電池儲能系統(tǒng)兩模式協(xié)調(diào)控制策略

魏 煒，陳 晗，朱 潔，徐 弢，趙 賀，李子衿

（1.天津大學(xué)智能電網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.國網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031）

以分布式光伏為代表的可再生能源發(fā)電技術(shù)具有可靠、清潔環(huán)保等優(yōu)勢，近年來在配電網(wǎng)中的應(yīng)用規(guī)?？焖僭鲩L。但其固有的隨機(jī)波動性以及可控性差的問題，大量接入將對配網(wǎng)安全運(yùn)行帶來巨大威脅[1]。在配網(wǎng)中通過配置儲能系統(tǒng)減少可再生能源高比例接入帶來的不利影響，已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛認(rèn)可的技術(shù)手段。電池儲能系統(tǒng)具有可快速雙向調(diào)節(jié)功率、充放電模式切換靈活等優(yōu)勢，在促進(jìn)可再生能源消納、提高配網(wǎng)安全性等方面發(fā)揮積極作用[2?3]，但目前電池儲能系統(tǒng)的造價(jià)成本依舊偏高，限制了其在配網(wǎng)中的推廣應(yīng)用。研究合理的電池儲能系統(tǒng)運(yùn)行控制策略，在實(shí)現(xiàn)對可再生能源功率波動有效平抑的同時(shí)提高儲能系統(tǒng)的利用效率，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

風(fēng)、光等可再生能源發(fā)電在不同頻段有不同的波動特性，對電力系統(tǒng)的影響也有所不同。現(xiàn)有研究主要是通過配置混合儲能系統(tǒng)對不同頻段的波動分量予以平抑。文獻(xiàn)[4]提出了一種可再生能源功率高頻分量由系統(tǒng)消納、蓄電池和超級電容分別補(bǔ)償其低頻和中頻分量的控制策略；文獻(xiàn)[5]提出了一種混合儲能容量配置方法，根據(jù)樣本周期內(nèi)不平衡功率低頻和高頻分量的最大幅值確定電池儲能和超級電容的容量配置，但此方法存在儲能系統(tǒng)配置冗余的情況；為應(yīng)對可再生能源接入給系統(tǒng)安全性帶來的影響，文獻(xiàn)[6?7]提出了一種混合控制策略，其中電池儲能和超級電容分別平抑波動幅度超出并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)電功率信號的分鐘級波動分量和秒級高頻分量；文獻(xiàn)[8]提出了一種最大功率跟蹤和混合儲能協(xié)調(diào)平抑光伏功率波動策略；文獻(xiàn)[9]提出一種混合儲能控制策略，混合儲能可根據(jù)光伏發(fā)電波動情況運(yùn)行于不同模式并協(xié)調(diào)切換。除此之外，混合儲能還可根據(jù)不同儲能類型進(jìn)行平抑波動和峰谷套利，提高系統(tǒng)運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[4，10]均是采用電池儲能作為能量型儲能進(jìn)行削峰填谷，提高系統(tǒng)收益以及超級電容作為功率型儲能平抑可再生能源高頻波動的混合儲能配置思路?？梢钥闯觯旌蟽δ茉谔幚砜稍偕茉床煌l段波動分量方面具有良好效果。但混合儲能的組成和運(yùn)行模式較為固定，存在儲能資源利用不夠充分的問題。實(shí)際上，電池儲能系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度和較大的能量密度，在平抑可再生能源短期功率波動[5?8，11]和峰谷套利[4，10，12?13]等不同場景均可發(fā)揮積極作用。根據(jù)系統(tǒng)中可再生能源功率波動情況對電池儲能系統(tǒng)各電池組串的運(yùn)行模式進(jìn)行動態(tài)分配和靈活調(diào)控，以提高電池儲能系統(tǒng)利用效率，具有一定的可行性。

基于上述分析，本文首先建立了一種分布式光伏?電池儲能聯(lián)合系統(tǒng)，通過引入本地協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電功率波動的預(yù)測和分解，以及控制信號的傳遞。在此基礎(chǔ)上，提出了一種電池儲能系統(tǒng)平抑波動?峰谷套利兩模式協(xié)調(diào)控制策略。根據(jù)光伏發(fā)電功率中頻波動分量，對電池儲能系統(tǒng)各電池組串的運(yùn)行模式進(jìn)行動態(tài)分配和靈活調(diào)控，在滿足系統(tǒng)平抑波動需求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和電池儲能系統(tǒng)利用水平的提升。

1 分布式光伏-電池儲能聯(lián)合系統(tǒng)

為支撐電池儲能系統(tǒng)兩模式協(xié)調(diào)控制，本文建立了一種分布式光伏?電池儲能聯(lián)合系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，引入本地協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其功能主要為：對光伏功率進(jìn)行超短期預(yù)測和頻段分解，向配網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)反饋電池組串預(yù)分組和運(yùn)行狀態(tài)等信息以及向電池管理系統(tǒng)BMS（battery man?agement system）轉(zhuǎn)發(fā)配網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)的功率指令等。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可與BMS系統(tǒng)和配網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)一起配合，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電功率波動平抑以及峰谷套利?？紤]到電池儲能系統(tǒng)需響應(yīng)不同頻段的信號，本文選用磷酸鐵鋰電池，其充電倍數(shù)可達(dá)3.33，放電倍數(shù)高達(dá)10.7，深度循環(huán)壽命可達(dá)到4 700次以上[14]。各電池組串經(jīng)變流器接入電網(wǎng)，儲能變流器同時(shí)接入?yún)f(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和BMS系統(tǒng)的控制信號，根據(jù)其所在組串運(yùn)行模式在2個(gè)控制信號之間進(jìn)行切換。

圖1 分布式光伏-電池儲能聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of distributed photovoltaic（PV）-battery energy-storage system（BESS）joint system

選取1 min作為光伏發(fā)電功率高頻和中頻的分界時(shí)間尺度，再選用6層db5小波包對光伏功率信號進(jìn)行分解，得到對應(yīng)S6,0頻段的低頻、S6,1～S6,2頻段的中頻和S6,3～S6,63頻段的高頻分量。中頻波動分量由平抑波動模式的電池組串平抑，低頻波動分量由峰谷套利模式的電池組串按照配網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)指令控制，高頻波動分量由配電網(wǎng)消納[4?15]。

2 電池儲能系統(tǒng)兩模式協(xié)調(diào)控制策略

電池儲能系統(tǒng)兩模式協(xié)調(diào)控制策略可根據(jù)分布式光伏的功率波動特性動態(tài)調(diào)整各電池組串運(yùn)行模式?；趨f(xié)調(diào)控制系統(tǒng)分解的光伏功率中頻分量，兩模式協(xié)調(diào)控制原理見圖2。圖中，控制策略主要分為電池組串容量分配策略（實(shí)線部分）以及兩模式協(xié)調(diào)控制策略（虛線部分）兩部分。

圖2 兩模式協(xié)調(diào)控制原理Fig.2 Principle of two-mode coordinated control

2.1 電池儲能容量分配策略

電池儲能容量分配策略主要用于根據(jù)光伏發(fā)電預(yù)測結(jié)果，對下一控制周期各電池組串的運(yùn)行模式進(jìn)行預(yù)分配。具體步驟如下。

步驟1協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)基于光伏實(shí)測歷史數(shù)據(jù)PPV，開展下一控制周期的光伏發(fā)電超短期預(yù)測，并將結(jié)果上報(bào)配網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)。

步驟2協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對光伏預(yù)測功率PPVf進(jìn)行小波分解，得到中頻分量PPVf.mid，并將其峰值發(fā)送至BMS系統(tǒng)。

步驟3BMS系統(tǒng)對電池組串按規(guī)則進(jìn)行運(yùn)行模式分配，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對下一控制周期峰谷套利模式的電池組串SOC進(jìn)行估算，并連同BMS系統(tǒng)反饋信息上報(bào)配網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)。

第T個(gè)控制周期內(nèi)進(jìn)行平抑波動和峰谷套利的電池組串?dāng)?shù)量分別為

式中：nFluc(T)和nEs(T)分別為進(jìn)行平抑波動和峰谷套利電池組串?dāng)?shù)量；Pbat.each為每組電池組串變流器額定功率；表示向上取整；nbat為電池組串總數(shù)。

因此該控制周期內(nèi)運(yùn)行于平抑波動模式和峰谷套利模式的電池組串最大充、放電功率PFluc(T)和PEs(T)及容量WFluc(T)和WEs(T)的求解公式分別為

式中，Wbat.each為每組電池組串額定容量。

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對下一控制周期峰谷套利模式的電池組串SOC進(jìn)行估算，即

式中：EB(T)為電池組串在當(dāng)前控制周期開始時(shí)的電量；Nt為調(diào)度周期總數(shù)；為第t個(gè)調(diào)度周期內(nèi)峰谷套利電池組串的充放電功率，取正表示放電，取負(fù)表示充電；Δt為調(diào)度周期時(shí)長；Δtsam為光伏功率中頻波動采樣間隔；Nm為該控制周期內(nèi)中頻波動采樣總次數(shù)；WB為電池組串容量；為第m個(gè)中頻采樣點(diǎn)平抑波動模式電池組串的充放電功率，表達(dá)式為

2.2 兩模式協(xié)調(diào)控制策略

兩模式協(xié)調(diào)控制策略主要用于根據(jù)實(shí)時(shí)接收到的光伏發(fā)電信號，計(jì)算平抑波動模式電池組串的功率指令。具體步驟如下。

步驟1BMS系統(tǒng)將平抑波動電池組串變流器控制信號源切換為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

步驟2協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對實(shí)時(shí)接收的信號PPV進(jìn)行小波分解，得到中頻分量PPV.mid，各電池組串充放電功率信號的求解公式為

圖3給出了平抑波動電池組串SOC區(qū)域的劃分情況。

圖3 平抑波動模式電池組串SOC區(qū)域劃分情況Fig.3 SOC region division of battery series in smoothing fluctuation mode

為避免平抑波動電池組串發(fā)生過充/過放的現(xiàn)象，需要根據(jù)各電池組串SOC對進(jìn)行修正，規(guī)則如下。

（1）當(dāng)電池組串SOC在正常區(qū)域時(shí)，有

然后將SOC尚處于正常區(qū)域的平抑波動電池組串按照上述方法進(jìn)行再次分配，直至PPV.mid分配完畢或所有電池組串均無可分配容量。

步驟3BMS系統(tǒng)接收經(jīng)由協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)發(fā)送的配網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)功率指令，下達(dá)給峰谷套利的電池組串，并將其信息反饋至配網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)。

電池儲能系統(tǒng)兩模式協(xié)調(diào)控制流程見圖4。

圖4 電池儲能系統(tǒng)兩模式協(xié)調(diào)控制流程Fig.4 Flow chart of two-mode coordinated control for BESS

3 算例仿真

本文以某地區(qū)1 MW裝機(jī)容量的光伏電站為研究對象，分別在春季晴朗天氣和多云天氣下，搭建仿真模型來驗(yàn)證所提電池儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略的有效性。其中，電池儲能系統(tǒng)PCS額定功率為500 kW，額定容量為1 500 kW·h，電池組串總數(shù)為16，單個(gè)電池組的額定功率為31.25 kW[16]，SOC允許范圍為0.15～0.85。各時(shí)段分時(shí)電價(jià)取值情況參見文獻(xiàn)[17]。

不同典型天氣下光伏功率曲線、光伏功率中頻分量幅值曲線以及電池組串分組情況分別如圖5～圖7所示。

圖5 不同典型天氣下光伏功率曲線Fig.5 PV power curves under different typical weather conditions

圖6 不同典型天氣下光伏功率中頻分量幅值曲線Fig.6 PV power intermediate-frequency component curves under different typical weather conditions

圖7 不同典型天氣下電池組串在不同控制周期分組情況Fig.7 Division of battery series in different control cycles under different typical weather conditions

通過圖6和圖7可以看出，與晴朗天氣相比，多云天氣下中頻分量波動幅值更大，在相應(yīng)時(shí)段需要投入更多的電池組串進(jìn)行平抑波動。晴朗天氣下不同時(shí)段光伏中頻分量幅值很小，只需投入1組電池組串參與平抑波動即可。不同天氣條件下電池儲能系統(tǒng)平抑波動前后光伏功率曲線和電池儲能峰谷套利模式的充放電功率曲線分別如圖8和圖9所示。

圖8 不同天氣條件下電池儲能平抑波動前后光伏功率曲線Fig.8 PV power curves before and after smoothing fluctuation by battery energy-storage under different weather conditions

圖9 不同典型天氣下峰谷套利模式電池組串充放電情況Fig.9 Battery series charging and discharging in peakvalley arbitrage mode under different weather conditions

通過圖8可以看出，在不同典型天氣下，電池儲能系統(tǒng)對光伏發(fā)電功率的波動均有明顯的平抑效果。尤其是多云天氣條件下，分配為平抑波動模式的電池組串較多，平抑波動的效果更為顯著。

通過圖9可以看出，晴朗天氣條件下，分配為峰谷套利模式的電池組串較多，電池儲能系統(tǒng)可以通過峰谷套利獲取更多的收益。根據(jù)文獻(xiàn)[11]所提模型計(jì)算系統(tǒng)峰谷套利，多云天氣下峰谷套利為1 241.46元，晴朗天氣下峰谷套利為1 382.75元。

由此可以看出，本文所提電池儲能兩模式協(xié)調(diào)控制策略能夠根據(jù)不同天氣條件下光伏功率波動特性對電池組串靈活分配，在滿足平抑波動要求的前提下實(shí)現(xiàn)收益的最大化，儲能系統(tǒng)利用水平也得以提高。

4 結(jié)語

本文針對平抑光伏并網(wǎng)功率波動的電池儲能控制策略問題，建立了一種分布式光伏?電池儲能聯(lián)合系統(tǒng)，并提出了一種電池儲能系統(tǒng)平抑波動?峰谷套利兩模式協(xié)調(diào)控制策略，可根據(jù)光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率的中頻波動分量，對各電池組串的運(yùn)行模式進(jìn)行動態(tài)分配和調(diào)控。算例結(jié)果表明，本文所提控制模型能夠根據(jù)光伏波動性變化情況，對電池組串動態(tài)分配和靈活調(diào)控，滿足系統(tǒng)平抑波動需求的同時(shí)，提升電池儲能系統(tǒng)的利用水平和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，有利于儲能技術(shù)的推廣應(yīng)用。