含混合儲(chǔ)能的微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行能量管理策略

秦亞斌，韓肖清，王康寧

（1.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西省電力科學(xué)研究院，山西 太原 030024）

含混合儲(chǔ)能的微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行能量管理策略

秦亞斌1，韓肖清1，王康寧2

（1.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西省電力科學(xué)研究院，山西 太原 030024）

提出孤網(wǎng)條件下針對風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)的能量管理策略。在分析微電網(wǎng)能量管理結(jié)構(gòu)功能基礎(chǔ)上，結(jié)合發(fā)電管理和需求側(cè)管理，重點(diǎn)介紹鋰電池和超級電容器協(xié)調(diào)運(yùn)行模式，即鋰電池根據(jù)新能源發(fā)電預(yù)測和負(fù)荷預(yù)測結(jié)果平滑系統(tǒng)輸出；超級電容器負(fù)責(zé)短期調(diào)整，兼顧實(shí)時(shí)功率平衡和頻率控制。仿真結(jié)果表明：該策略能夠優(yōu)化電池壽命，平衡系統(tǒng)功率，穩(wěn)定微電網(wǎng)運(yùn)行的目的。

微電網(wǎng)；新能源；混合儲(chǔ)能；能量管理；功率平衡

0 引言

風(fēng)能、太陽能作為重要的可再生能源，成為發(fā)展和研究的重點(diǎn)［1－2］。將風(fēng)、光分布式電源和儲(chǔ)能結(jié)合構(gòu)成微電網(wǎng)，既利用了風(fēng)能、光能在時(shí)間和地理上的互補(bǔ)性優(yōu)勢［3－4］，也發(fā)揮了儲(chǔ)能平復(fù)系統(tǒng)波動(dòng)、保持功率平衡的作用［5］。以往的研究常用單一電池作為儲(chǔ)能設(shè)備，其循環(huán)壽命短、功率密度低的特點(diǎn)限制了電池補(bǔ)償短時(shí)功率脈動(dòng)的能力，也與新能源發(fā)電具有的間歇性和隨機(jī)性相矛盾。超級電容器和鋰電池構(gòu)成的混合儲(chǔ)能克服了鋰電池的上述缺點(diǎn)，達(dá)到功率密度和能量密度的統(tǒng)一［5－7］。

對于風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)的研究已經(jīng)取得了一定的成果，文獻(xiàn)［8］利用模糊控制方法實(shí)現(xiàn)了風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的能量管理和運(yùn)行模式轉(zhuǎn)化。文獻(xiàn)［9］論述了經(jīng)濟(jì)調(diào)度和優(yōu)化運(yùn)行的建模方法，提出了不同運(yùn)行方式下微電網(wǎng)策略控制。文獻(xiàn)［10］使用低通濾波技術(shù)對儲(chǔ)能系統(tǒng)中的燃料電池和超級電容器進(jìn)行功率分配。但多數(shù)研究還是局限于實(shí)時(shí)控制策略的分析，忽略了實(shí)時(shí)控制下極端情況（如天氣突變，儲(chǔ)能容量越限等）對系統(tǒng)運(yùn)行的沖擊影響。因此，新能源發(fā)電預(yù)測和負(fù)荷預(yù)測作為能量管理功能之一［9，11］是解決這一問題的有效手段。文獻(xiàn)［12］雖然在能量控制策略中考慮了風(fēng)光功率預(yù)測，但沒有就如何利用預(yù)測數(shù)據(jù)做深入的研究。

本文將短期風(fēng)、光新能源發(fā)電和負(fù)荷預(yù)測結(jié)果作為重要參考因素制定能量管理策略，實(shí)現(xiàn)保障系統(tǒng)的供需平衡，優(yōu)化電池壽命和穩(wěn)定系統(tǒng)運(yùn)行的目標(biāo)。提出的能量管理策略包括風(fēng)光微電源發(fā)電管理、需求側(cè)管理和混合儲(chǔ)能協(xié)調(diào)管理三部分內(nèi)容。

1 微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)系統(tǒng)包含的分布式電源有4.5 kW光伏陣列（PV）、22 kW雙饋風(fēng)電機(jī)（DFIG），儲(chǔ)能系統(tǒng)為50 kW鋰電池組和50 kW超級電容器組。系統(tǒng)負(fù)荷分為敏感負(fù)荷和可控負(fù)荷。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。微電網(wǎng)采用交流母線連接形式，雙饋風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)通過Back-Back變流器與母線相連。光伏陣列通過單相Boost變換器升壓到600 V后接逆變器與母線相連。鋰電池組通過兩電平雙向Buck／Boost變換器接逆變器與母線相連。超級電容器組接口則選用具有濾波電感小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的三電平雙向Buck／Boost變換器［13－14］。

2 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

能量管理從系統(tǒng)的角度對微電網(wǎng)整體運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、調(diào)整和優(yōu)化，通過各電源間的協(xié)調(diào)控制，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性的微電網(wǎng)運(yùn)行目標(biāo)［15－16］。本文采用的控制結(jié)構(gòu)為中央控制，見圖2。能量管理策略集成能量管理的主要功能構(gòu)成中央控制器（MCC）［17］。MCC的任務(wù)是統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各分布式電源，制定生產(chǎn)計(jì)劃，做出生產(chǎn)調(diào)整。對于單個(gè)微電源需要有局部控制器（LCs）響應(yīng)中央控制指令，落實(shí)控制目標(biāo)，并反饋微電源、負(fù)荷實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。

從時(shí)間尺度上講，能量管理又分為長期計(jì)劃和短期調(diào)整［18］。圖3為時(shí)間尺度下的微網(wǎng)能量管理流程。一方面，依靠中短期負(fù)荷預(yù)測和發(fā)電預(yù)測之間的配比關(guān)系，制定相應(yīng)的生產(chǎn)計(jì)劃，初步解決各電源之間的功率調(diào)度問題；另一方面，為了防止短時(shí)氣候突變或者是負(fù)荷變動(dòng)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，配合系統(tǒng)狀態(tài)調(diào)整各微電源的功率參考值，達(dá)到系統(tǒng)功率平衡、電壓頻率穩(wěn)定的目的。

圖1 微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 微電網(wǎng)能量管理策略

3.1 風(fēng)、光微電源發(fā)電管理

風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)中，光伏電源和雙饋風(fēng)機(jī)都屬于不可控電源。在當(dāng)今電力發(fā)展和低碳經(jīng)濟(jì)要求下，微電網(wǎng)運(yùn)行要求最大限度的利用新能源，所以風(fēng)光微電源通常運(yùn)行在最大功率跟蹤（MPPT）模式下。但在風(fēng)、光發(fā)電已滿足負(fù)荷需求和超過鋰電池存儲(chǔ)容量，且為孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，可根據(jù)氣象條件或者白天夜晚時(shí)段制定具體的棄風(fēng)、棄光計(jì)劃，將新能源運(yùn)行模式變換為限制功率輸出模式，給定功率輸出參考值。

圖3 時(shí)間尺度下的微網(wǎng)能量管理流程

3.2 需求側(cè)管理

需求側(cè)管理在能量管理中也非常重要，在本文提出的風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)中，負(fù)荷分為可控負(fù)荷和重要負(fù)荷。當(dāng)系統(tǒng)的總發(fā)電量小于負(fù)荷需求時(shí)，不可避免要按重要性等級切除負(fù)荷。因此，根據(jù)能量計(jì)算結(jié)果在需要切負(fù)荷操作時(shí)，通過指定負(fù)荷切除計(jì)劃切除可控負(fù)荷，保障重要負(fù)荷的不間斷供電。具體的切除量和切除時(shí)間可按照能量管理系統(tǒng)收集的用戶用電要求以及各微電源狀態(tài)決定。同樣，可在風(fēng)、光微電源輸出有余量時(shí)增加可控負(fù)荷。

3.3 混合儲(chǔ)能協(xié)調(diào)管理

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中超級電容器具有功率密度大、響應(yīng)速度快、循環(huán)壽命長的特性，適宜處理經(jīng)常性的瞬時(shí)功率尖峰波動(dòng)，這些瞬時(shí)波動(dòng)可能來自外界環(huán)境變化、負(fù)荷波動(dòng)等。但其供電時(shí)長受制于較小的能量密度。鋰電池具有能量密度大的優(yōu)點(diǎn)，可以在一定時(shí)期內(nèi)提供穩(wěn)定的有功輸出，但頻繁的充放電會(huì)嚴(yán)重影響鋰電池的壽命。因此，鋰電池按照預(yù)測結(jié)果制定生產(chǎn)計(jì)劃，超級電容器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)功率平衡，完成計(jì)劃調(diào)整。

4 孤島模式下微電網(wǎng)運(yùn)行與控制

本文采用MCC和LCs相結(jié)合的控制方式，MCC根據(jù)風(fēng)、光微電源輸出功率預(yù)測結(jié)果制定鋰電池生產(chǎn)計(jì)劃，并根據(jù)電池、微電源狀態(tài)完成發(fā)電管理和需求側(cè)管理，同時(shí)為超級電容器給定功率參考值，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)功率平衡。

4.1 中央控制器

能量管理策略是中央控制器的核心。孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，任意時(shí)刻微電網(wǎng)系統(tǒng)中均應(yīng)滿足功率平衡。

4.1.1 鋰電池

鋰電池不僅根據(jù)風(fēng)、光新能源輸出功率預(yù)測結(jié)果pF·G和負(fù)荷預(yù)測結(jié)果pF·load確定充放電周期，并且每個(gè)周期采用該周期T內(nèi)系統(tǒng)需求和供給能量差Epe（T）與鋰電池本周期初始能量剩余Esoc（T）或鋰電池本周期最大可充電能作為電源模式轉(zhuǎn)換、負(fù)荷切換的參考因素。鋰電池的各時(shí)段功率參考值pLi·ref（t），見式（1）。Epe（T）、Esoc（T）的計(jì)算公式分別參考式（2）、式（3）、式（4）和式（5）。

式（3）、式（4）中，ηC和ηD分別為電池充放電效率，假設(shè)自放電率為0。式（5）中，E表示鋰電池滿狀態(tài)時(shí)所儲(chǔ)存的能量。

當(dāng)pF·G＜pF·load時(shí)，鋰電池充電。充電周期內(nèi)，若Epe＞soc，說明當(dāng)前鋰電池不能容納該周期內(nèi)過剩的產(chǎn)能，需要將新能源變?yōu)橄拗乒β瘦敵瞿Ｊ綔p少出力，或增加定量可控負(fù)荷。

當(dāng)pF·load＞pF·G時(shí)，鋰電池放電。放電周期內(nèi)，若Epe＞Esoc，說明當(dāng)前鋰電池剩余能量不足以補(bǔ)償該周期內(nèi)的能量缺額，應(yīng)該保證此時(shí)不可控電源運(yùn)行在MPPT模式，并按重要級適當(dāng)切除定量負(fù)荷。鋰電池控制基本流程圖如圖4所示。

4.1.2 超級電容器

圖5為超級電容器參考功率，如圖5所示，對于超級電容器實(shí)時(shí)功率的參考值和△pf兩部分構(gòu)成。應(yīng)實(shí)時(shí)功率平衡要求，psc·ref由實(shí)際的負(fù)荷功率pload、新能源輸出功率pG以及鋰電池輸出功率pLi共同決定，如式（7）所示。△pf是超級電容器為消除系統(tǒng)頻率偏差的額外輸出的調(diào)節(jié)功率，可以根據(jù)有功頻率下垂特性（見圖6）經(jīng)式（8）計(jì)算得到，式（8）中，k為調(diào)差系數(shù)，△f為頻率偏差，fn為參考頻率50 Hz，ft為t時(shí)刻的系統(tǒng)頻率。

另外，孤網(wǎng)時(shí)，鋰電池作為可控功率調(diào)節(jié)器，應(yīng)具有優(yōu)先充電權(quán)以保證緊急情況下重要負(fù)荷的供電需求。考慮到過充、過放對電池的損害，應(yīng)該預(yù)設(shè)保護(hù)鋰電池邊界，最大允許荷電狀態(tài)（Full）和最小允許荷電狀態(tài)（Empty），如圖4所示。

圖4 鋰電池控制基本流程圖

4.2 局部控制器

LCs除了采集監(jiān)測功能外，最重要的是實(shí)現(xiàn)對單個(gè)微電源的控制。LCs按照MCC發(fā)出的功率參考值，實(shí)現(xiàn)對各個(gè)微電源變換器進(jìn)行P／Q控制。通過適當(dāng)?shù)倪x取濾波電感L可實(shí)現(xiàn)有功、無功解耦控制，使分布式電源具有靈活運(yùn)行的能力，滿足系統(tǒng)對有功、無功的不同要求。其控制原理見圖7。

圖5 超級電容器參考功率

圖6 下垂特性

圖7 P／Q控制原理框圖

5 仿真

根據(jù)圖1所示微電網(wǎng)系統(tǒng)搭建模型（見圖8），進(jìn)行仿真。仿真時(shí)給定風(fēng)、光最大輸出功率的預(yù)測值，并假設(shè)預(yù)測誤差在±10%以內(nèi)。負(fù)荷有功功率以階躍形式變化。鋰電池、超級電容器相關(guān)參數(shù)見表1、表2。具體的預(yù)測值和負(fù)荷情況如圖9所示。

圖8 微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型

表1 鋰電池相關(guān)參數(shù)

表2 超級電容器相關(guān)參數(shù)

在仿真中，鋰電池平滑系統(tǒng)功率輸出，其充放

電區(qū)間根據(jù)pF·load和pF·G來確定。由圖9可知：3.5 s前，風(fēng)、光新能源輸出功率大于負(fù)荷需求，鋰電池處于充電階段，其輸出功率參考值按功率差額由MCC給定，局部P／Q控制器執(zhí)行MCC指令控制電池輸出功率。第3.5秒，有功負(fù)荷由10 kW突增為18 kW，此時(shí)負(fù)荷功率需求大于新能源輸出。鋰電池由充電模式轉(zhuǎn)化為放電模式直到10 s。10～15 s鋰電池處于充電狀態(tài)。充放電期間鋰電池功率輸出曲線如圖10a所示，電池荷電狀態(tài)（SOC）變化情況如圖11a所示。

圖9 風(fēng)、光新能源輸出功率以及負(fù)荷情況

由于預(yù)測誤差和負(fù)荷突變不可避免存在，超級電容器瞬時(shí)功率平衡的作用就顯得至關(guān)重要。本文所提能量管理策略利用超級電容器快速響應(yīng)特性，其能夠補(bǔ)償因外界條件突變產(chǎn)生的不平衡功率和鋰電池延遲動(dòng)作造成不平衡功率。圖10b為9～12 s超級電容器的功率輸出情況。對比圖10a和圖10b可知：能量管理安排鋰電池和超級電容器運(yùn)行在不同時(shí)間尺度下，負(fù)責(zé)不同性質(zhì)的系統(tǒng)波動(dòng)，達(dá)到延長鋰電池壽命，提高混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合利用率的目的。

圖11為微電網(wǎng)中重要負(fù)荷側(cè)的電壓和頻率變化情況，顯示均滿足系統(tǒng)對電能質(zhì)量要求，由此可見能量管理策略實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)實(shí)時(shí)功率平衡，確保了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖10 鋰電池和超級電容器與微電網(wǎng)的交換功率

圖11 鋰電池荷電狀態(tài)

若將電池初始荷電狀態(tài)SOC重新設(shè)定為0.2，再次仿真。由于設(shè)定鋰電池保護(hù)邊界Empty為0.2，能量管理策略為了防止鋰電池深度放電將采取保護(hù)措施。鋰電池從第3.5秒開始進(jìn)入放電階段，此時(shí)電池Esoc＝14.09 Wh，放電周期內(nèi)負(fù)荷的能量缺額Epe＝22.31 Wh。Esoc＜Epe，按照能量管理策略需要計(jì)劃切除定量負(fù)荷，負(fù)荷切除情況和鋰電池輸出功率分別如圖12a和圖12b所示，SOC變化如圖13b所示，從圖13中可以看到電池SOC被控制在0.2以上。如果沒有能量比較環(huán)節(jié)，當(dāng)電池SOC到達(dá)保護(hù)邊界時(shí)，需求側(cè)管理突然的切負(fù)荷措施很有可能威脅到重要負(fù)荷供電。同樣，通過能量計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電管理的發(fā)電計(jì)劃調(diào)整，這里不再詳述。

圖12 微電網(wǎng)的電壓和頻率

圖13 SOC＝0.2時(shí)負(fù)荷功率和鋰電池輸出情況

6 結(jié)論

對于風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)，風(fēng)、光微電源是不可控電源，因此鋰電池和超級電容器的協(xié)調(diào)配合很關(guān)鍵。通過仿真證明了本文能量管理策略的正確性和有效性，利用預(yù)測數(shù)據(jù)降低了風(fēng)能、太陽能隨機(jī)性對微網(wǎng)系統(tǒng)的影響，充分發(fā)揮了超級電容器快速處理系統(tǒng)波動(dòng)的特點(diǎn)，延長了電池壽命。同時(shí)，發(fā)電預(yù)測和負(fù)荷預(yù)測也為風(fēng)光微源模式切換、負(fù)荷投切計(jì)劃提供依據(jù)，保證了重要負(fù)荷供電可靠性。

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TM76

A

1672－6871（2014）04－0031－07

國家國際科技交流與合作專項(xiàng)基金項(xiàng)目（2010DFB63200）；山西省青年科技研究基金項(xiàng)目（2011021015－2）；山西省科技攻關(guān)基金項(xiàng)目（20120321005－02）

秦亞斌（1987－），男，山西呂梁人，碩士生；韓肖清（1964－），女，山西武鄉(xiāng)人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制、新能源發(fā)電的教學(xué)與研究工作.

2013－06－28