考慮電池荷電狀態(tài)的光伏電站儲能系統(tǒng)調(diào)控策略

王敏濤，何小龍，王開讓

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100045；2.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045）

近年來，由于全球化石能源緊張、碳排放等原因，各國都致力發(fā)展新能源[1]。光伏發(fā)電屬于新能源發(fā)電的一種，其具有可再生、無污染等優(yōu)點，在全球范圍內(nèi)得到廣泛關(guān)注和大力發(fā)展[2]。但是，光伏發(fā)電受到諸多自然條件的限制，比如光照強度、溫度等，導(dǎo)致光伏發(fā)電出力具有間歇性、波動性特點。隨著光伏發(fā)電的容量與規(guī)模的增大，在并網(wǎng)過程中對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行造成了不可忽視的影響[3-5]。儲能系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)靈活、響應(yīng)速度快，為了解決這個問題，可以通過在光伏電站加入儲能系統(tǒng)，平滑光伏輸出的功率波動，從而減小并網(wǎng)過程中對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的影響[6-8]。全釩氧化還原液流電池（Vanadium Redox Battery，VRB）的安全性高，響應(yīng)速度快，功率和容量相對獨立，符合光伏電站對儲能系統(tǒng)的長時間使用要求[9]。

光伏電站儲能系統(tǒng)的平滑控制策略對光伏的輸出功率波動抑制效果有直接的影響[10-11]。目前，國內(nèi)外已有不少學(xué)者在此方面展開技術(shù)研究并取得了一定成果。文獻[12-13]提出模糊控制算法平滑出力波動，平滑效果較為理想，但是在此過程中，沒有對功率波動部分光滑度作進一步分析。文獻[14]采用低通濾波器，對光伏的高頻段波動進行處理，平滑光伏輸出；文獻[15]將功率輸出期望值設(shè)為恒定值，采用的控制策略較為簡單，但是需要的儲能容量較大，建設(shè)成本高，難以用于實際工程當(dāng)中。

光伏電站輸出功率平滑已有控制策略中濾波器時延、出力突變、電池SOC越限等因素直接影響平滑效果和儲能系統(tǒng)壽命，針對此問題，本文以VRB為光伏電站陣列的儲能單元，提出一種可同時兼顧平滑效果和電池SOC調(diào)整的光伏電站儲能系統(tǒng)調(diào)控多目標(biāo)優(yōu)化策略。首先建立平滑出力波動目標(biāo)，之后采用多輸入模糊控制對輸出功率波動率和電池荷電狀態(tài)進行在線優(yōu)化，最后通過仿真驗證，采用上述控制策略，光伏電站輸出功率的波動得到了有效抑制。

1 光伏電站及全釩氧化還原液流電池儲能系統(tǒng)

1.1 光伏電站儲能系統(tǒng)

光伏電站儲能系統(tǒng)主要由光伏陣列、蓄電池、變流器和并網(wǎng)逆變器等裝置組成。

直流側(cè)接入式儲能系統(tǒng)和光伏裝置共用一個逆變器，具有響應(yīng)速度快、成本低等特點；交流側(cè)接入式儲能系統(tǒng)對系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制要求較高，需要較大的儲能容量。本文采用直流側(cè)接入方式，直流側(cè)光伏電站儲能系統(tǒng)接入方式結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 直流側(cè)接入儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

圖1中光伏模塊盡可能使光伏陣列工作在最大功率點，儲能模塊可平抑光伏發(fā)電輸出功率，并網(wǎng)逆變器為光伏發(fā)電并網(wǎng)提供必要條件。

1.2 全釩氧化還原液流電池及其荷電狀態(tài)評估

普通蓄電池功率密度較低，壽命較短，不適應(yīng)頻繁充放電應(yīng)用場景，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。本文采用的全釩氧化還原液流電池屬于蓄電池的一種，呈循環(huán)流動液態(tài)，電池內(nèi)部的釩離子在不同的氧化狀態(tài)下具有不同的化學(xué)勢能。此電池的電解液可循環(huán)使用，充放電的速度快，適用于光伏電站儲能系統(tǒng)。電池的荷電狀態(tài)剩余容量用SOC（State of charge）表示，VRB的SOC值計算可用式（1）表示：

式（1）中，Ere表示電池的剩余容量，Ecap表示電池的額定容量，SOC的值在0%~100%之間。

電池自身最大充放電功率對電池的使用壽命等有直接關(guān)系，可以用VRB出力強度的狀態(tài)反映此值，表達式如式（2）所示：

式（2）中，Prate表示電池充放電的上限，Prate表示電池充放電功率的下限；表示VRB有功功率的給定值。

SOCk的獲取可以通過電量積累法得到，可以用公式（3）表示：

2 基于模糊控制的光伏電站儲能系統(tǒng)調(diào)控多目標(biāo)優(yōu)化控制

2.1 平滑出力波動評價指標(biāo)

波動率作為平抑光伏輸出功率的檢驗指標(biāo)，可有效對波動效果進行驗證。

有功功率的波動率可用式（4）計算[16-17]：

其中，

上式（4）、（5）、（6）中，Pmax-pv和Pmin-pv分別表示光伏有功功率的最大值和最小值；Prated-pv表示光伏電站的額定功率；rpv表示其波動率；Ppv（t）表示在t時刻光伏有功功率。

2.2 選取儲能充放電目標(biāo)參考功率

傳統(tǒng)平滑策略中多采用低通濾波器，但低通濾波器有延時問題，而滑動平均濾波器能夠有效解決這一問題，當(dāng)光伏電站功率驟變時，滑動平均濾波器性能也較穩(wěn)定。

滑動平均濾波法的優(yōu)點在于平滑度高，可實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)輸出曲線的平滑。其計算公式如式（7）所示：

式中，Pref（t）代表在t時刻目標(biāo)的參考功率；N代表采樣數(shù)據(jù)的長度；w=0，1，2，···，N-1。

蓄電池的充電、放電功率指令可用式（8）表示：

式中，Pb（t）表示蓄電池在t時刻充電、放電指令；當(dāng)Pb（t）＞0時，蓄電池充電；當(dāng)Pb（t）＜0時，蓄電池放電。

2.3 儲能系統(tǒng)模糊控制器結(jié)構(gòu)

儲能系統(tǒng)模糊控制器能夠通過波動率和電荷狀態(tài)值選擇恰當(dāng)?shù)臑V波階數(shù)，從而使光伏電站輸出功率趨于穩(wěn)定，并且能夠穩(wěn)定SOC值。

本文設(shè)計了三輸入雙輸出的模糊控制器，其調(diào)控策略結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 儲能系統(tǒng)調(diào)控策略圖

圖2中，光伏陣列發(fā)出的有功功率Ppv經(jīng)過平滑出力波動指標(biāo)計算得到差值作為模糊控制器的一個輸入，另外兩個輸入分別由SOC反饋處理得到，分別為SOC的偏差值以及對SOC求導(dǎo)數(shù)值。經(jīng)過模糊控制器后與Ppv和濾波后的Ppv的差值求和，再進行SOC的計算。PBESS表示儲能系統(tǒng)實際的補償功率。

3 多目標(biāo)優(yōu)化模糊控制器設(shè)計

模糊控制器的設(shè)計主要以電池SOC調(diào)整、平滑效果以及波動率大小為目標(biāo)，采用多輸入模糊控制對輸出功率波動率和電池荷電狀態(tài)進行在線優(yōu)化。

儲能系統(tǒng)電池荷電狀態(tài)SOC偏差、平滑度以及波動率采用的模糊子集均為{NB，ZO，PB}，分別表示當(dāng)前儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)、平滑度和波動率的值為{偏低，適中，偏高}。隸屬度函數(shù)分別如圖3所示。

圖3 多目標(biāo)優(yōu)化模糊控制器隸屬度函數(shù)

當(dāng)電池的SOC偏差分別為PB、ZO、NB時，SOC優(yōu)化控制中模糊調(diào)整量的模糊規(guī)則見表1至表3。

表1 SOC偏差為PB模糊規(guī)則表

表3 SOC偏差為NB模糊規(guī)則表

表2 SOC偏差為ZO模糊規(guī)則表

4 算例分析

為了驗證提出的光伏電站儲能系統(tǒng)調(diào)控多目標(biāo)優(yōu)化策略，在Matlab/Simulink平臺上搭建了光伏電站和儲能系統(tǒng)模型，仿真系統(tǒng)中光伏電站的容量為1 000 kW，光伏電站輸出功率的5 min最大波動率作為平滑效果的評價指標(biāo)。

加入優(yōu)化策略與未加入優(yōu)化策略電池SOC值變化如圖4所示，優(yōu)化前后儲能補償功率對比圖如圖5所示，優(yōu)化前后光儲出力對比圖如圖6所示。

圖4 優(yōu)化前后SOC對比圖

由圖4可以看出，優(yōu)化后的電池荷電狀態(tài)響應(yīng)速度更快，更加容易趨于穩(wěn)定，避免其劇烈波動，標(biāo)準(zhǔn)差由5.615 7減小到0.799 2。圖5可以看到通過儲能系統(tǒng)的充放電效果，標(biāo)準(zhǔn)差減小了73.70%。從圖6可以看到，優(yōu)化前后光儲出力標(biāo)準(zhǔn)差減小了61.90%，有效保證了光伏儲能平滑后功率的平抑效果。

圖5 優(yōu)化前后儲能補償功率對比圖

圖6 優(yōu)化前后光儲出力對比圖

5 結(jié)束語

儲能系統(tǒng)的平滑出力波動和SOC對電池的使用壽命以及效率有直接影響，是電池儲能系統(tǒng)的重要衡量指標(biāo)。本文提出的光伏電站儲能系統(tǒng)調(diào)控多目標(biāo)優(yōu)化策略有效解決了光伏電站儲能輸出功率平穩(wěn)的問題。最后通過仿真驗證，電池的荷電狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)差由5.615 7減小到0.799 2，優(yōu)化后其值更容易趨于穩(wěn)定，光伏平滑出力度波動效果較好。