光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中混合儲能的功率協(xié)調(diào)控制*

孫芊，曾正，郭寶甫，馬建偉

（1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學研究院，鄭州450052；2.重慶大學電氣工程學院，重慶400044；3.許繼集團有限公司，河南許昌461000）

0 引 言

近年來，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)得到了越來越多的重視［1］，并朝著密集化和高滲透率的方向發(fā)展［2］。為了降低光伏對電網(wǎng)的影響，與光伏集成到一起的混合儲能系統(tǒng)，以其光儲一體的電路結(jié)構(gòu)、功率就地平衡的技術(shù)優(yōu)勢得到了廣泛的關(guān)注［3］。然而，在光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中，為了保證儲能單元在安全運行的前提下，充分發(fā)揮其性能，混合儲能之間的功率分配是其中一個亟待解決的關(guān)鍵問題。

已有部分文獻針對混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)化功率配置和協(xié)調(diào)控制進行了研究。文獻［4-6］提出了基于變時間常數(shù)的控制方法，協(xié)調(diào)不同儲能單元在響應(yīng)時間、功率密度和能量密度方面的差異。文獻［7］提出了一種新穎的混合儲能控制方法，協(xié)調(diào)混合儲能對一個寬頻域范圍內(nèi)功率進行有序響應(yīng)。文獻［8-9］提出了基于下垂控制的方法來協(xié)調(diào)多個儲能單元分攤負荷功率。現(xiàn)有方法大多面向直流或交流母線電壓的穩(wěn)定，研究混合儲能單元的優(yōu)化配置和協(xié)調(diào)控制。從電網(wǎng)的角度來看，光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)還需要更多地考慮：整個系統(tǒng)的可調(diào)度性和光伏出力的可平抑性。如何響應(yīng)電網(wǎng)需求，確定混合儲能系統(tǒng)的功率指令，對于光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)具有重要的意義。另一方面，為了保證儲能單元對功率指令的合理分攤，儲能的荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）應(yīng)該作為儲能控制的一個優(yōu)化約束。

本文針對光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的功率協(xié)調(diào)控制進行研究，以電網(wǎng)調(diào)度和光伏輸出功率平滑兩種運行工況為例，建立了混合儲能的功率分配體系和控制方法。利用理論分析和仿真結(jié)果驗證了所提方法的有效性，為光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)提供了一種新的控制方法。

1 基于頻率協(xié)調(diào)的功率分配控制

圖1給出了一個典型光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的整體框圖，為了降低光伏對電網(wǎng)的影響，在其直流側(cè)引入儲能單元，平滑光伏的出力，并提升光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的可調(diào)度性，通常采用混合儲能的結(jié)構(gòu)。

圖1 光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)架Fig.1 Configuration of PV-ES system

如圖2所示的光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)采用兩層控制的方案。上層控制采用基于頻域協(xié)調(diào)的控制方法，根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度和光伏出力，給混合儲能單元分配功率指令。下層控制為基于SOC的儲能功率分攤控制，管理各儲能變流器吸收或發(fā)出所期望的功率。

圖2 光儲聯(lián)合系統(tǒng)功率的頻率協(xié)調(diào)控制Fig.2 Frequency coordinated control of PV-ESS

當聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)接受電網(wǎng)調(diào)度時，常數(shù)Pref為電網(wǎng)調(diào)度指令，表示向電網(wǎng)注入所需的有功功率。

可見，電網(wǎng)功率指令由兩部分組成，分別為光伏出力的平滑部分和緊急有功支撐部分P0。儲能所需要平衡的總功率ΔPes為指令功率和光伏出力功率之間的差值，即：

由于混合儲能中，各個單元的響應(yīng)時間不盡相同，為了實現(xiàn)不平衡功率在儲能中的分擔，采用基于頻域的協(xié)調(diào)控制方法。其中，電池儲能單元響應(yīng)速度慢、功率密度低、能量密度高，主要針對低頻的功率波動量進行補償，即其功率指令為：

相反，超級電容儲能響應(yīng)速度快、功率密度高、能量密度低，主要應(yīng)對高頻的功率波動量，即：

由式（2）和式（4）、式（5），不難發(fā)現(xiàn)：

可以得到圖3（a）所示的功率與頻率分配特性，在整個光伏出力的頻率范圍ωpv內(nèi)，中頻段（ωes，ωc）由電池承擔，高頻段（ωc，ωpv）為超級電容承擔。以表1所示的一個典型系統(tǒng)的參數(shù)為例，得到各頻率段的Bode圖如圖3（b）所示。

表1 光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)頻率控制參數(shù)Tab.1 Frequency control parameters of PV-ESS system

2 基于SOC的儲能功率協(xié)調(diào)控制

對于圖2所示光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的下層控制，變流器根據(jù)儲能單元的可用容量分攤指令功率。其電池儲能模塊為例，其控制框圖如圖4所示［10］。

圖3 光儲聯(lián)合系統(tǒng)功率的頻率分配特性Fig.3 Output power of PV-ESS in frequency domain

圖4 光儲聯(lián)合系統(tǒng)功率的自適應(yīng)下垂控制Fig.4 Schematic control of PV-ESS by adaptive droop

一般地，儲能的荷電狀態(tài)SOC定義為儲能可用容量與其額定容量之比，可以表示為［11］：

式中CN為額定容量；SOC是一個0～1之間的數(shù)，0表示完全放電，1表示完全充滿；SOC0為儲能的初始荷電狀態(tài)，η為充放電效率，I（V，Z，τ）為與儲能端口電壓U、阻抗Z和在階躍電流下的電壓響應(yīng)弛豫時間τ有關(guān)的充放電電流。

儲能電池的模型可以采用如圖5（a）所示的等效電路模型［13］。

圖5 儲能單體的等效電路模型Fig.5 Equivalent circuitmodel of energy storage cells

電池的內(nèi)阻為：

式中η為電池效率；Qn為電池額定容量；Un為其額定電壓。電池單體的SOC可以表示為：

式中Np為電池組的并聯(lián)支路數(shù)；Ibat為電池的放電電流（充電時為負）；電池組的輸出電壓：

式中Ns為電池組的串聯(lián)電池單體數(shù)；Qr為電池單體的當前容量；E0為電池單體的內(nèi)電勢，可表示為：

式中Ichg為電池的額定充電電流；參數(shù)A、B和K分別為：

一典型電池單體的參數(shù)如表2所示。

表2 典型電池的參數(shù)Tab.2 Parameters of typical battery

超級電容單體的數(shù)學模型用三階RC網(wǎng)絡(luò)模擬，以100 F超級電容為例，其等效模型如圖5（b）所示，參數(shù)見表 3［11］。

表3 超級電容模型參數(shù)Tab.3 Model parameters of super-capacitor.

超級的電容的SOC可以表示為：

當多個儲能單元集成到一起組成混合儲能系統(tǒng)工作時，不同儲能單元的響應(yīng)時間和能量密度不盡相同，不同儲能單元的容量在運行過程也存在差異，且實時動態(tài)變化。為了保證光儲聯(lián)合系統(tǒng)的功率需求，在多個儲能單元之間根據(jù)其可用容量合理分配，本文提出一種基于SOC的混合儲能系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制方法，如圖6所示。

圖6 儲能單元的功率協(xié)調(diào)控制Fig.6 Coordinated control for power sharing of ESS

在該線性模型中，放電時，SOC大的儲能單元輸出功率更大；相反，在充電時，SOC小的單元充電功率更高。這樣SOC不同的儲能單元盡可能朝著SOC趨同的目標逼近。以一電池組為例，其實際的功率指令為：

3 仿真結(jié)果與分析

為了驗證所提光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)模型和控制策略的可行性和有效性，在PSCAD/EMTDC中建立了如圖1所示的仿真模型，系統(tǒng)參數(shù)如表4所示。仿真過程中的擾動設(shè)置為：電網(wǎng)調(diào)度功率為8 kW；0 s開機，1 s時光照強度從400W/m2階躍到1 200W/m2，2 s時光伏電池的穩(wěn)定從25℃階躍到50℃。

工況1：電網(wǎng)功率調(diào)度

如圖7，光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的功率控制接到調(diào)度側(cè)，電網(wǎng)所預(yù)期的功率指令為Pref＝5 kW，圖8給出了光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。在儲能單元的配合下，光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)能響應(yīng)電網(wǎng)的需求側(cè)響應(yīng)，向電網(wǎng)注入所需的功率，支撐電網(wǎng)運行。

圖8（a）給出了電池儲能單元的指令功率和輸出功率，圖8（b）給出了兩組電池的功率分配系數(shù)。電池的響應(yīng)速度慢，能量密度高，承擔了穩(wěn)態(tài)的功率；超級電容響應(yīng)速度快，能量密度低，承擔了動態(tài)功率，如圖8（c）。電池組1的初始SOC較小，在充電過程中分擔的功率比電池組2要小；相反，在充電過程中吸收的功率更大，也可以從圖8（b）所示兩電池組的功率分配系數(shù)中得到。圖8（c）～（d）給出了超級電容的情況，電容組2的初始SOC較小，放電功率更小，充電功率更大。

表4 光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)Tab.4 Parameters of PV-ESS system.

圖7 電網(wǎng)調(diào)度模式下光儲發(fā)電系統(tǒng)的出力Fig.7 Power of PV-ESS system in schedulingmode

工況2：光伏輸出功率平抑

如圖2所示，光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的功率控制接到輸出功率平抑側(cè)。圖9給出了逆變器的輸出功率和直流母線電壓的瞬時波形，在混合儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制下，光儲聯(lián)合系統(tǒng)的輸出功率得到了明顯的平滑，降低了出力的爬坡率，削弱了對電網(wǎng)的沖擊。

圖8 電網(wǎng)調(diào)度模式下儲能單元的出力Fig.8 Power output of ESS in power grid schedulingmode

圖9 有儲能時光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力Fig.9 Power output of PV arrays with ESS

圖10給出了儲能單元的功率分配情況。和工況1類似，在所提協(xié)調(diào)控制方法的引導下，直流母線的不平衡功率根據(jù)各儲能單元的響應(yīng)特性和SOC在頻率和時域上得到了有序的分攤。

圖10 電網(wǎng)調(diào)度模式下儲能單元的出力Fig.10 Power output of ESS in power grid schedulingmode

4 結(jié)束語

面對高滲透率光伏發(fā)電的應(yīng)用場景，本文提出光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)來降低光伏對電網(wǎng)的不利影響，使得光伏可以工作在電網(wǎng)調(diào)度模式或光伏出力平抑模式?？梢缘玫饺缦陆Y(jié)論：

（1）頻率控制方法能有效協(xié)調(diào)電池和超級電容儲能單元的功率分配，以確保光儲聯(lián)合系統(tǒng)工作在電網(wǎng)調(diào)度模式或光伏輸出功率平抑模式；

（2）基于SOC的儲能協(xié)調(diào)控制，能有效組織功率不對等的多種儲能單元成比例分擔功率，以提供平衡功率，維持直流母線電壓穩(wěn)定；

（3）仿真結(jié)果驗證了所提基于頻域和SOC的功率協(xié)調(diào)控制方法的正確性和可行性。