考慮蓄電池SOC安全范圍的混合儲(chǔ)能平抑風(fēng)光功率波動(dòng)策略

李 卿，楊國華，，唐 浩，王鵬珍，王 岳，董曉寧，楊涌濤

(1.寧夏大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化系，寧夏銀川 750021；2.寧夏電力公司電力能源安全自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏銀川 750011)

0 引 言

能源危機(jī)和環(huán)境污染問題已經(jīng)成為了世界各國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展所要面臨的主要問題，大力開發(fā)和利用可再生能源并網(wǎng)發(fā)電是解決能源短缺問題的重要手段[1-2]。隨著風(fēng)力、光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量的不斷增加，逐漸緩解了能源危機(jī)和環(huán)境污染問題，但由于風(fēng)、光發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率受到外界天氣變化而較為敏感，使其輸出功率具有隨機(jī)性和間歇性等特點(diǎn)，如此，若將不考慮功率波動(dòng)的大規(guī)模風(fēng)、光發(fā)電系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)，將會(huì)導(dǎo)致一系列的不良后果，因此需要采取措施解決功率波動(dòng)的問題[3-4]。

為了減小風(fēng)、光發(fā)電系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性的不利影響，國內(nèi)外學(xué)者提出了可行的措施和方法[5-9]。文獻(xiàn)[5]提出了在考慮容量配置基礎(chǔ)上采用蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)接入風(fēng)、光交流母線平抑功率波動(dòng)策略，能夠在荷電狀態(tài)安全范圍內(nèi)完成平抑目標(biāo)。文獻(xiàn)[6]提出了采用多個(gè)蓄電池儲(chǔ)能單元平抑風(fēng)光功率波動(dòng)策略，給出了多個(gè)蓄電池SOC能量管理方法。文獻(xiàn)[7]提出采用兩組蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑風(fēng)電功率波動(dòng)策略，兩組蓄電池分別平抑充電功率波動(dòng)和放電功率波動(dòng)，當(dāng)蓄電池SOC達(dá)到一定范圍時(shí)切換兩者狀態(tài)。前面給出的控制策略都是基于單一儲(chǔ)能單元對(duì)風(fēng)光發(fā)電功率波動(dòng)平抑策略。為了充分發(fā)揮多類型儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)勢，文獻(xiàn)[8]提出了采用基于頻率的蓄電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑功率波動(dòng)算法。文獻(xiàn)[9]在算法啟動(dòng)中加入了閾值開關(guān)，使混合儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑較大波動(dòng)來減少混合儲(chǔ)能投入次數(shù)，并制定了混合儲(chǔ)能功率參考分配方法。文獻(xiàn)[10]采用基于小波包分解提取風(fēng)電功率波動(dòng)不同頻率的分量，然后將其分配到不同類型的儲(chǔ)能系統(tǒng)中進(jìn)行平抑，并且考慮混合儲(chǔ)能的安全運(yùn)行范圍提出了基于SOC的模糊控制策略來分配混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率，然而該方法較為復(fù)雜。

在分析目前國內(nèi)外功率波動(dòng)平抑的基礎(chǔ)上，本文提出考慮蓄電池SOC安全運(yùn)行范圍的蓄電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能平抑風(fēng)光功率波動(dòng)策略，給出了不同濾波時(shí)間常數(shù)對(duì)功率波動(dòng)分量提取的影響，提出了變?yōu)V波器時(shí)間常數(shù)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率平抑方法。最后通過仿真軟件搭建了風(fēng)光-混合儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)其進(jìn)行了仿真研究。

1 風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)光-混合儲(chǔ)能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，光伏陣列通過升壓型DC/DC變換器接入直流母線，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由直驅(qū)永磁同步電機(jī)和AC/DC變換器構(gòu)成，光伏和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要控制目標(biāo)是最大化利用可再生能源，主要采用最大功率點(diǎn)跟蹤控制[11-12]。為了平抑風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)，將混合儲(chǔ)能接入直流母線減小成本。采用三相電壓源型并網(wǎng)逆變器作為風(fēng)光-混合儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)接口變換器實(shí)現(xiàn)直流母線電壓控制和能量轉(zhuǎn)換。

圖1 風(fēng)光-混合儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率平抑控制

2.1 傳統(tǒng)平抑控制策略

為了對(duì)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)輸出功率進(jìn)行平抑，首先需要提取功率波動(dòng)，然后控制儲(chǔ)能系統(tǒng)以反方向輸出功率波動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平抑。傳統(tǒng)功率波動(dòng)參考值提取方法如圖2所示。圖中Pw和Ppv分別為風(fēng)機(jī)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率實(shí)際值，Psc_ref和Pb_ref分別超級(jí)電容器和蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率參考值。

圖2 傳統(tǒng)功率波動(dòng)提取方法

根據(jù)圖2，能夠得到超級(jí)電容器和蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率參考值為

(1)

(2)

式中：ωb和ωsc為蓄電池和超級(jí)電容的截止頻率。蓄電池和超級(jí)電容器兩種儲(chǔ)能系統(tǒng)特性互補(bǔ)，蓄電池屬于能量型儲(chǔ)能系統(tǒng)，其能量密度高，功率密度小，主要用來平抑低頻分量；而超級(jí)電容器屬于功率型儲(chǔ)能系統(tǒng)，功率密度高，能量密度低，循環(huán)壽命周期長，因此將其用來平抑高頻分量。根據(jù)兩者的特性分析，選取ωsc>ωb，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠補(bǔ)償大于ωsc的高頻分量，而蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠補(bǔ)償介于ωb和ωsc之間的中低頻分量。通過該方法能夠分別對(duì)不同頻段內(nèi)的功率波動(dòng)分量進(jìn)行補(bǔ)償。

2.2 濾波器時(shí)間常數(shù)對(duì)輸出功率的影響

傳統(tǒng)方法中，功率波動(dòng)提取濾波器時(shí)間常數(shù)是固定的。下面分析濾波器時(shí)間常數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)輸出功率的影響。蓄電池儲(chǔ)能單元的濾波器可以改寫為

(3)

為了研究濾波器時(shí)間常數(shù)對(duì)濾波器輸出功率的影響，根據(jù)式(3)，選取濾波器時(shí)間常數(shù)分別為1，1/5和1/25，通過Matlab軟件的M文件對(duì)式(3)進(jìn)行編程，通過Matlab指令依次畫出不同時(shí)間常數(shù)所對(duì)應(yīng)的bode圖，然后其不同的波形整合在一起得到不同濾波器時(shí)間常數(shù)對(duì)應(yīng)的伯德圖如圖3所示。

圖3 不同時(shí)間常數(shù)對(duì)應(yīng)的濾波器輸出功率

從圖3中可以看出，當(dāng)濾波器時(shí)間常數(shù)Tb減小時(shí)，其截止頻率增加，提取的功率波動(dòng)范圍將會(huì)減小，進(jìn)而能夠使得蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率參考值變小。反之，其截止頻率減小，濾波器提取的功率波動(dòng)范圍將會(huì)增加，此時(shí)所獲得的蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)功率參考值也會(huì)相應(yīng)增加。

2.3 濾波器時(shí)間常數(shù)調(diào)整方法

根據(jù)圖3分析可知，在實(shí)際運(yùn)行過程中可以通過在線調(diào)整濾波器時(shí)間常數(shù)的方法[13]，修正蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率參考值，進(jìn)而使得系統(tǒng)運(yùn)行在SOC的安全運(yùn)行范圍內(nèi)，本文所提出的考慮SOC安全運(yùn)行范圍的濾波器時(shí)間常數(shù)調(diào)整方法如圖4所示。

圖4 基于SOC工作狀態(tài)的濾波器時(shí)間常數(shù)在線調(diào)整方法

根據(jù)圖4能夠看出，可以根據(jù)SOC不同狀態(tài)劃分為5個(gè)工作階段，下面分別對(duì)其進(jìn)行分析。

① 當(dāng)蓄電池SOC處于正常運(yùn)行范圍內(nèi)，即為SOClow

(4)

式中：ΔTb為蓄電池的實(shí)際濾波器時(shí)間常數(shù)變化量；Pb蓄電池輸出功率。

② 當(dāng)蓄電池SOC超過SOChigh時(shí)，即為SOChigh

(5)

式中：T1、T1和T2為固定濾波器時(shí)間常數(shù)；SOChigh為SOC上限；SOClow為SOC下限；

③ 當(dāng)蓄電池SOC小于SOClow時(shí)，即為SOCmin

(6)

④ 當(dāng)蓄電池SOC超過荷電狀態(tài)處于上限時(shí)，即為SOCmax

(7)

⑤ 當(dāng)蓄電池SOC超過荷電狀態(tài)處于下限時(shí)，即為0

(8)

2.4 所提出的混合儲(chǔ)能功率波動(dòng)提取方法

根據(jù)前面分析的調(diào)整規(guī)則能夠得到混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率參考值生成框圖如圖5所示。

圖5 考慮蓄電池SOC安全運(yùn)行范圍的功率波動(dòng)提取方法

根據(jù)圖5可以看出，超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率參考值未發(fā)生改變。為了獲得蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率參考值，首先通過能量管理系統(tǒng)采集蓄電池荷電狀態(tài)SOC，將其送入在線調(diào)整算法中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)SOC正常時(shí)，時(shí)間常數(shù)調(diào)整量ΔTb=0，當(dāng)SOC超過[SOClow，SOChigh]范圍外時(shí)將會(huì)啟動(dòng)調(diào)整算法，根據(jù)圖4給出了調(diào)整規(guī)則能采集到實(shí)時(shí)濾波器時(shí)間常數(shù)調(diào)整量ΔTb，將調(diào)整后的時(shí)間常數(shù)與恒定時(shí)間常數(shù)相加得到此時(shí)刻的時(shí)間常數(shù)Tb，再由時(shí)間常數(shù)與積分器相乘構(gòu)造前向通道環(huán)路增益，然后根據(jù)通過閉環(huán)構(gòu)造低通濾波器，最終得到高通濾波器傳遞函數(shù)。

根據(jù)圖5可知，為了實(shí)現(xiàn)本文所提出的算法，需要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確估計(jì)蓄電池SOC。目前存在多種算法能夠?qū)π铍姵豐OC準(zhǔn)確估算[14-15]，本文在此最小二乘算法參數(shù)辨識(shí)的基礎(chǔ)上結(jié)合無跡卡爾曼濾波算法實(shí)現(xiàn)蓄電池SOC估計(jì)，由于本文主要關(guān)注混合儲(chǔ)能的平抑算法，并且篇幅有限，對(duì)于SOC估計(jì)不再贅述。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出的混合儲(chǔ)能平抑策略的有效性和可行性，下面通過Matlab/Simulink仿真軟件搭建了風(fēng)光-混合儲(chǔ)能仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，直流母線上接入額定功率為15kW的光伏發(fā)電系統(tǒng)和30kW的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)置直流母線電壓為800V，交流線電壓有效值為380V/50Hz，選取超級(jí)電容為320V/10F，鋰離子電池組320V/10Ah，三相逆變器的直流母線電容為5mF，交流側(cè)濾波為6mH，開關(guān)頻率設(shè)置為10kHz。為了更好地說明所提出控制策略的優(yōu)越性，下面將SOC分為3種工況下進(jìn)行仿真研究。

3.1 SOC處于正常運(yùn)行范圍

當(dāng)蓄電池SOC處于正常運(yùn)行范圍內(nèi)時(shí)，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 SOC在正常運(yùn)行范圍內(nèi)的仿真結(jié)果

根據(jù)圖6可以看出，設(shè)置SOC初始時(shí)刻為60%，光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)外界的光照強(qiáng)度和風(fēng)速變化始終保持工作在最大功率點(diǎn)處跟蹤運(yùn)行，由于外界光照強(qiáng)度和風(fēng)速變化劇烈，因此其輸出功率波動(dòng)較大，輸出功率的波動(dòng)也會(huì)引起直流側(cè)電壓出現(xiàn)振蕩，正如圖6(c)和圖6(d)所示，當(dāng)輸出功率波動(dòng)進(jìn)一步加大時(shí)，有可能導(dǎo)致直流電壓觸發(fā)過欠電壓保護(hù)，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)脫網(wǎng)運(yùn)行，引發(fā)電力系統(tǒng)局部電壓和系統(tǒng)頻率振蕩。為了平抑風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)，本文通過混合儲(chǔ)能單元，并且采用所提出的平抑策略，由仿真得到平抑之后的逆變器輸出功率更為平滑，不會(huì)出現(xiàn)較大幅度的隨機(jī)性和間歇性的振蕩，同時(shí)直流母線電壓穩(wěn)定在800V，消除了直流電壓振蕩，如圖6(c)、圖6(d)和圖6(g)所示，因此采用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 SOC處于上限運(yùn)行范圍

當(dāng)蓄電池SOC處于上限運(yùn)行范圍內(nèi)時(shí)，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 SOC處于上限運(yùn)行范圍內(nèi)的仿真結(jié)果

根據(jù)圖7可以看出，設(shè)置SOC初始時(shí)刻為90%，光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)外界的光照強(qiáng)度和風(fēng)速變化始終保持工作在最大功率跟蹤運(yùn)行。當(dāng)采用傳統(tǒng)平抑算法時(shí)，SOC增加速度較快，而采用本文所提出的平抑策略，在SOC較大時(shí)，通過調(diào)整濾波器時(shí)間常數(shù)能夠使得SOC上升速度低于前者，驗(yàn)證了有效性。

3.3 SOC處于下限運(yùn)行范圍

當(dāng)蓄電池SOC處于下限運(yùn)行范圍內(nèi)時(shí)，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 SOC處于下限運(yùn)行范圍內(nèi)的仿真結(jié)果

根據(jù)圖8可以看出，設(shè)置SOC初始時(shí)刻為10.05%，光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)外界的光照強(qiáng)度和風(fēng)速變化始終保持工作在最大功率跟蹤運(yùn)行。當(dāng)采用傳統(tǒng)平抑算法時(shí)，SOC增加緩慢，回升速度慢，而采用本文所提出的方法SOC回升速度較快，同時(shí)兩者的電網(wǎng)功率差別不大，能夠?qū)崿F(xiàn)波動(dòng)平抑。

4 結(jié) 論

本文提出了一種考慮蓄電池SOC安全運(yùn)行范圍的混合儲(chǔ)能平抑風(fēng)光功率波動(dòng)平抑策略，根據(jù)SOC不同的運(yùn)行狀態(tài)以及充放電運(yùn)行模式來確定濾波器時(shí)間常數(shù)調(diào)整量，通過與固定時(shí)間常數(shù)進(jìn)行疊加能夠在線實(shí)時(shí)調(diào)整功率參考值。通過Matlab/Simulink仿真軟件搭建了系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果表明當(dāng)SOC處于上限或者下限時(shí)，采用本文所提出的方法能夠減緩SOC達(dá)到上下限的速度，防止了蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率突然切換至零的狀態(tài)出現(xiàn)，有效地抑制了并網(wǎng)功率波動(dòng)。

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