中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電方式具有較強(qiáng)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(chǔ)能技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)能量在時(shí)間和（或）空間上的轉(zhuǎn)移，提高電力系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，是當(dāng)前研究人員與工程技術(shù)人員關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。采用重物提升方式的重力儲(chǔ)能技術(shù)，其儲(chǔ)能介質(zhì)主要為質(zhì)量較大的重物，通過高度落差產(chǎn)生的重力勢(shì)能變化實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放。重物重力儲(chǔ)能方法無化學(xué)原料泄露和污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)，具有儲(chǔ)存容量擴(kuò)充容易、選址方便、充放電次數(shù)不受限制、儲(chǔ)能穩(wěn)定性高、自放電率低等優(yōu)勢(shì)，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(chǔ)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(chǔ)能為研究對(duì)象，建立不穩(wěn)定外部輸入的復(fù)合重力儲(chǔ)能模型，重點(diǎn)研究輸入功率波動(dòng)條件下的電池儲(chǔ)能單元與重力儲(chǔ)能單元間的協(xié)調(diào)運(yùn)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(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。
重力儲(chǔ)能是重要的儲(chǔ)能方式之一，具有獨(dú)特的短時(shí)暫態(tài)動(dòng)力學(xué)特征，需要構(gòu)建合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方法。提出了一種面向重力儲(chǔ)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(duì)重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析和約束條件的劃分，實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能和重力儲(chǔ)能的功率匹配。仿真驗(yàn)證表明，該控制方法能夠在輸入功率波動(dòng)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(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部的功率，提升重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體性能。
01 重力儲(chǔ)能方式的特征
1.1 重力儲(chǔ)能的整體架構(gòu)
重力儲(chǔ)能需要通過電力拖動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，典型結(jié)構(gòu)由外部局域電網(wǎng)、新能源發(fā)電裝置、電力拖動(dòng)裝置、電池儲(chǔ)能裝置連接構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 重力儲(chǔ)能系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)
Fig.1 General structure of gravity energy storage system
重力儲(chǔ)能機(jī)械儲(chǔ)能的核心是四象限電力拖動(dòng)系統(tǒng)。一般由AC/DC、直流電容、DC/AC（電機(jī)控制器）、電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。如果考慮到直流母線的電壓，則在系統(tǒng)內(nèi)布置電池和DC/DC變換器用來進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。采用混合儲(chǔ)能方式，有利于不同儲(chǔ)能方式之間的配合從而獲得更優(yōu)化的整體性能。
1.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型
電機(jī)通過傳動(dòng)裝置拖動(dòng)一個(gè)卷筒，通過卷繞卷筒上的鋼絲繩升起或降落重物。對(duì)于電力拖動(dòng)方式的儲(chǔ)能系統(tǒng)，重物在卷筒上產(chǎn)生等效的總飛輪慣量，其運(yùn)動(dòng)方程為
重力儲(chǔ)能具有位能性轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，負(fù)載轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速無關(guān)。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(yùn)動(dòng)的正方向，即n為正值，TL是阻礙運(yùn)動(dòng)的阻轉(zhuǎn)矩，為正值；當(dāng)下放重物，即n為負(fù)值，TL的方向不變，仍為正，表明此時(shí)TL是促進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)的，由提升重物時(shí)的阻轉(zhuǎn)矩變成了拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩。其特性位于第Ⅰ和第Ⅳ象限內(nèi)?？紤]系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩等疊加作用，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩特性如圖2所示。
圖2 電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)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(yùn)動(dòng)方向相反，因此負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL為
1.3 基本機(jī)電轉(zhuǎn)化能量模型
對(duì)于不同種類的電機(jī)和控制方式，電機(jī)控制器基本方程具有較大的差異。受到機(jī)械摩擦、調(diào)速過程中的電機(jī)特性和傳動(dòng)方式等影響，很難建立統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型。但從功率角度，一般來說電機(jī)功率滿足如下關(guān)系。
在啟動(dòng)和調(diào)速過程中，變頻器不但需要提供電機(jī)啟動(dòng)和調(diào)速過程中產(chǎn)生的重力勢(shì)能，還要提供由于重物速度變化而產(chǎn)生的動(dòng)能變量和在電機(jī)上產(chǎn)生的損耗。因此主要分為變速（啟動(dòng)、加速、減速）和勻速運(yùn)行兩個(gè)工況。在勻速工況，重物克服自身重力和摩擦力的阻礙，實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放，其滿足一般方程為
1.4 能量?jī)?chǔ)存模型
拖動(dòng)系統(tǒng)在能量存儲(chǔ)過程的分析條件為：1）為了突出動(dòng)態(tài)條件下的機(jī)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(jì)，只考慮機(jī)械過渡過程對(duì)能量存儲(chǔ)性能的影響。2）僅考慮能量的轉(zhuǎn)換過程，忽略特定驅(qū)動(dòng)形式的電磁特性，電源電壓、磁通和負(fù)載轉(zhuǎn)矩在過渡過程中保持恒定不變。3）由于重力儲(chǔ)能的重物質(zhì)量較大，因此忽略傳動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和重力影響。4）為提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，僅考慮電池容量遠(yuǎn)小于重物儲(chǔ)能容量的情況。為了突出重力儲(chǔ)能與電池儲(chǔ)能的配合情況與應(yīng)用效果，本文僅研究輸入功率大于電池容量的情況。
設(shè)重物的提升高度為h，重物的質(zhì)量為m，重物的速度為v，則儲(chǔ)能裝置的穩(wěn)態(tài)下的機(jī)械功率Ps、儲(chǔ)存重力勢(shì)能能量Ws和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的總動(dòng)能Wv分別為
1.5 電池及DC/DC變換器模型
重力儲(chǔ)能系統(tǒng)中機(jī)械時(shí)間常數(shù)和系統(tǒng)效率與電池系統(tǒng)相差較大，出于化簡(jiǎn)系統(tǒng)分析模型的角度和對(duì)直流母線穩(wěn)定特性分析的目的，建立基于能量角度的簡(jiǎn)化電池及DC/DC變換器模型為
02 重力儲(chǔ)能控制目標(biāo)及約束條件
2.1 儲(chǔ)能設(shè)計(jì)目標(biāo)
儲(chǔ)能設(shè)計(jì)目標(biāo)為：1）最大限度地利用可再生能源目標(biāo)。2）快速穩(wěn)定系統(tǒng)內(nèi)的能量平衡。3）提高儲(chǔ)能效率和品質(zhì)。
2.2 系統(tǒng)約束條件
03 儲(chǔ)能系統(tǒng)多模式控制及優(yōu)化
儲(chǔ)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(shí)，直流母線電壓將發(fā)生波動(dòng)。分級(jí)運(yùn)行控制能夠獲得較好的系統(tǒng)功率分配，但是由于重力儲(chǔ)能系統(tǒng)中重力儲(chǔ)能和電池系統(tǒng)的差異較大，功率波動(dòng)對(duì)直流總線電平的影響比較劇烈，需要提出相應(yīng)控制方法對(duì)母線電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。
3.1 重力儲(chǔ)能運(yùn)行模型
建立基于能量角度的重力儲(chǔ)能仿真模型，整體結(jié)構(gòu)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(gòu)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(shí)際值VDC與給定電壓值圖片之差作為橫坐標(biāo)，電池SOC值作為縱坐標(biāo)。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(chǔ)能工作特性的區(qū)別，將該區(qū)域分割為6個(gè)部分，分別對(duì)應(yīng)不同的電池工作狀態(tài)。
為簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，突出能量流關(guān)系，根據(jù)圖4所示控制模式和式（3）~（5），對(duì)變頻器控制模型參數(shù)進(jìn)行歸一化，并構(gòu)建基于電機(jī)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩常數(shù)kT相乘后獲得電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩T，經(jīng)最大轉(zhuǎn)矩約束限制后輸出重物轉(zhuǎn)矩TL。
圖5 變頻器控制策略模型
Fig.5 Inverter control strategy model
構(gòu)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(hù)、功率限制的基礎(chǔ)上，將SOC限制式（14）和SOC的劃分SOCLev引入控制策略構(gòu)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(jìn)行時(shí)域仿真，并對(duì)算例的單位進(jìn)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(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩。
表1 系統(tǒng)參數(shù)
Table 1 System parameters
根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)1），Pin為正（0~1）表示功率輸入。PB和Ps可為功率雙向流動(dòng)（–1~1），設(shè)定重物儲(chǔ)能的功率范圍和電池儲(chǔ)能的范圍與輸入功率的范圍相同（–1~1），能夠?qū)崿F(xiàn)一種類型儲(chǔ)能方式進(jìn)行功率平衡。輸入功率、電池功率和電機(jī)功率如圖8所示。
圖8 輸入功率、電池功率和電機(jī)功率（案例1）
Fig.8 Input power, battery power, and motor power (case 1)
作為對(duì)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(dāng)達(dá)到輸入最大功率Pin的初始階段，電池和電機(jī)同時(shí)分擔(dān)輸入功率。由于電池的響應(yīng)更快，分擔(dān)了較大的功率。但在一段時(shí)間后，電池儲(chǔ)能能力逐漸飽和進(jìn)而退出工作，輸入功率完全由電機(jī)吸收。電機(jī)首先提高運(yùn)行功率達(dá)到最大輸出轉(zhuǎn)矩，并在最大轉(zhuǎn)矩條件下持續(xù)提高轉(zhuǎn)速。
圖9為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速響應(yīng)的變化曲線?？梢钥吹?，在第1階段，電池和電機(jī)分別吸收功率，由于電池的功率響應(yīng)速度快于電機(jī)，此時(shí)主要由電池承擔(dān)輸入功率。但由于電池的容量限制，當(dāng)達(dá)到SOC=1時(shí)，電池即退出吸收功率，此刻第1階段也結(jié)束。此時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變以響應(yīng)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(jī)轉(zhuǎn)速n已經(jīng)逐漸提升。此時(shí)電機(jī)吸收功率的能力增加，可見通過電池儲(chǔ)能的緩沖作用使得重力儲(chǔ)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(chǔ)能的必要性。
圖9 轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩達(dá)到最大值（本例中設(shè)定電磁轉(zhuǎn)矩為歸一化標(biāo)準(zhǔn)，TG/Tmax=0.5）。表明該階段系統(tǒng)儲(chǔ)能能力達(dá)到最大極限，直接導(dǎo)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(jī)容量相關(guān)。增加電池容量和增加電機(jī)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(huì)造成系統(tǒng)成本上升。而提高電機(jī)容量有利于提高暫態(tài)功率的響應(yīng)能力，但需要根據(jù)輸入容量范圍、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的短時(shí)抗過載能力等方面綜合權(quán)衡。
在第3階段，重力儲(chǔ)能功率恢復(fù)與輸入功率相同。第4階段，輸入功率為零，電機(jī)轉(zhuǎn)矩為零，重物在重力作用下恒定減速，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
3.3.2 案例2：輸入功率頻繁波動(dòng)情況
由多個(gè)功率方波進(jìn)行模擬新能源輸入功率波動(dòng)情況，如圖11所示。輸入功率周期為3 s，占空比為50%。第1個(gè)周期內(nèi)，電池儲(chǔ)能與圖8類似。但在第2個(gè)周期內(nèi)，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(biāo)幺值達(dá)到1.8）。在第3個(gè)周期后，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速提升（如圖12所示），重力儲(chǔ)能的功率吸收能力提高，直流母線的電壓的波動(dòng)范圍縮小，如圖13所示。
圖11 輸入功率、電池功率和電機(jī)功率（案例2）
Fig.11 Input power, battery power, and motor power (case 2)
圖12 轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)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(dòng)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(yīng)的優(yōu)勢(shì)。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(chǔ)能發(fā)生功率交換（如圖14所示）。首先降低了電池儲(chǔ)能的SOC值，提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的瞬時(shí)響應(yīng)能力；其次將電池中儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移至重力儲(chǔ)能，提高了重物的瞬時(shí)運(yùn)行速度，進(jìn)而提高了重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的瞬時(shí)儲(chǔ)能功率。相對(duì)于圖12，圖15中的工作在最大轉(zhuǎn)矩時(shí)間大幅度減少，對(duì)應(yīng)圖16中的直流母線電壓的超調(diào)時(shí)間也大幅度減少，對(duì)于減少電機(jī)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(zhì)是通過電池與重力儲(chǔ)能的配合，利用了重力儲(chǔ)能的能量遠(yuǎn)大于電池儲(chǔ)能容量的特點(diǎn)，合理分配電池和重力儲(chǔ)能間的儲(chǔ)能容量和荷電狀態(tài)，使得組合后的重力儲(chǔ)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(jī)功率（案例3）
Fig.14 Input power, battery power, and motor power (case 3)
圖15 轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)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(jié)論
本文根據(jù)重力儲(chǔ)能的典型工作拓?fù)?，?gòu)建了重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的典型工作模型和約束條件。仿真分析結(jié)果得出，重力儲(chǔ)能直流環(huán)節(jié)的電池多模式控制方法能夠較好適應(yīng)重力儲(chǔ)能方式的儲(chǔ)能和滯后特性。能夠在輸入連續(xù)波動(dòng)情況下合理調(diào)整電池的儲(chǔ)能狀態(tài)，較好地適配了電池快速響應(yīng)特性和重力儲(chǔ)能運(yùn)行特性，改善單純重力儲(chǔ)能系統(tǒng)在響應(yīng)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(dòng)峰值，對(duì)于穩(wěn)定重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的內(nèi)部穩(wěn)定、提高重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力具有較大的意義。
