复合储能功率平稳化系统及其保护蓄电池的研究

1、复合储能功率平稳化系统及其保护蓄电池的研究 摘要：风能和太阳能的输出功率由于自然环境的随机变化具有不稳定和间歇性的特点，铅酸蓄电池作为主要储能设备，可保证供电系统能量缓冲实现长期稳定供电。然而，短期内供电系统无规律高频变化的输出功率，不仅会使蓄电池产生大电流充放电而且增加其充/放电循环次数，进而影响储能系统的寿命。本文提出了采用超级电容器（EDLC）和双向Buck/Boost斩波电路的复合储能功率平稳化系统，通过抑制输出功率的波动幅值和频率来减少蓄电池的瞬间大电流充放电和充/放电循环次数。首先，以小型风力发电机为例，讨论了其输出功率的波动特征和波动频率范围，分析了平稳化系统在低频区域的特性；其

2、次，通过仿真系统和试验证实了提案系统的有效性和可行性。最后，利用多点测试值的均值计算，讨论了该平稳化系统对抑制输出功率波动和降低蓄电池充放电循环周期的效果，结果表明，在输出功率的波动频率区域，波动功率和蓄电池充放电循环次数被有效的降低。关键词：功率波动；平稳化系统；超级电容器；蓄电池；充放电循环引言作为对环境友好的能源，风能和太阳能得到广泛关注。储能系统是新能源供电系统中的重要组成部分可确保供电平衡稳定并为用户提供长期用电需求，其储能方式、使用环境、价格、寿命均受到使用者的关注。目前，铅酸蓄电池以其初始成本低廉、能量密度高、制备简单的优点，仍在风能太阳能供电系统中被广泛使用,但铅酸蓄电池是电化

3、学储能装置，循环充放电次数有限并且大电流的充放电会严重影响其使用寿命。风能太阳能供电系统的输出功率受自然环境的影响具有随机性和不稳定性的特点，尤其在风力发电系统中，短期内，输出功率的波动会大大增加蓄电池的充放电循环次数并最终导致储能装置过早损坏，从而影响供电系统平衡3。在新能源供电系统中储能系统仍然是最容易损坏的部分。防止电池过早损坏延长其使用寿命是保证新能源供电系统尤其是独立的新能源供电系统长期稳定工作的保证。本文首先以小型风力发电系统为例，讨论了其输出功率的波动特征和波动频率范围，重点分析了平稳化系统在低频区域的特性；其次，通过对提案的超级电容器（EDLC）/蓄电池复合储能功率平稳化系统的

4、分析，确定了双向Buck/Boost斩波电路的合理参数配置，通过仿真系统和试验证实了提案系统的有效性和可行性；最后，利用多点测试值的均值计算，在不同负载电流和参数情况下，讨论了该平稳化系统对抑制输出功率波动和降低蓄电池充放电循环周期的效果，结果表明，在输出功率的波动频率区域，波动功率被有效抑制，实现了蓄电池的平稳供电，蓄电池充放电循环次数被有效的降低了4。 (a)风力机输出功率 (b) 频谱图(a) Output power of WTG (b) Frequency spectrum图.1商用风力发电机输出（例-1）Fig. 1 Output of WTG in commercial use

5、(Example-1) (a)风力机输出功率 (b) 频谱图(a) Output power of WTG (b) Frequency spectrum图.2商用风力发电机输出（例-2）Fig. 2 Output of WTG in commercial use (Example-2) 2.风力发电系统的功率输出2.1输出功率波动特性风力机的输出功率不仅在长期内变化不定，在短期内也具有较大的波动性。以400W风力发电系统的输出为例，采用相同的测试方法，取样频率取10kHz。图1(a)和图2(a)分别是2个不同时段200s的风力机输出功率。如果配置储能系统的风力发电系统将这种波动功率供给蓄电池，

6、那么必然会对蓄电池产生极大地影响，缩短其使用寿命，因此，抑制短期功率波动的研究对储能独立自然能系统是很有必要的。2.2风波动的频率范围由傅立叶分析法分析采集的数据频率波动区域。图1(b)和图2(b)分别是对应的输出功率图1(a)和图2(a)的频谱图。由于计算软件容量的限制，FFT频谱图中频率0.05Hz的数据被看作是可用数据。图1(b)和图2(b)表明风力机输出功率波动通常处于较低的频率区域,即10Hz以下。由大量采集的实验数据可得相似的频率特性，由于篇幅问题本文不做逐一列举。铅酸蓄电池是电化学储能装置，当输入功率的波动频率与蓄电池化学反应速度相比很高时,可以将这种功率波动看作是一种高频率成分

7、(通常 100Hz)，文献1表明，这种高频成分引起的波动对蓄电池使用寿命的影响很小。因此，本文对功率波动抑制的研究将主要在0.053Hz频率区域范围内进行。3.功率平稳化系统3.1平稳化系统的提出储能设备中铅酸蓄电池具有能量密度大功率密度小寿命有限的特点，而超级电容器具有功率密度大能量密度小寿命长的特点2。结合二者的优缺点使用超级电容器/蓄电池复合储能系统同时配合电力电子控制，在具有波动电力输出的新能源供电系统中不仅能实现长期储能而且可通过超级电容器吸收补偿波动功率中的谐波，保证蓄电池恒流充电减少波动瞬时从而延长其使用寿命。简单直接并联的EDLC-蓄电池混合储能系统只能通过蓄电池和EDLC内阻

8、的比例对功率波动进行补偿，不具有可控性，因此，本文提出了一个可控的EDLC/蓄电池功率平稳化系统，通过引进双向BuckBoost控制器实现抑制功率波动的目的。图3、图4分别为风光互补复合储能功率平稳化系统的结构图和电路图5。表1为定义的电路中各主要变量，系统中负载取定值，电源、负荷和蓄电池并联连接，蓄电池的输出电压近似为常数。图4中的虚线部分为含超级电容器的双向功率平稳化系统。EDLC与蓄电池通过双向BuckBoost控制器并联连接，L2C1保护EDLC免受瞬时峰值电流冲击。在控制系统中，低通滤波器（LPF1）截止频率fc为0.05Hz，频率低于fc的部分被提供给蓄电池，频率高于fc的电流将被

9、EDLC补偿后供给蓄电池。采用PI控制器是用于控制和调整偏差电流ib（ib=ibref -ib）使其趋近于零，低通滤波器LPF2放置在PI后，来降低开关引起的波动。开关S2的工作周期用d表示，开关频率fs=32.125kHz，S1和S2的电压在脉宽调制（PMW）和工作周期的调控下改变。与VED相比，电感L2的电压小到可以忽略，因此，可以假定VC1VED。S2的电压由式（1）表示： (1)通过比较电压VS2和VB控制S1和S2的开/关，使波动功率中的高频谐波部分由EDLC补偿，低频近似直流成分供给蓄电池。后续仿真与实验中使用的EDLC的额定电压100V，电容量CED=7F。EDLC的初始电压设定

10、为VED,0=50V，VB=24V。表2表示了各参数值。图3 功率平稳化自然能供电系统结构图Figure 3. Stand-alone Natural Energy Power System with proposed electric power smoothing system图4 功率平稳化系统电路图Fig. 4 Configuration of proposed electric power smoothing system表1. 主要变量Table 1. Main parametersVariables Meaningis电源输出电流il负载电流ib铅酸蓄电池电流VB铅酸蓄电池电压i

11、c超级电容器电流VS2开关S2电压VC1电容C1的电压iEDEDLC电流VEDEDLC 电压表2 参数值Table 2. Parameters valueParametersValue VED50VL15 mHL20.5 mHC110 FKp0.31/AKi0.21/ (As)3.2平稳化精度定义为了方便评价抑制功率波动的效果，定义抑制功率波动的平稳化精度。PS,PL和PB分别表示电源功率，负载功率和蓄电池功率，如式（2）所示，平稳化精度S定义如式（3）所示。式（3）表明，PB的振幅越小平准化精度S越小，平准化精度越高，抑制功率波动的效果则越好。根据公式（2）、（3）可得公式（4），即可通过输

12、出电流对功率波动的抑制效果进行评估。本文中以平稳化精度S10%作为目标值，即蓄电池电流的波动幅值在电流源电流波动幅值的10%以内。 （2） （3）（4）3.3.传递函数和频率特性分析本文应用无穷小差值法对逆变提议的控制器进行分析，引入线性周期变化和，如式（5）所示，U0 和 D0分别表示稳态输入向量和工作周期。注：稳态条件为，。， （5）变化状态向量和输出量由式（6）获得，其中X0和Ib0分别表示稳态向量和输出量。，（6）经过分析，这个扰动被认为是非常小的，远小于稳态值，只有一阶线性扰动项可得到小信号线性模型： （7）因为非线性假设的影响非常小，忽略它不会对整体精度分析产生明显影响，可有效的使

13、整个系统线性化。稳态时，状态向量X0如式（8）所示。 （8）设小信号的值为零，线性化系统小信号输出传递函数，如式（9）、（10）所示。 （9） （10）图5.功率平稳化系统传递函数结构图Figure 5. Block diagram of the proposed electric power smoothing system图6. 功率平稳化系统频率特性Figure 6 .Frequency characteristics of the proposed system利用拉普拉斯变换，设定所有初始条件为零，根据以上分析获得系统的传递函数，如图5所示，G1(s), G22(s), 和 G3(s

14、)是2-nd低通滤波器。G1(s)是LPF1的传递函数，G3(s)是LPF2的传递函数。图5的上半部分反映了主电路抑制功率波动的特性，其中，G5(s)表示为蓄电池电流（输出）提供小信号的波动功率的输出电流（输入）的传递函数。下半部分反映了控制电路的特性，和分别表示变化的参考电池电流，和间的变化误差和工作周期参考输入信号的变化量。Kc是参考输入信号与工作周期的比较器的比例系数，此处，Kc设定值为1/20。G0(s)是工作周期对电池电流（输出）的传递函数。图5中，反馈增益为1，对于定值负载，公式（11）表示从电源电流到输出电流的闭合回路的传递函数：（11）其中（12）式（13）表示一个阻尼比，反映

15、平稳化精度S和评估稳态时功率波动的抑制水平。Hc(j)表示系统闭合回路的传递函数。 （13）图6表示当截止频率LPF1=0.1HZ，工作周期d=0.5时计算结果的频率特性。作为波动功率的频率函数，显示了从电源输出电流到蓄电池输入电流的阻尼比。图6的左边部分（低频区域）的频率特性反映了LPF1对功率波动的抑制特性；右边部分（高频区域）的频率特性反映了平稳化系统的频率特性。当阻尼比小于-20dB时，平稳化精度S低于10%。图6表明，当fc=0.1Hz, d=0.5时，阻尼比小于-20dB且处于0.3 Hzfh30 Hz的频率区域内的功率波动将被抑制。实际引用过程中可通过调整LPF1的截止频率和其他

16、系统参数来扩展能够一直功率波动的频率区域。同样，实验结果的频率特性也显示在图6中，可看出实验结构的频率特性与计算结果对应较好。分别对输出电流的峰峰值分别为3A，6A，9A，12A（20A）进行实验，结果表明波动电流的振幅对波动功率平稳化系统的频率特性依赖性很小，这也证实了非线性特征对频率特性的影响非常小，可忽略不计。平稳化系统的频率特性主要是受电源的输出功率的波动频率影响大，因此，针对于功率波动抑制的研究中，应以实际发电系统输出功率的频率波动范围进行讨论。本文以小型风力发电系统的实际输出功率的频率波动范围为研究对象。4. 抑制功率波动的有效性分析4.1实际风力发电系统中的试验结果选取额定功率为

17、400W的商用风力发电机，铅酸蓄电池的电压VB=24V，定值负载R=10，LPF1的截止频率fc=0.1z，其它参数见表。(a) 风力发电系统的输出(a) Output of wind power generation system（b）频谱图(b) Frequency spectrum 图7.使用复合储能功率平稳化系统的独立风力发电系统的实际输出（fc=0.1Hz）（例-1）Figure 7. Actual output of the stand-alone WTG system with the proposed system, （fc=0.1Hz, Example-1）图8. 运行中ED

18、LC电压的峰峰值|VED,pp |，LPF1的截止频率fc=0.1或0.01Hz（例-1）Figure 12. Peak-to-peak variation in the EDLC voltage, |VED,pp | when the cut-off frequency fc of LPF1 is 0.1 or 0.01 Hz (Example-1)图7表示独立风力发电系统采用复合储能功率平稳化补偿系统的试验结果。图7()为风力发电系统的输出，其中，(is-il)为风力机输出电流,ic为超级电容器电流，ib为蓄电池电流。图7(b)表示输出电流的频率特性。图7表明，定值负载电流恒为il=2.4

19、A时，使用提议的功率平稳化系统，超级电容通过充放电来补偿功率波动包括大的瞬时剑锋波动，蓄电池免受瞬时大电流的影响同时波动电流得到明显的抑制。如果以i=0A作为电流波动变化的衡量，在200s的期间内，风力机电源输出电流(is-il)的波动次数为21次，蓄电池电流ib的波动次数降为8次，如果仅以波动对蓄电池寿命的影响考虑抑制功率波动的意义，那么在200s的期间范围内，可近似推得通过抑制功率波动将会使蓄电池的使用寿命增加2.6倍（21/8=2.6）。同时，超级电容器在对波动功率进行补偿时，充放电电压变化较大，电压的峰峰值变化如图8所示，=3.32V,小于超级电容器的初始电压（50V）的20%。在这个

20、电压变化范围内功率平稳化系统能够安全运行，试验结果证明了提议系统的有效性。4.2实测数据在仿真中的应用为了便于分析，将例-1的实测数据（其fc=0.1HZ）通过C+建立动态链接输入PSIM仿真模型，模拟结果如图9所示。图9表明，仿真结果与实验结果具有很好的吻合性。因此，直接通过仿真模型分析提议的平稳化系统对实测波动功率的抑制效果是可行的，同时节省了实验设备。这一结论有利于在相同波动功率输入条件下，比较不同参数如低通滤波器截止频率fc和负载电流il对抑制功率波动的效果。实际供电系统中，负载电流是随用户的需求变化而变化的，负载电流的变化会影响蓄电池的充放电循环。假定功率平稳化补偿系统不工作，即波动

21、的电流直接进入蓄电池的状态定义为Condition Con0,图10表明，无补偿系统时，蓄电池充放电电流的波动频率较高。蓄电池充放电循环次数高且随负载变化而变化，随fc的降低而减少。4.3 功率平稳化系统对降低蓄电池充放电循环的效果不同时间下，随输出功率和负载电流的变化，蓄电池的充放电次数会有很大差别。用单一的例子来评价功率波动的抑制效果，图 9 试验结果与应用实际测试数据输入的仿真结果比较（fc=0.1Hz）（例-1）Fig. 9 Comparison of experimental results and simulation results using actual tested dat

22、a (cut-off frequency fc=0.1Hz) (Example-1)图 10.负载和fc对蓄电池充放电的影响(例-1数据)Fig. 10 Effect on reduction the recharge cycles under different cut-off frequency and load current（Example-1）是不精确的。因此，本文采用多例的平均值方法来评价功率波动抑制的效果。取5个不同的时间段测得200s内风力机的实际输出功率数据导入仿真模型，分析当负载电流il=2.4 A的不同截止频率fc和比例控制系数时，蓄电池充放电次数和超级电容器端电压VED

23、,pp的变化情况。表3给出了相应的不同时段数据。在表中，c0表示补偿系统不工作波动电流直接进入蓄电池的工况条件；n表示蓄电池的循环充放电次数。N%表示蓄电池的充放电循环次数减少的百分率。运行中认为VED,pp20%（）时，该系统可在EDLC的安全电压范围内运行。相应的结果同时在图11中显示。图11表明，蓄电池的充放电循环次数受fc的影响很大，而受抑制增益的影响很小。但fc太低，波动被抑制的同时能量也同时被截止，造成能量的损失，因此可以表3 不同fc和k 时蓄电池充放电次数和超级电容器端电压VED,pp的变化Table 3. Variation in charge/discharge cycle

24、s and VED,pp under different fc and suppressing gain k(For example: Load current il=2.4 A)ConditionInputCon0Cut-off frequency, fc Hz0.10.050.030.020.01Example 1n2184211VED,pp(k=20)/3.23.23.43.54.8VED,pp(k=60)/3.33.33.43.64.9Example 2n1364321VED,pp(k=20)/4.54.85.66.78.3VED,pp(k=60)/5.05.06.97.18.7Exa

25、mple 3n1864221VED,pp(k=20)/5.66.97.68.29.5VED,pp(k=60)/6.07.68.18.59.9Example 4n1373211VED,pp(k=20)/4.24.55.46.16.4VED,pp(k=60)/4.24.65.46.16.4Example 5n1354221VED,pp(k=20)/6.87.47.67.67.9VED,pp(k=60)/7.48.38.69.19.5Averagen1664221VED,pp(k=20)4.85.45.96.47.4VED,pp(k=60)5.25.76.56.97.9Reduction percentN (%)37.525.012.512.56.3图 11 抑制功率波动的平均效果Fig. 11 Average effect of suppressing power fluctuation with proposed system by using many actual data通过适当加大超级电容器的电压和容量补偿高频谐波成分。图11说明通过引进功率平稳化系统，蓄电池的循环充放电次数能被有效的降低。5.总结风力发电系统输出功率波动