平抑新能源功率波動的混合儲能協(xié)調(diào)控制策略

(1.江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇溧陽，213300； 2.南京四方億能電力自動化有限公司，江蘇南京，211111)

1 引言

儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)的構(gòu)建和運行中起到了十分重要的作用。就目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，各種儲能技術(shù)在能量密度、功率密度、響應速度和系統(tǒng)容量等方面均具有不同的表現(xiàn)。因此，需要選擇匹配的儲能方式與電力系統(tǒng)不同需求相應用。針對不同類型的儲能系統(tǒng)的應用場合和目的，混合儲能系統(tǒng)在不同時間尺度上的協(xié)調(diào)運行是目前的研究熱點內(nèi)容之一。

本課題重點研究了蓄電池-超級電容混合儲能協(xié)調(diào)控制在微電網(wǎng)整體運行中的實現(xiàn)方法，針對混合儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)不同運行狀態(tài)下的控制策略提出了相應的解決方案，并在混合實驗平臺與實際項目中針對所提相關(guān)控制策略進行實驗驗證。

2 混合儲能系統(tǒng)控制架構(gòu)

混合儲能系統(tǒng)控制分為中央管理系統(tǒng)控制和本地協(xié)調(diào)控制兩個層次。其中，中央管理系統(tǒng)收集全系統(tǒng)的運行狀態(tài)，優(yōu)化計算后給本地協(xié)調(diào)控制器發(fā)出功率輸出指令，實現(xiàn)整個微網(wǎng)功率的分配和調(diào)度。本地協(xié)調(diào)控制器接收中央管理單元指令后，基于混合儲能單元的輸出特性和SOC，通過兩級控制策略分配出蓄電池和超級電容的輸出功率，同時將混合儲能的實際輸出與指令值偏差及蓄電池SOC反饋至微網(wǎng)的中央管理系統(tǒng)，中央管理系統(tǒng)重新調(diào)整微網(wǎng)功率結(jié)構(gòu)，使微網(wǎng)達到新的功率平衡。微網(wǎng)典型的混合儲能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該微網(wǎng)包含風力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、負荷和混合儲能系統(tǒng)，并采用靜態(tài)切換開關(guān)在公共連接點與主網(wǎng)相連。其中，蓄電池組和超級電容組分別通過兩套獨立的電力電子裝置接入微網(wǎng)系統(tǒng)中。兩套電力電子裝置都由一個雙向DC/DC和一個雙向DC/AC構(gòu)成，其中DC/DC用來穩(wěn)定PWM變流器電壓，提高其的輸出效率，DC/AC是PWM變流器，采用功率跟蹤控制，可按外界指定的功率或自身設定的功率輸出。

圖1 微網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

混合儲能系統(tǒng)的兩級功率分配控制原理圖如圖2所示。

圖2 混合儲能功率分配原理圖

由圖2可知，第1級控制是利用一階低通濾波器分離出混合儲能總功率需求中的高頻分量和低頻分量，其目的是用超級電容來承擔微網(wǎng)的功率的高頻波動，從而降低蓄電池充放電環(huán)次數(shù)，提高蓄電池使用壽命；第2級控制是基于蓄電池和超級電容SOC對第1級分配的功率進行限制和優(yōu)化，利用蓄電池的能量來優(yōu)化超級電容SOC，改變微網(wǎng)對儲能的功率需求來優(yōu)化蓄電池SOC，其目的就是將蓄電池和超級電容的SOC調(diào)整到合理的工作范圍內(nèi)，第2級控制最終得到二者的最終輸出功率目標，同時還得出優(yōu)化功率偏差，將其與蓄電池SOC一起反饋給中央管理單元，調(diào)節(jié)微網(wǎng)對混合儲能的總輸出需求，這樣整個儲能系統(tǒng)的控制構(gòu)成一個功率閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而提高了微網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

具體實施方式如下：

①第1級控制：

(1)

(2)

其中，T是一階低通濾波器、慣性時間常數(shù)。

②第2級控制：

(3)

3 混合儲能平抑風電波動協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方法

傳統(tǒng)方法如圖3所示。

(a)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(b) 平抑功率波動分配方法圖3 傳統(tǒng)的混合儲能平抑風電功率系統(tǒng)

圖3中的分配方法雖然能平抑風電功率波動，但沒考慮不周全，在使用過程中會出現(xiàn)過充/放電現(xiàn)象，從而影響系統(tǒng)的響應能力和使用期限。

針對混合儲能的兩級多時間尺度平抑方法進行了優(yōu)化改進研究，改進的控制方法的總流程框圖如圖4所示：

圖4 改進的混合儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方法框圖

2.1 變?yōu)V波時間常數(shù)的模糊控制方法

采用時間常數(shù)T1，以避免系統(tǒng)的過充與過放，從而提高系統(tǒng)的使用時間，其控制目標主要包括平抑后混合儲能功率指令的理想值和實時值功率差最小和使蓄電池剩余能量能夠有效的平抑下一時刻功率波動。

蓄電池的荷電狀態(tài)SOCb(t)及混合儲能的初始功率指令PHESS_initial(t)是影響濾波時間常數(shù)的兩個重要因素，對它們進行標準化處理后，可以得到變量X1(t)和X2(t)：

(4)

(5)

式中，PB_max(t)表示蓄電池t時刻最大充放電功率。

輸入隸屬函數(shù)和輸出隸屬度函數(shù)如圖 5所示：

根據(jù)輸入X1(t)和X2(t)所對應的模糊子集，建立如表1所示的模糊控制規(guī)則，由此可以得到時間修正系數(shù)ΔS的模糊集合。

圖5 隸屬函數(shù)

X1X2NBNSNSSPSSPSPBNBPBPMPSNBNBNBNSPMPMPSNSNMNBZEZEZEZEZEZEZEPSNBNMNSPSPMPMPBNBNBNBPSPMPB

采用重心法計算得到 時刻濾波時間常數(shù)的修正系數(shù)ΔS(t)：

(6)

變?yōu)V波時間常數(shù)的基本步驟如下：

①儲能系統(tǒng)的功率指令PHESS_initial(t)。

(7)

②計算當前時刻濾波時間常數(shù)T1=T0(1+ΔS(t))。

③根據(jù)濾波時間常數(shù)T1，重新計算出當前時刻最終的風電并網(wǎng)功率及混合儲能系統(tǒng)功率指令PHESS(t)。

3.2 混合儲能的功率轉(zhuǎn)移協(xié)調(diào)控制方法

設超級電容SOC模糊子集：{LL, L, M, H, HH}。

(8)

根據(jù)上式判斷x的隸屬度，由下表得到功率轉(zhuǎn)移系數(shù)α：

功率轉(zhuǎn)移系數(shù)模糊規(guī)則表

轉(zhuǎn)移功率ΔPcb(t)的計算公式：

ΔPcb(t)=αPSCN

(9)

式中：PSCN為電容額定功率。當ΔPcb(t)>0時，電容向蓄電池轉(zhuǎn)移功率，當ΔPcb(t)<0時，蓄電池向電容轉(zhuǎn)移功率。

系統(tǒng)功率指令PHESS(t)經(jīng)過低通濾波器后得到蓄電池初始目標功率PB_initial(t)和超級電容的初始目標功率PC_initial(t)，以此為基礎(chǔ)，根據(jù)電容的SOC進行功率轉(zhuǎn)移ΔPcb(t)，實現(xiàn)控制目標，基本方法如下：

①SOCsc(t)，根據(jù)上式計算ΔPcb(t)，根據(jù)SOCsc(t)及PC_initial(t)，進行功率轉(zhuǎn)移：

②經(jīng)過超級電容實時最大允許充放電功率限制，計算PC_end(t)：

PC_mid(t)>PC_dmax(t)

PC_mid(t)

(30)

PC_mid(t)<-PC_cmax(t)

③計算ΔPcs，計算公式如下：

ΔPcs(t)=PC_initial(t)-PC_end(t)

(41)

此功率差將由蓄電池來承擔，讓蓄電池來調(diào)整超級電容的SOC.

④結(jié)合以上方法，算出目標功率PB_mid(t)，計算公式為：

PB_mid=PB_initial(t)+ΔPcs(t)

(12)

考慮蓄電池充放電功率限制，PB_end(t)計算如下：

PB_mid(t)>PB_dmax(t)

PB_mid(t)

(13)

PB_mid(t)<-PB_cmax(t)

4 試點應用

浙江溫州某微電網(wǎng)系統(tǒng)共接入風力發(fā)電單元1MW和光伏發(fā)電單元1MW。由于風光等可再生能源發(fā)電都在不同程度上受到氣候因素的影響，氣候的不確定性和隨機性會造成風速和光照強度的多變，從而引起可再生能源發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的波動甚至導致整個系統(tǒng)的功率失衡。傳統(tǒng)研究多采用配備單一儲能介質(zhì)儲能系統(tǒng)來平抑可再生能源波動并取得一定的效果，但在具體實施過程中還存在很多問題，不能較好達到快速平抑的目標。海島工程采用了蓄電池-超級電容互補儲能系統(tǒng)及其方法，充分利用優(yōu)勢，克服缺陷。海島供電系統(tǒng)采取雙微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖6所示，可再生能源以集中式與分布式相結(jié)合方式接入風力發(fā)電與光伏發(fā)電單元，使得運行控制模式更加靈活。

海島工程中631子微網(wǎng)接入1MW光伏發(fā)電系統(tǒng)和0.5MW風力發(fā)電系統(tǒng)，配置1MW蓄電池儲能系統(tǒng)和500kW超級電容儲能系統(tǒng)；632子微網(wǎng)接入0.5MW風力發(fā)電系統(tǒng)，配置1MW蓄電池儲能系統(tǒng)和500kW超級電容儲能系統(tǒng)。互補協(xié)調(diào)控制器在分析處理可再生能源發(fā)電系統(tǒng)輸出功率數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，給出針對蓄電池和超級電容的不同動作指令從而達到快速平抑輸出波動的目標。

圖6 海島工程示范微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖7 混合儲能功率分配控制策略原理圖

圖7是海島混合儲能系統(tǒng)功率分配控制策略原理圖。由圖可知，第1級控制是利用一階低通濾波器分離出混合儲能總功率需求中的高頻分量和低頻分量，其目的是用超級電容來承擔微網(wǎng)的功率的高頻波動，從而降低蓄電池充放電環(huán)次數(shù)，提高蓄電池使用壽命；第2級控制是基于蓄電池和超級電容SOC對第1級分配的功率進行限制和優(yōu)化，利用蓄電池的能量來優(yōu)化超級電容SOC，改變微網(wǎng)對儲能的功率需求來優(yōu)化蓄電池SOC，其目的就是將蓄電池和超級電容的SOC調(diào)整到合理的工作范圍內(nèi)，第2級控制最終得到二者的最終輸出功率目標，同時還得出優(yōu)化功率偏差，將其與蓄電池SOC一起反饋給中央管理單元，調(diào)節(jié)微網(wǎng)對混合儲能的總輸出需求，這樣整個儲能系統(tǒng)的控制構(gòu)成一個功率閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而提高了微網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

以海島工程631子微網(wǎng)儲能系統(tǒng)為例，圖8表示工程實際蓄電池的功率與參考功率值存在一定的偏差，主要是因為儲能電池響應時間段導致。

圖8 混合儲能功率(/10kW)

圖9 蓄電池參考功率與實際功率(/10kW)

圖10驗證了超級電容反映快速的特點。

圖10 超級電容參考規(guī)律與實際功率(/10kW)

5 結(jié)論

根據(jù)示范工程的投運至今的運行情況來看，課題所提出的混合儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，混合儲能系統(tǒng)對于風光發(fā)電單元輸出功率波動平抑效果良好，同時超級電容儲能系統(tǒng)的投入運行可以大大減小蓄電池儲能系統(tǒng)每天的平均充放電次數(shù)，提高了蓄電池儲能系統(tǒng)的使用壽命，從而降低了儲能系統(tǒng)的使用成本，提高了微電網(wǎng)發(fā)用電的經(jīng)濟性。