻率特性依賴性很小，這也證實了非線性特征對頻率特性的影響非常小，可忽略不計。平穩(wěn)化系統(tǒng)的頻率特性主要是受電源的輸出功率的波動頻率影響大，因此，針對于功率波動抑制的研究中，應(yīng)以實際發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的頻率波動范圍進行討論。本文以小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實際輸出功率的頻率波動范圍為研究對象。4.抑制功率波動的有效性分析4.1實際風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的試驗結(jié)果選取額定功率為400[W]的商用風(fēng)力發(fā)電機，鉛酸蓄電池的電壓VB=24[V]，定值負載R=10[Ω]，LPF1的截止頻率fc=0.1[Ｈz]，其它參數(shù)見表２。(a)(a)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出(a)Outputofwindpowergenerationsystem（b）頻譜圖(b)Frequencyspectrum圖7.使用復(fù)合儲能功率平穩(wěn)化系統(tǒng)的獨立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實際輸出（fc=0.1[Hz]）（例-1）Figure7.Actualoutputofthestand-aloneWTGsystemwiththeproposedsystem,（fc=0.1[Hz],Example-1）圖圖8.運行中EDLC電壓的峰峰值|VED,pp|，LPF1的截止頻率fc=0.1或0.01[Hz]（例-1）Figure12.Peak-to-peakvariationintheEDLCvoltage,|VED,pp|whenthecut-offfrequencyfcofLPF1is0.1or0.01[Hz](Example-1)圖7表示獨立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用復(fù)合儲能功率平穩(wěn)化補償系統(tǒng)的試驗結(jié)果。圖7(ａ)為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出，其中，(is-il)為風(fēng)力機輸出電流,ic為超級電容器電流，ib為蓄電池電流。圖7(b)表示輸出電流的頻率特性。圖7表明，定值負載電流恒為il=2.4[A]時，使用提議的功率平穩(wěn)化系統(tǒng)，超級電容通過充放電來補償功率波動包括大的瞬時劍鋒波動，蓄電池免受瞬時大電流的影響同時波動電流得到明顯的抑制。如果以i=0[A]作為電流波動變化的衡量，在200s的期間內(nèi)，風(fēng)力機電源輸出電流(is-il)的波動次數(shù)為21次，蓄電池電流ib的波動次數(shù)降為8次，如果僅以波動對蓄電池壽命的影響考慮抑制功率波動的意義，那么在200s的期間范圍內(nèi)，可近似推得通過抑制功率波動將會使蓄電池的使用壽命增加2.6倍（21/8=2.6）。同時，超級電容器在對波動功率進行補償時，充放電電壓變化較大，電壓的峰峰值變化如圖8所示，=3.32[V],小于超級電容器的初始電壓（50V）的20%。在這個電壓變化范圍內(nèi)功率平穩(wěn)化系統(tǒng)能夠安全運行，試驗結(jié)果證明了提議系統(tǒng)的有效性。4.2實測數(shù)據(jù)在仿真中的應(yīng)用為了便于分析，將例-1的實測數(shù)據(jù)（其fc=0.1[HZ]）通過C++建立動態(tài)鏈接輸入PSIM仿真模型，模擬結(jié)果如圖9所示。圖9表明，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果具有很好的吻合性。因此，直接通過仿真模型分析提議的平穩(wěn)化系統(tǒng)對實測波動功率的抑制效果是可行的，同時節(jié)省了實驗設(shè)備。這一結(jié)論有利于在相同波動功率輸入條件下，比較不同參數(shù)如低通濾波器截止頻率fc和負載電流il對抑制功率波動的效果。實際供電系統(tǒng)中，負載電流是隨用戶的需求變化而變化的，負載電流的變化會影響蓄電池的充放電循環(huán)。假定功率平穩(wěn)化補償系統(tǒng)不工作，即波動的電流直接進入蓄電池的狀態(tài)定義為‘ConditionCon0’,圖10表明，無補償系統(tǒng)時，蓄電池充放電電流的波動頻率較高。蓄電池充放電循環(huán)次數(shù)高且隨負載變化而變化，隨fc的降低而減少。4.3功率平穩(wěn)化系統(tǒng)對降低蓄電池充放電循環(huán)的效果不同時間下，隨輸出功率和負載電流的變化，蓄電池的充放電次數(shù)會有很大差別。用單一的例子來評價功率波動的抑制效果，圖9試驗結(jié)果與應(yīng)用實際測試數(shù)據(jù)輸入的仿真結(jié)果比較（fc=0.1[Hz]）（例-1））Fig.9Comparisonofexperimentalresultsandsimulationresultsusingactualtesteddata(cut-offfrequencyfc=0.1[Hz])(Example-1)圖10.負載和fc對蓄電池充放電的影響(例-1數(shù)據(jù))Fig.10Effectonreductiontherechargecyclesunderdifferentcut-offfrequencyandloadcurrent（Example-1）是不精確的。因此，本文采用多例的平均值方法來評價功率波動抑制的效果。取5個不同的時間段測得200s內(nèi)風(fēng)力機的實際輸出功率數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真模型，分析當(dāng)負載電流il=2.4A的不同截止頻率fc和比例控制系數(shù)時，蓄電池充放電次數(shù)和超級電容器端電壓VED,pp的變化情況。表3給出了相應(yīng)的不同時段數(shù)據(jù)。在表３中，c0—表示補償系統(tǒng)不工作波動電流直接進入蓄電池的工況條件；n—表示蓄電池的循環(huán)充放電次數(shù)。N%—表示蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù)減少的百分率。運行中認為VED,pp＜20%（）時，該系統(tǒng)可在EDLC的安全電壓范圍內(nèi)運行。相應(yīng)的結(jié)果同時在圖11中顯示。圖11表明，蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù)受fc的影響很大，而受抑制增益的影響很小。但fc太低，波動被抑制的同時能量也同時被截止，造成能量的損失，因此可以表3不同fc和k時蓄電池充放電次數(shù)和超級電容器端電壓VED,pp的變化Table3.Variationincharge/dischargecyclesandVED,ppunderdifferentfcandsuppressinggaink(Forexample:Loadcurrentil=2.4[A])ConditionInputCon0Cut-offfrequency,fc[Hz]0.10.050.030.020.01Example1n2184211│VED,pp│(k=20)/3.23.23.43.54.8│VED,pp│(k=60)/3.33.33.43.64.9Example2n1364321│VED,pp│(k=20)/4.54.85.66.78.3│VED,pp│(k=60)/5.05.06.97.18.7Example3n1864221│VED,pp│(k=20)/5.66.97.68.29.5│VED,pp│(k=60)/6.07.68.18.59.9Example4n1373211│VED,pp│(k=20)/4.24.55.46.16.4│VED,pp│(k=60)/4.24.65.46.16.4Example5n1354221│VED,pp│(k=20)/6.87.47.67.67.9│VED,pp│(k=60)/7.48.38.69.19.5Averagen1664221│VED,pp│(k=20)4.85.45.96.47.4│VED,pp│(k=60)5.25.76.56.97.9ReductionpercentN(%)37.525.012.512.56.3圖11抑制功率波動的平均效果Fig.11Averageeffectofsuppressingpowerfluctuationwithproposedsystembyusingmanyactualdata通過適當(dāng)加大超級電容器的電壓和容量補償高頻諧波成分。圖11說明通過引進功率平