中國儲能網(wǎng)訊：風能、太陽能等新能源發(fā)電方式具有較強的間歇性和不穩(wěn)定性，是新型電力系統(tǒng)的主要面臨的問題之一。利用儲能技術能夠實現(xiàn)能量在時間和（或）空間上的轉移，提高電力系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，是當前研究人員與工程技術人員關注的重點領域之一。采用重物提升方式的重力儲能技術，其儲能介質主要為質量較大的重物，通過高度落差產(chǎn)生的重力勢能變化實現(xiàn)能量的存儲和釋放。重物重力儲能方法無化學原料泄露和污染環(huán)境的風險，具有儲存容量擴充容易、選址方便、充放電次數(shù)不受限制、儲能穩(wěn)定性高、自放電率低等優(yōu)勢，近期開始受到重視。
《中國電力》2024年第7期刊發(fā)了韓嘉言等撰寫的《重力儲能直流環(huán)節(jié)電池多模式控制方法》一文。文章選擇以重力儲能為研究對象，建立不穩(wěn)定外部輸入的復合重力儲能模型，重點研究輸入功率波動條件下的電池儲能單元與重力儲能單元間的協(xié)調運行問題，提出一種電池多模式控制策略。在滿足母線電壓基本穩(wěn)定的要求下，提高重力儲能系統(tǒng)的動態(tài)性能。
重力儲能是重要的儲能方式之一，具有獨特的短時暫態(tài)動力學特征，需要構建合理的系統(tǒng)結構和控制方法。提出了一種面向重力儲能直流環(huán)節(jié)的多模式控制方法，從暫態(tài)能量控制角度，通過對重力儲能系統(tǒng)的動力學分析和約束條件的劃分，實現(xiàn)電池儲能和重力儲能的功率匹配。仿真驗證表明，該控制方法能夠在輸入功率波動的情況下顯著降低直流環(huán)節(jié)的電壓抬升，合理分配重力儲能系統(tǒng)內部的功率，提升重力儲能系統(tǒng)的整體性能。
01 重力儲能方式的特征
1.1 重力儲能的整體架構
重力儲能需要通過電力拖動系統(tǒng)實現(xiàn)機電能量轉換，典型結構由外部局域電網(wǎng)、新能源發(fā)電裝置、電力拖動裝置、電池儲能裝置連接構成，系統(tǒng)結構如圖1所示。
圖1 重力儲能系統(tǒng)一般結構
Fig.1 General structure of gravity energy storage system
重力儲能機械儲能的核心是四象限電力拖動系統(tǒng)。一般由AC/DC、直流電容、DC/AC（電機控制器）、電動機、機械傳動機構、工作機構等構成。如果考慮到直流母線的電壓，則在系統(tǒng)內布置電池和DC/DC變換器用來進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。采用混合儲能方式，有利于不同儲能方式之間的配合從而獲得更優(yōu)化的整體性能。
1.2 運動學模型
電機通過傳動裝置拖動一個卷筒，通過卷繞卷筒上的鋼絲繩升起或降落重物。對于電力拖動方式的儲能系統(tǒng)，重物在卷筒上產(chǎn)生等效的總飛輪慣量，其運動方程為
重力儲能具有位能性轉矩負載特性，負載轉矩是由重力作用產(chǎn)生。重力產(chǎn)生的TL的大小和作用方向與轉速無關。無論是提升重物還是下放重物，重力的作用方向不變。如果以提升作為運動的正方向，即n為正值，TL是阻礙運動的阻轉矩，為正值；當下放重物，即n為負值，TL的方向不變，仍為正，表明此時TL是促進轉動的，由提升重物時的阻轉矩變成了拖動轉矩。其特性位于第Ⅰ和第Ⅳ象限內。考慮系統(tǒng)的摩擦轉矩等疊加作用，系統(tǒng)的轉矩特性如圖2所示。
圖2 電磁轉矩與負載轉矩的關系
Fig.2 Relationship between electromagnetic torque and load torque
由于重力提升或下降過程中，阻力方向與運動方向相反，因此負載轉矩TL為
1.3 基本機電轉化能量模型
對于不同種類的電機和控制方式，電機控制器基本方程具有較大的差異。受到機械摩擦、調速過程中的電機特性和傳動方式等影響，很難建立統(tǒng)一的數(shù)學模型。但從功率角度，一般來說電機功率滿足如下關系。
在啟動和調速過程中，變頻器不但需要提供電機啟動和調速過程中產(chǎn)生的重力勢能，還要提供由于重物速度變化而產(chǎn)生的動能變量和在電機上產(chǎn)生的損耗。因此主要分為變速（啟動、加速、減速）和勻速運行兩個工況。在勻速工況，重物克服自身重力和摩擦力的阻礙，實現(xiàn)能量的存儲和釋放，其滿足一般方程為
1.4 能量儲存模型
拖動系統(tǒng)在能量存儲過程的分析條件為：1）為了突出動態(tài)條件下的機械能和電能交換的主要過程，電磁過渡過程的影響忽略不計，只考慮機械過渡過程對能量存儲性能的影響。2）僅考慮能量的轉換過程，忽略特定驅動形式的電磁特性，電源電壓、磁通和負載轉矩在過渡過程中保持恒定不變。3）由于重力儲能的重物質量較大，因此忽略傳動機械結構的轉動慣量和重力影響。4）為提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性，僅考慮電池容量遠小于重物儲能容量的情況。為了突出重力儲能與電池儲能的配合情況與應用效果，本文僅研究輸入功率大于電池容量的情況。
設重物的提升高度為h，重物的質量為m，重物的速度為v，則儲能裝置的穩(wěn)態(tài)下的機械功率Ps、儲存重力勢能能量Ws和運動系統(tǒng)的總動能Wv分別為
1.5 電池及DC/DC變換器模型
重力儲能系統(tǒng)中機械時間常數(shù)和系統(tǒng)效率與電池系統(tǒng)相差較大，出于化簡系統(tǒng)分析模型的角度和對直流母線穩(wěn)定特性分析的目的，建立基于能量角度的簡化電池及DC/DC變換器模型為
02 重力儲能控制目標及約束條件
2.1 儲能設計目標
儲能設計目標為：1）最大限度地利用可再生能源目標。2）快速穩(wěn)定系統(tǒng)內的能量平衡。3）提高儲能效率和品質。
2.2 系統(tǒng)約束條件
03 儲能系統(tǒng)多模式控制及優(yōu)化
儲能單元中接收（釋放）的功率與變頻器吸收（釋放）的功率不平衡時，直流母線電壓將發(fā)生波動。分級運行控制能夠獲得較好的系統(tǒng)功率分配，但是由于重力儲能系統(tǒng)中重力儲能和電池系統(tǒng)的差異較大，功率波動對直流總線電平的影響比較劇烈，需要提出相應控制方法對母線電壓進行協(xié)調控制。
3.1 重力儲能運行模型
建立基于能量角度的重力儲能仿真模型，整體結構如圖3所示，主要包括變頻器的AC/DC部分、DC/AC部分、直流母線的濾波電容、電池DC/DC和電池。物理量包括電容值C、母線電壓VDC、電池荷電狀態(tài)SOC、系統(tǒng)輸入功率Pin、直流濾波電容吸收功率PDC、電池輸入功率PB。
圖3 仿真模型
Fig.3 System simulation model
3.2 模式劃分及控制框圖
構建控制模式如圖4所示，將SOC和直流電壓作為控制功率流的依據(jù)。
圖4 控制模式圖
Fig.4 Control model diagram
控制模式將直流母線電壓實際值VDC與給定電壓值圖片之差作為橫坐標，電池SOC值作為縱坐標。其有效空間為上下限包圍的區(qū)域，并根據(jù)電池與重力儲能工作特性的區(qū)別，將該區(qū)域分割為6個部分，分別對應不同的電池工作狀態(tài)。
為簡化系統(tǒng)結構，突出能量流關系，根據(jù)圖4所示控制模式和式（3）~（5），對變頻器控制模型參數(shù)進行歸一化，并構建基于電機轉矩控制模型，如圖5所示。圖片與VDC之差作為PI控制器（ksp、ksi分別為比例和積分常數(shù)）的輸入變量。輸出量與轉矩常數(shù)kT相乘后獲得電機的輸出轉矩T，經(jīng)最大轉矩約束限制后輸出重物轉矩TL。
圖5 變頻器控制策略模型
Fig.5 Inverter control strategy model
構建電池控制策略如圖6所示。其輸入部分與圖5所示控制策略模型一致，在PI控制模式上加入功率約束。將SOC和直流電壓作為控制功率流的依據(jù)，輸出量為電池的功率PB。輸出功率在SOC限值保護、功率限制的基礎上，將SOC限制式（14）和SOC的劃分SOCLev引入控制策略構成前饋，形成模式控制框圖如圖7所示。
圖6 電池控制策略
Fig.6 Battery control strategy
圖7 模式控制框圖
Fig.7 Mode control block diagram
3.3 仿真分析
3.3.1 案例1：突加輸入功率情況下的系統(tǒng)特征
通過Matlab/Simulink進行時域仿真，并對算例的單位進行歸一化處理，參數(shù)如表1所示。表1中：Pinnom為輸入額定功率；VDCnom為直流母線額定電壓；Tmax為電機最大輸出轉矩。
表1 系統(tǒng)參數(shù)
Table 1 System parameters
根據(jù)設計目標1），Pin為正（0~1）表示功率輸入。PB和Ps可為功率雙向流動（–1~1），設定重物儲能的功率范圍和電池儲能的范圍與輸入功率的范圍相同（–1~1），能夠實現(xiàn)一種類型儲能方式進行功率平衡。輸入功率、電池功率和電機功率如圖8所示。
圖8 輸入功率、電池功率和電機功率（案例1）
Fig.8 Input power, battery power, and motor power (case 1)
作為對比，首先分析沒有加入模式控制方式的系統(tǒng)特征。在沒有考慮電池容量控制的情況下，當達到輸入最大功率Pin的初始階段，電池和電機同時分擔輸入功率。由于電池的響應更快，分擔了較大的功率。但在一段時間后，電池儲能能力逐漸飽和進而退出工作，輸入功率完全由電機吸收。電機首先提高運行功率達到最大輸出轉矩，并在最大轉矩條件下持續(xù)提高轉速。
圖9為轉矩和轉速響應的變化曲線?？梢钥吹剑诘?階段，電池和電機分別吸收功率，由于電池的功率響應速度快于電機，此時主要由電池承擔輸入功率。但由于電池的容量限制，當達到SOC=1時，電池即退出吸收功率，此刻第1階段也結束。此時負載轉矩發(fā)生突變以響應直流環(huán)節(jié)的功率需求。需要注意的是經(jīng)過階段1的持續(xù)吸收電能，電機轉速n已經(jīng)逐漸提升。此時電機吸收功率的能力增加，可見通過電池儲能的緩沖作用使得重力儲能系統(tǒng)保持較平均的功率吸收能力，表明直流環(huán)節(jié)的電池儲能的必要性。
圖9 轉矩和轉速變化曲線（案例1）
Fig.9 Torque and speed curve (case 1)
通過圖9可見，在第2階段的轉矩達到最大值（本例中設定電磁轉矩為歸一化標準，TG/Tmax=0.5）。表明該階段系統(tǒng)儲能能力達到最大極限，直接導致如圖10系統(tǒng)直流電壓的超限。
圖10 直流母線電壓值（案例1）
Fig.10 DC bus voltage (case 1)
電壓超限值與電池容量和電機容量相關。增加電池容量和增加電機的容量能夠減少系統(tǒng)直流母線電壓的升高，但過大的電池容量會造成系統(tǒng)成本上升。而提高電機容量有利于提高暫態(tài)功率的響應能力，但需要根據(jù)輸入容量范圍、電機驅動系統(tǒng)的短時抗過載能力等方面綜合權衡。
在第3階段，重力儲能功率恢復與輸入功率相同。第4階段，輸入功率為零，電機轉矩為零，重物在重力作用下恒定減速，動能轉化為機械能。
3.3.2 案例2：輸入功率頻繁波動情況
由多個功率方波進行模擬新能源輸入功率波動情況，如圖11所示。輸入功率周期為3 s，占空比為50%。第1個周期內，電池儲能與圖8類似。但在第2個周期內，由于電池已經(jīng)充滿，難以繼續(xù)吸收功率造成直流母線電壓產(chǎn)生較大的泵升（標幺值達到1.8）。在第3個周期后，由于電機的轉速提升（如圖12所示），重力儲能的功率吸收能力提高，直流母線的電壓的波動范圍縮小，如圖13所示。
圖11 輸入功率、電池功率和電機功率（案例2）
Fig.11 Input power, battery power, and motor power (case 2)
圖12 轉矩和轉速變化曲線（案例2）
Fig.12 Torque and speed curve (case 2)
圖13 直流母線電壓值（案例2）
Fig.13 DC bus voltage (case 2)
3.3.3 案例3：模式劃分控制情況
前面2種案例表明，在輸入功率頻繁波動情況下，由于電池的SOC飽和后退出工作，難以發(fā)揮電池快速響應的優(yōu)勢。因此，加入本文提出的模式劃分控制模式，3.3.2中的相同輸入功率波形的情況下，電池與重力儲能發(fā)生功率交換（如圖14所示）。首先降低了電池儲能的SOC值，提高了儲能系統(tǒng)的瞬時響應能力；其次將電池中儲存的能量轉移至重力儲能，提高了重物的瞬時運行速度，進而提高了重力儲能系統(tǒng)的瞬時儲能功率。相對于圖12，圖15中的工作在最大轉矩時間大幅度減少，對應圖16中的直流母線電壓的超調時間也大幅度減少，對于減少電機系統(tǒng)的損耗比較有利。通過分析可以看出，本文方法的本質是通過電池與重力儲能的配合，利用了重力儲能的能量遠大于電池儲能容量的特點，合理分配電池和重力儲能間的儲能容量和荷電狀態(tài)，使得組合后的重力儲能系統(tǒng)獲得更加優(yōu)化的綜合性能。
圖14 輸入功率、電池功率和電機功率（案例3）
Fig.14 Input power, battery power, and motor power (case 3)
圖15 轉矩和轉速變化曲線（案例3）
Fig.15 Torque and speed curve (case 3)
圖16 直流母線電壓值（案例3）
Fig.16 DC bus voltage (case 3)
04 結論
本文根據(jù)重力儲能的典型工作拓撲，構建了重力儲能系統(tǒng)的典型工作模型和約束條件。仿真分析結果得出，重力儲能直流環(huán)節(jié)的電池多模式控制方法能夠較好適應重力儲能方式的儲能和滯后特性。能夠在輸入連續(xù)波動情況下合理調整電池的儲能狀態(tài)，較好地適配了電池快速響應特性和重力儲能運行特性，改善單純重力儲能系統(tǒng)在響應特性方面的不足。通過電池能量方向的控制，可有效減少直流母線的電壓波動峰值，對于穩(wěn)定重力儲能系統(tǒng)的內部穩(wěn)定、提高重力儲能系統(tǒng)的快速響應能力具有較大的意義。
