SMES-VRB復(fù)合儲(chǔ)能平抑再生能源功率波動(dòng)協(xié)調(diào)控制

劉金虹，張輝，楊秉翰，閔陽

（1.西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.清華大學(xué)電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

SMES-VRB復(fù)合儲(chǔ)能平抑再生能源功率波動(dòng)協(xié)調(diào)控制

劉金虹1，2，張輝1，2，楊秉翰1，閔陽1

（1.西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.清華大學(xué)電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

為解決可再生能源的間歇性和波動(dòng)性，保證微電網(wǎng)各發(fā)電單元之間功率平衡，加入復(fù)合儲(chǔ)能（HESS）是行之有效的方法。提出將功率型超導(dǎo)儲(chǔ)能（SMES）和能量型釩流電池（VRB）儲(chǔ)能組成復(fù)合儲(chǔ)能平抑含風(fēng)力發(fā)電的微電網(wǎng)功率波動(dòng)。針對(duì)現(xiàn)有兩級(jí)濾波法的缺點(diǎn)，加入荷電狀態(tài)（SOC）反饋，提出基于優(yōu)化控制層和協(xié)調(diào)控制層的分層控制。仿真比較了兩級(jí)濾波法和分層控制法平抑風(fēng)電功率波動(dòng)的效果及各儲(chǔ)能SOC的動(dòng)態(tài)變化，結(jié)果驗(yàn)證了SMES和VRB復(fù)合儲(chǔ)能分層控制策略的有效性。

復(fù)合儲(chǔ)能；超導(dǎo)磁儲(chǔ)能；釩流電池；荷電狀態(tài)；分層控制

微電網(wǎng)中風(fēng)電、光伏等可再生能源輸出功率的間歇性和波動(dòng)性導(dǎo)致其無法直接參與電網(wǎng)調(diào)度，儲(chǔ)能則是行之有效的解決方案，但是單一儲(chǔ)能無法兼顧快速響應(yīng)和持續(xù)補(bǔ)償?shù)囊?。為解決這一問題，采用復(fù)合儲(chǔ)能（HESS）方案，不僅能夠提高微電網(wǎng)整體效率，還能增加儲(chǔ)能裝置壽命，減小成本，但必要的代價(jià)是控制相對(duì)復(fù)雜，技術(shù)不夠成熟?，F(xiàn)有的復(fù)合儲(chǔ)能種類有很多［1-3］，主要分為功率型/短期型儲(chǔ)能與能量型/長(zhǎng)期型儲(chǔ)能裝置，前者包括超導(dǎo)儲(chǔ)能（SMES）、超級(jí)電容儲(chǔ)能等，后者包括鉛酸電池、鋰電池、釩流電池（VRB）儲(chǔ)能等。

SMES采用無阻、高載流密度的超導(dǎo)線圈，響應(yīng)速度快，功率大，相比于超級(jí)電容器具有更快的充放電速率和更高的效率，因此采用SMES作為功率型儲(chǔ)能裝置；而VRB為化學(xué)液相反應(yīng)，電池容量大，其比容量和循環(huán)次數(shù)均要優(yōu)于鉛酸電池和鋰電池，因此選擇VRB作為能量型儲(chǔ)能裝置。因此本文采用SMES和VRB復(fù)合儲(chǔ)能平抑可再生能源功率波動(dòng)，在再生能源功率波動(dòng)時(shí)，通過VRB吸收或釋放低頻功率，SMES吸收或釋放高頻功率，以抑制再生能源功率波動(dòng)對(duì)直流母線電壓的沖擊。

復(fù)合儲(chǔ)能的關(guān)鍵是功率分配及荷電狀態(tài)（SOC）反饋控制等。目前功率分配策略主要有兩級(jí)濾波法［4］、自適應(yīng)濾波法［5-6］、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制［7］、小波分解法［8］等。

文獻(xiàn)［4］采用時(shí)間常數(shù)隨SOC變化的低通濾波算法確定目標(biāo)功率值，并用模糊控制將超出目標(biāo)值的功率偏差在兩種儲(chǔ)能介質(zhì)之間進(jìn)行分配。

文獻(xiàn)［6］設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于中央控制單元和本地控制單元雙層控制結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能控制，中央控制單元使用滑動(dòng)平均濾波器分離功率指令中的低頻成分分配給鉛酸電池，并將剩余高頻成分分配給SMES；本地控制器使用PI控制規(guī)律控制鉛酸電池和SMES分別跟蹤功率指令和電壓指令。

文獻(xiàn)［7］設(shè)計(jì)模糊神經(jīng)PID控制器，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在線優(yōu)化HESS控制參數(shù)。

文獻(xiàn)［8］采用小波分解算法，可有效地解耦出鉛酸電池及超級(jí)電容分量。

本文在傳統(tǒng)兩級(jí)濾波法中加入SOC反饋，提出基于優(yōu)化控制層和協(xié)調(diào)控制層的HESS功率分層控制，實(shí)現(xiàn)HESS功率的精確分配，保證各儲(chǔ)能裝置SOC在合適范圍內(nèi)。

1 風(fēng)電頻譜特性及HESS架構(gòu)

研究風(fēng)電/光伏等再生能源發(fā)電功率的波動(dòng)特性，不僅有助于制定有效的平抑策略，還能通過確定合理的平抑目標(biāo)來減小所需儲(chǔ)能容量。本文基于SMES和VRB復(fù)合儲(chǔ)能，以風(fēng)-儲(chǔ)集群為例進(jìn)行分析，分析方法同樣適用于風(fēng)-光-儲(chǔ)集群。

1.1 風(fēng)電頻譜特性

首先對(duì)圖1所示風(fēng)電輸出功率進(jìn)行傅里葉變換，得到風(fēng)電功率波動(dòng)頻譜如圖2所示［9］，其頻譜集中在0.01～1 Hz，對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)為1～100 s。1 Hz以上的高頻波動(dòng)可被機(jī)組“慣性”吸收，且0.01～1 Hz的功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓、頻率等參量影響顯著［10-11］。圖2表明，大部分的功率波動(dòng)集中在0.1 Hz以下，若取0.1 Hz作為功率型和能量型儲(chǔ)能的分界頻率，則0.01～0.1 Hz之間功率波動(dòng)較慢且幅值較大，采用能量型VRB平抑；0.1～1 Hz功率波動(dòng)較快且幅值較小，采用功率型SMES平抑。

圖1 原始風(fēng)電功率曲線Fig.1 Curve of original wind power

圖2 風(fēng)電功率頻譜Fig.2 Fluctuations of wind power in spectrum

1.2 HESS架構(gòu)

目前復(fù)合儲(chǔ)能的結(jié)構(gòu)有交流側(cè)并聯(lián)型和直流側(cè)并聯(lián)型［12］，其中交流側(cè)并聯(lián)對(duì)網(wǎng)側(cè)的電壓、頻率變化響應(yīng)較快，通過DC/AC變流器快速、準(zhǔn)確追蹤參考功率，穩(wěn)定公共耦合點(diǎn)電壓，如圖3a所示。

圖3 HESS的兩種架構(gòu)Fig.3 Two architectures of HESS

直流側(cè)并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，VRB，SMES構(gòu)成的HESS儲(chǔ)能裝置通過各自DC/DC變流器并聯(lián)，如圖3b所示。

該拓?fù)浞桨钢懈髯訢C/DC變流器有變流、調(diào)壓功能，因此，可以通過它來連接端電壓不同的兩種儲(chǔ)能裝置，對(duì)每種儲(chǔ)能裝置直接控制，同時(shí)維持直流母線電壓恒定；VRB和SMES可深充深放，故可充分利用其儲(chǔ)能量，優(yōu)化設(shè)計(jì)HESS額定容量。

本文擬研究的風(fēng)-儲(chǔ)集群以雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)為例，將VRB和SMES組成的HESS通過各自雙向DC/DC變流器連接到直流母線，各功率流向關(guān)系如圖4所示。

圖4 各功率流向關(guān)系圖Fig.4 Diagram of each power flow

2 復(fù)合儲(chǔ)能控制方法

2.1 傳統(tǒng)兩級(jí)低通濾波法

為便于說明HESS原理，將圖2風(fēng)電功率頻譜按頻率進(jìn)行劃分，如圖5所示。

圖5 風(fēng)電功率分配示意圖Fig.5 Power sharing of wind power

VRB能量密度大，用來補(bǔ)償功率波動(dòng)較慢且幅值較大的分量；SMES功率密度大，用來補(bǔ)償功率波動(dòng)較快且幅值較小的分量。

傳統(tǒng)控制方法基于圖5所示的風(fēng)電功率分配圖，采用兩級(jí)濾波法確定VRB和SMES的功率［13］，如下式所示：

具體控制框圖如圖6所示。

圖6 兩級(jí)濾波法控制框圖Fig.6 Two stage filtering control block diagram

各儲(chǔ)能裝置濾波時(shí)間常數(shù)確定后，儲(chǔ)能的參考功率只和風(fēng)電出力有關(guān)。若風(fēng)電出力波動(dòng)較大，則HESS補(bǔ)償?shù)膮⒖脊β室矔?huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)。

為保證各儲(chǔ)能裝置工作在安全區(qū)域，需考慮其SOC和充放電功率限制，于是提出基于SOC反饋的改進(jìn)分層控制方法。

2.2 改進(jìn)分層控制方法

論文將整體控制分為優(yōu)化控制層和協(xié)調(diào)控制層，如圖7所示。

圖7 分層控制框圖Fig.7 Hierarchical control block diagram

2.2.1 優(yōu)化控制層

優(yōu)化控制層主要執(zhí)行功率優(yōu)化策略，根據(jù)平抑要求輸出HESS參考功率PHESS_ref，它由一級(jí)低通濾波器LPF1和功率調(diào)節(jié)模塊PCS組成。

優(yōu)化控制層的目標(biāo)是使復(fù)合儲(chǔ)能SOC保持在合適的范圍內(nèi)，平均SOC的計(jì)算公式為

式中：SVRB,SSMES,SHESS分別為VRB，SMES及HESS的SOC；CVRB,CSMES分別為VRB和SMES的容量。

優(yōu)化控制層根據(jù)各儲(chǔ)能反饋的SOC，經(jīng)PCS實(shí)時(shí)修正參考功率 Pout_ref,PHESS_ref,具體控制框圖如圖8所示。

圖8 優(yōu)化控制層Fig.8 Optimal control level

2.2.2 協(xié)調(diào)控制層

協(xié)調(diào)控制層根據(jù)優(yōu)化控制層提供的HESS參考功率PHESS_ref執(zhí)行HESS功率分配策略，輸出各儲(chǔ)能裝置的參考功率值PVRB,PSMES,用于控制各儲(chǔ)能雙向DC/DC變換器。

協(xié)調(diào)控制層包括低通濾波器LPF2、功率調(diào)節(jié)模塊PCS和限值管理模塊LMM，其中LMM結(jié)構(gòu)如圖9所示，其作用是根據(jù)各儲(chǔ)能裝置當(dāng)前SOC、功率等約束條件，制定最大、最小功率。此外，它還可修正參考功率，防止某個(gè)儲(chǔ)能裝置出力不足，減小跟蹤誤差。

圖9 限值管理模塊Fig.9 Limiting management module

圖9中初始分配值PVRB先經(jīng)過限幅環(huán)節(jié)，確保其參考功率不越限，再與HESS參考功率值相減得到SMES初始分配值PSMES,然后經(jīng)過限幅環(huán)節(jié)得到SMES參考功率值PSMES_ref。類似地得到VRB參考功率值PVRB_ref。

3 仿真結(jié)果及分析

在Matlab/Simulink環(huán)境下，搭建風(fēng)-儲(chǔ)集群仿真模型，根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)［14］，設(shè)置的主要仿真參數(shù)為：VRB容量70 MJ，SMES容量10 MJ，需平抑2 MW的風(fēng)電功率波動(dòng)，直流母線電壓1 200 V。

對(duì)兩級(jí)濾波法和分層控制法進(jìn)行了仿真對(duì)比。對(duì)原始風(fēng)電功率進(jìn)行功率平抑的結(jié)果如圖10所示。由圖10可見，700 s前兩種方法都能有效跟蹤風(fēng)電功率，但是隨著HESS充放電過程的繼續(xù)，700 s后，分層控制法比傳統(tǒng)兩級(jí)濾波法的功率波動(dòng)小，傳統(tǒng)兩級(jí)濾波法的SOC進(jìn)入臨界工作區(qū)（SOC<0.2）。而分層控制法SOC始終大于0.2，如圖11所示。因此驗(yàn)證分層控制法良好的功率調(diào)節(jié)能力，有效平抑風(fēng)電輸出功率的波動(dòng)。

圖10 HESS平抑效果Fig.10 Stabilizing effect of HESS

圖11 復(fù)合儲(chǔ)能平均SOCFig.11 Average SOC of HESS

4 結(jié)論

本文將SMES和VRB組成HESS用于平抑風(fēng)電功率波動(dòng)，提出一種基于SOC反饋的分層控制策略，Matlab/Simulink仿真結(jié)果驗(yàn)證該方法能有效、快速抑制風(fēng)電功率波動(dòng)，提高風(fēng)-儲(chǔ)集群可靠性和穩(wěn)定性：

1）SMES平抑風(fēng)電高頻功率波動(dòng)，VRB平抑風(fēng)電低頻功率波動(dòng)，充分發(fā)揮HESS功率密度大和能量密度大的優(yōu)勢(shì)；

2）HESS分層優(yōu)化功率分配策略中加入SOC反饋控制，優(yōu)化復(fù)合儲(chǔ)能SOC運(yùn)行范圍，使SMES和VRB兼具較強(qiáng)的充、放電能力，充分發(fā)揮HESS平抑風(fēng)電功率波動(dòng)的作用。

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修改稿日期：2016-04-15

Hierarchical Control Strategy of SMES-VRB Based Hybrid Energy Storage to Stabilize Power Fluctuations of Renewable Energy Storage

LIU Jinhong1，2，ZHANG Hui1，2，YANG Binghan1，MIN Yang1
（1.College of Automation and Information Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China；2.State Key Lab of Power System，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

To address the volatility and intermittent nature of renewable energy and ensure power balance between each power generation unit of micro-grid，adding hybrid energy storage system is proved to be an efficient method.Presented a HESS composing of a power-type Superconducting magnetic energy storage（SMES）and energy-type vanadium redox flow battery（VRB）energy storage to stabilize renewable energy power fluctuations of wind power.For the shortcomings of existing method of two-stage filter，state of charge（SOC）feedback control was added to the system，and hierarchical control strategy with optimized control layer and coordinated control layer were proposed.Stabilizing effects of wind power fluctuation and dynamic changes of SOC were compared with the method of two-stage filter and hierarchical control through simulation，and the hierarchical control effectiveness of HESS based on SMES and VRB are verified.

hybrid energy storage system（HESS）；superconducting magnetic energy storage（SMES）；vanadium redox flow battery（VRB）；state of charge（SOC）；hierarchical control

TM712

A

10.19457/j.1001-2095.20161110

國(guó)家自然科學(xué)基金（51277150/51307140）；陜西省工業(yè)攻關(guān)（2013K07-05）；陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育（14JF020）；清華大學(xué)電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（SKLD16KZ01）

劉金虹（1985-），男，博士生，Email：ljhrainbow@163.com

2015-03-30