基于雙電池不平衡狀態(tài)優(yōu)化的風(fēng)功率平滑控制

張小蓮,胡佳瑋,郝思鵬,劉海濤,韋 偉

（1.南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京211167；2.江蘇省配電網(wǎng)智能技術(shù)與裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京211167）

0 引言

近年來風(fēng)力發(fā)電快速發(fā)展，風(fēng)能成為新的能源利用形式[1]，[2]。然而，當(dāng)大規(guī)模風(fēng)電直接接入大電網(wǎng)時(shí)，風(fēng)電的隨機(jī)性和間歇性將會(huì)給電能質(zhì)量帶來不良影響。為風(fēng)電場配備一定容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收和釋放功率的特點(diǎn)，平抑大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)中的風(fēng)功率波動(dòng)，是改善風(fēng)電接入的電能質(zhì)量的有效措施[3]。

平抑風(fēng)功率波動(dòng)所用的儲(chǔ)能裝置有超級(jí)電容、氫儲(chǔ)能[4]、電池儲(chǔ)能[5]，[6]、電池和超級(jí)電容器的混合儲(chǔ)能[7]，[8]、超級(jí)電容和氫儲(chǔ)能的混合儲(chǔ)能[9]等。其中，電池儲(chǔ)能具有響應(yīng)速度較快、靈活可控、容量較大等特點(diǎn)，配合相應(yīng)的控制策略可以取得較好的平抑效果。若進(jìn)一步采用雙電池儲(chǔ)能，在很大程度上可以降低電池充放電次數(shù)，延長電池壽命[10]。文獻(xiàn)[11]基于多組電池，討論了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（Battery Energy Storage System，BESS）用于風(fēng)功率平抑時(shí)的3種運(yùn)行和切換方式。文獻(xiàn)[12]，[13]通過模糊控制策略和優(yōu)化控制儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)，改善雙電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（Dual Battery EnergyStorage System，DBESS）充放電不平衡的問題?，F(xiàn)有文獻(xiàn)提出的改進(jìn)策略較為復(fù)雜，且較少考慮風(fēng)速湍流強(qiáng)度、風(fēng)功率預(yù)測誤差等因素對(duì)雙電池不平衡狀態(tài)的影響。

本文通過分析DBESS充放電不均衡現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理，提出了一種優(yōu)化DBESS充放電不平衡的風(fēng)功率平抑控制策略。該策略以風(fēng)功率預(yù)測分段平均值作為平抑后風(fēng)-儲(chǔ)系統(tǒng)注入大電網(wǎng)的初始目標(biāo)功率，并以雙電池不平衡狀態(tài)動(dòng)態(tài)修正該目標(biāo)功率。此外，本文也分析了風(fēng)速湍流強(qiáng)度、風(fēng)功率預(yù)測誤差對(duì)雙電池不平衡狀態(tài)的影響。

1 DBESS建模與控制

1.1 DBESS模型

DBESS結(jié)構(gòu)如圖1所示，其基本結(jié)構(gòu)包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和兩組電池，通過相應(yīng)變流器連接到交流大電網(wǎng)。

圖1 DBESS結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of DBESS

圖中：P0為風(fēng)電機(jī)組的輸出功率；P1和P2分別為蓄電池組1和蓄電池組2經(jīng)變流器后的輸出功率；P∑為整個(gè)風(fēng)-儲(chǔ)系統(tǒng)供給交流大電網(wǎng)的輸出功率，P∑=P0+P1+P2。

1.2 DBESS控制策略

（1）DBESS工作方式

DBESS的控制策略為一組蓄電池在一段時(shí)間內(nèi)只負(fù)責(zé)充電，另一組蓄電池只負(fù)責(zé)放電。當(dāng)任意一組電池能量放完或充滿后，兩組電池交換運(yùn)行狀態(tài)。例如：初始狀態(tài)時(shí)蓄電池組1放電，蓄電池組2充電；在滿足切換條件的t1時(shí)刻，兩蓄電池組交換狀態(tài)；在t2時(shí)刻，兩蓄電池組再次交換狀態(tài)。

在電池狀態(tài)滿足式（1）所示4種條件中的一種時(shí)，即雙電池中任意一組蓄電池的SOC（State of Charge）達(dá)到其上限SOCmax或下限SOCmin時(shí)，即可進(jìn)行充放電任務(wù)切換。

（2）DBESS功率控制

為了滿足平滑功率的要求，在風(fēng)功率預(yù)測的基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)功率進(jìn)行分段平均（如每15 min取該15 min內(nèi)的平均值），得到該時(shí)間段的平均風(fēng)功率Pav，將Pav作為風(fēng)功率平抑后注入大電網(wǎng)的目標(biāo)功率，即P∑=Pav。

P∑與P0的差值即為雙電池系統(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)墓β蔖b。當(dāng)Pb＞0時(shí)，雙電池系統(tǒng)應(yīng)為風(fēng)電機(jī)組放電，當(dāng)Pb＜0時(shí)應(yīng)為充電。設(shè)Pf為DBESS的放電功率，Pc為充電功率，則：

根據(jù)蓄電池組1和2的充放電任務(wù)，分別將Pf和Pc作為兩組電池的功率指令。各蓄電池組的SOC為

式中：E1和E2分別為蓄電池組1和蓄電池組2的額定容量；SOC10和SOC20分別為其初始荷電狀態(tài)。

上述控制策略可使風(fēng)-儲(chǔ)系統(tǒng)在一段時(shí)間內(nèi)注入大電網(wǎng)的功率維持恒定的平滑效果。

2 優(yōu)化不平衡狀態(tài)的改進(jìn)算法

2.1 DBESS充放電不平衡問題

DBESS充放電平衡是指充電電池組的可充電量與放電電池組的可放電量要大致相等。由于風(fēng)功率的不確定性，充放電總能量不一致，造成DBESS充放電不平衡問題。DBESS充放電不平衡狀態(tài)有兩種情況，一是已放電量大于已充電量，二是已放電量小于已充電量，如式（5）所示。

圖2展示了第一種DBESS充放電不平衡狀態(tài)。雙電池第1次切換充放電狀態(tài)時(shí)（240 min），蓄電池組1放電至其下限，而蓄電池組2只充電到78%，導(dǎo)致蓄電池組2只能用78%的電能進(jìn)行放電，放電所維持的時(shí)間比初始狀態(tài)時(shí)的90%更短；第4次切換充放電狀態(tài)時(shí)（765 min），蓄電池組1只充電到52%；第10次切換充放電狀態(tài)時(shí)（1 290 min），蓄電池組1只充電到27%左右。長此以往，電池可放電量越來越少，并且狀態(tài)切換愈發(fā)頻繁，充放電不平衡狀態(tài)持續(xù)惡化，最終導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。

圖2 雙電池充放電不平衡狀態(tài)Fig.2 Imbalance of charging and discharging energy of dual battery

2.2 改進(jìn)控制策略

在2.1節(jié)DBESS充放電不平衡問題產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，本文提出如下改進(jìn)原理：

第一種不平衡狀態(tài)下，存在SOC∑=SOC1+SOC2＜100%，可在原始目標(biāo)功率的基礎(chǔ)上，適度地降低目標(biāo)功率值；

第二種不平衡狀態(tài)下，存在SOC∑=SOC1+SOC2＞100%，可在原始目標(biāo)功率的基礎(chǔ)上，適度地提高目標(biāo)功率值。

在上述分析的基礎(chǔ)上，具體的改進(jìn)措施如下。

對(duì)風(fēng)功率曲線每15 min取Pav，并以15 min為控制周期，如果在每個(gè)控制周期的初始時(shí)刻，兩個(gè)蓄電池組的充放電狀態(tài)不平衡，則根據(jù)每個(gè)周期初始時(shí)刻SOC∑的大小，在分段平均的基礎(chǔ)上對(duì)該控制周期的目標(biāo)值P∑進(jìn)行修正。

式中：β為比例系數(shù)，β=SOC∑，即為目標(biāo)功率相對(duì)于分段平均功率的調(diào)整倍數(shù)。

由上述分析可知，SOC∑能夠反映雙電池的不平衡狀態(tài)，改進(jìn)算法實(shí)際上是根據(jù)當(dāng)前不平衡狀態(tài)動(dòng)態(tài)決定目標(biāo)功率的調(diào)整方向與大小。即雙電池處于第一種不平衡狀態(tài)時(shí)（SOC∑＜100%）降低目標(biāo)功率，處于第二種不平衡狀態(tài)時(shí)（SOC∑＞100%）提高目標(biāo)功率，SOC∑的大小即為修正的程度。

本文優(yōu)化雙電池充放電不平衡的風(fēng)功率平抑算法的流程如圖3所示。

圖3 改進(jìn)控制策略的流程圖Fig.3 Process of improved control strategy

3 仿真分析

在Matlab/Simulink中搭建基于DBESS（圖1）的風(fēng)-儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。根據(jù)2005版IEC 61400-1，將風(fēng)速湍流強(qiáng)度分為A，B，C三級(jí)，其中，A級(jí)為高湍流強(qiáng)度，B級(jí)為中等湍流強(qiáng)度，C級(jí)為低湍流強(qiáng)度[14]。通過仿真驗(yàn)證了A，C兩種湍流風(fēng)速下，本文所提改進(jìn)策略的可行性與優(yōu)越性，同時(shí)也驗(yàn)證了存在風(fēng)功率預(yù)測誤差時(shí)改進(jìn)算法的有效性。

3.1 湍流風(fēng)速的仿真分析

（1）A級(jí)湍流風(fēng)速

風(fēng)電場額定功率為700 kW，配置兩組容量各為70 kW·h的電池，A級(jí)湍流風(fēng)速。對(duì)電池每10 s發(fā)出一個(gè)充放電指令，充電SOC不超過90%，放電不低于10%，仿真時(shí)長為24 h，控制周期為15 min。

對(duì)比傳統(tǒng)控制策略和本文改進(jìn)控制策略，結(jié)果如圖4所示。

圖4 A級(jí)湍流風(fēng)速下雙電池的SOCFig.4 SOC of dual battery under A-type wind turbulence intensity

由圖4（a）可知，采用傳統(tǒng)控制策略時(shí)雙電池充放電深度越來越差，后期充電深度低于40%，雙電池充放電嚴(yán)重不平衡，充放電狀態(tài)切換過于頻繁。若繼續(xù)仿真，則充放電深度進(jìn)一步惡化，甚至?xí)霈F(xiàn)失去充放電能力的情況。

由圖4（b）可知：改進(jìn)控制策略的雙電池充放電深度得到明顯改善，而且具有良好的充放電深度，充電時(shí)達(dá)到90%，放電時(shí)達(dá)到10%；充放電切換次數(shù)也明顯減少，24 h內(nèi)由傳統(tǒng)控制的8次減少為4次，電池的壽命得到了很大改善。

改進(jìn)控制策略的風(fēng)功率平抑效果見圖5。

圖5 A級(jí)湍流風(fēng)速下改進(jìn)控制策略的風(fēng)功率平抑效果Fig.5 Wind power smoothing effect of improved control strategy under A-type wind turbulence intensity

（2）C級(jí)湍流風(fēng)速

應(yīng)用與A級(jí)湍流風(fēng)速相同的仿真參數(shù)，更換為C級(jí)湍流風(fēng)速時(shí)的仿真結(jié)果如圖6所示。由圖可知：改進(jìn)前雙電池后期充電深度低于50%，雙電池狀態(tài)嚴(yán)重不平衡；采用改進(jìn)控制策略后，雙電池充放電不平衡以及充放電深度得到明顯改善，充放電切換次數(shù)由原來的6次減少為4次。

圖6 C級(jí)湍流風(fēng)速下雙電池的SOCFig.6 SOC of dual battery under C-type wind turbulence intensity

C級(jí)湍流風(fēng)速下風(fēng)功率平抑效果見圖7。

圖7 C級(jí)湍流風(fēng)速下改進(jìn)控制策略的風(fēng)功率平抑效果Fig.7 Wind power smoothing effect of improved control strategy under C-type wind turbulence intensity

對(duì)比兩種湍流風(fēng)速下的仿真結(jié)果，如圖4（a）和6（a）所示，在1 200 min時(shí)刻，高湍流風(fēng)速下的SOC1已低于50%，而低湍流風(fēng)速時(shí)還可維持50%以上，且高湍流風(fēng)速下傳統(tǒng)控制策略的充放電切換次數(shù)高于低湍流風(fēng)速。因而，湍流強(qiáng)度愈大，DBESS的充放電不平衡狀態(tài)愈發(fā)惡劣。

上述仿真結(jié)果表明，本文改進(jìn)策略對(duì)于不同湍流強(qiáng)度風(fēng)速均有良好的風(fēng)功率平抑效果，同時(shí)可以很好地改善高、低湍流風(fēng)速下的充放電不平衡狀態(tài)。

（3）動(dòng)態(tài)β

圖8 β數(shù)值Fig.8 Value of parameterβ

β根據(jù)每個(gè)控制周期雙電池不平衡狀態(tài)的嚴(yán)重程度動(dòng)態(tài)取值，可以很好地改善各控制周期的充放電不平衡狀態(tài)。

3.2 存在預(yù)測誤差的仿真分析

本節(jié)進(jìn)一步討論考慮風(fēng)功率預(yù)測誤差時(shí)，改進(jìn)策略的控制效果。在實(shí)際生產(chǎn)中，風(fēng)功率預(yù)測存在隨機(jī)誤差e，假設(shè)e服從正態(tài)分布N（0，σi）[15]，σi為e的標(biāo)準(zhǔn)差，則存在風(fēng)功率預(yù)測誤差時(shí)預(yù)測的風(fēng)功率為

當(dāng)σi=0時(shí)，不考慮風(fēng)功率預(yù)測誤差的情況。在A級(jí)湍流風(fēng)速下，取σi=5%，分析本文改進(jìn)策略在考慮e時(shí)的可行性與優(yōu)越性。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 計(jì)及預(yù)測誤差時(shí)雙電池的SOCFig.9 SOC of dual battery considering wind power forecast error

將該仿真結(jié)果與3.1節(jié)中A級(jí)湍流風(fēng)速下不考慮誤差時(shí)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 考慮預(yù)測誤差時(shí)DBESS切換次數(shù)Table 1 Switching times of DBESSconsidering wind power forecast error

由圖9和表1可知，應(yīng)用傳統(tǒng)控制策略時(shí)，風(fēng)功率預(yù)測誤差將惡化雙電池充放電不平衡狀態(tài)，增加充放電狀態(tài)切換次數(shù)。本文的改進(jìn)策略在考慮風(fēng)功率預(yù)測誤差的情況下，仍然可以顯著地改善雙電池的充放電不平衡狀態(tài)，并使電池組獲得良好的充放電深度，有利于延長電池的使用壽命。

4結(jié)論

為改善DBESS傳統(tǒng)控制策略在運(yùn)行過程中的雙電池充放電不平衡問題，以及由此引發(fā)的電池充放電深度過低、充放電狀態(tài)切換頻繁的現(xiàn)象，本文提出了一種改進(jìn)控制策略，通過動(dòng)態(tài)修正風(fēng)功率平抑目標(biāo)功率，改善DBESS的充放電不平衡問題，增加充放電深度，進(jìn)而延長電池組使用壽命。仿真結(jié)果表明，在高湍流風(fēng)速下，本文提出的改進(jìn)策略不僅能夠保證良好的平抑效果，還能有效改善DBESS的充放電不平衡問題，并且在存在風(fēng)功率預(yù)測誤差時(shí)，本文所提改進(jìn)策略也具有良好的魯棒性。