基于模糊控制的光伏微電網(wǎng)復(fù)合儲(chǔ)能控制策略優(yōu)化研究

何飛帆,高文根,於 躍

安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院,安徽 蕪湖 241000

1 引 言

新型可再生能源已然成為解決能源危機(jī)的最佳手段,伴隨著國(guó)家對(duì)低碳生活的要求和政策,以光能、風(fēng)能和水能為代表的一系列可再生能源在電網(wǎng)中所占比例持續(xù)增加,但新能源發(fā)電受天氣、環(huán)境和溫度等各方面影響,導(dǎo)致并網(wǎng)發(fā)電功率波動(dòng)較大,給電網(wǎng)調(diào)度方面帶來(lái)諸多困難[1-2]。為了緩解這一棘手問(wèn)題,以光伏發(fā)電為例,現(xiàn)有的大型光伏電站一般都通過(guò)對(duì)光伏發(fā)電量進(jìn)行預(yù)測(cè)并規(guī)劃發(fā)電計(jì)劃,再通過(guò)競(jìng)標(biāo)的形式獲得并網(wǎng)權(quán)。即使如此,由于大型光伏電站的容量很大,向外輸電的工程中存在很多問(wèn)題,因此在規(guī)劃與實(shí)際情況出現(xiàn)較大偏差或系統(tǒng)故障等情況時(shí),會(huì)出現(xiàn)棄光現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)痣娋W(wǎng)解列[3-4]。

復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)主要用于平抑系統(tǒng)中的功率波動(dòng),補(bǔ)償功率缺額[5-6]。復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)中的功率分配問(wèn)題一直是業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn),在文獻(xiàn)[7]中提出一種在儲(chǔ)能系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí),根據(jù)儲(chǔ)能元件SOC設(shè)計(jì)模糊控制器并通過(guò)模糊算法動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)下垂系數(shù),但該論文將充放電過(guò)程在長(zhǎng)周期內(nèi)分開(kāi)討論,未能考慮到短周期內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放轉(zhuǎn)換;文獻(xiàn)[8]根據(jù)各時(shí)間段電價(jià)和用電需求側(cè)的變化,從宏觀方面設(shè)計(jì)了一種針對(duì)光氫儲(chǔ)微網(wǎng)的調(diào)度方案,但此方案未考慮新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性所帶來(lái)的影響;文獻(xiàn)[9]提出利用模糊控制和加權(quán)移動(dòng)平均濾波算法對(duì)權(quán)重系數(shù)和濾波帶寬進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整,以此來(lái)達(dá)到自動(dòng)調(diào)整儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC的目的,但由于其控制方式為實(shí)時(shí)控制,可能會(huì)造成儲(chǔ)能系統(tǒng)充放次數(shù)頻繁,縮短儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命;文獻(xiàn)[10]提出一種摒棄濾波方式,只根據(jù)超級(jí)電容SOC大小分配能量的方法,以此來(lái)消除使用濾波器帶來(lái)的功率波動(dòng),但該方法更容易造成單個(gè)儲(chǔ)能元件在長(zhǎng)周期內(nèi)頻繁充放電,加速其元件損壞,縮短儲(chǔ)能元件使用壽命。

文獻(xiàn)[11]提出了一種基于能量預(yù)測(cè)的光伏微電網(wǎng)復(fù)合儲(chǔ)能控制策略方法,首先在光伏和負(fù)載能量預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上制定并網(wǎng)調(diào)度計(jì)劃,再根據(jù)實(shí)際并網(wǎng)調(diào)度與計(jì)劃并網(wǎng)調(diào)度的誤差對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控,但該研究將能量差額平均分配給儲(chǔ)能系統(tǒng),沒(méi)有考慮微電網(wǎng)功率波動(dòng)的非線性特性。本文在該文獻(xiàn)的控制方法基礎(chǔ)上,綜合考慮微電網(wǎng)功率波動(dòng)的非線性特性,在預(yù)測(cè)能量與實(shí)際能量的誤差分配環(huán)節(jié)加入模糊控制器,通過(guò)模糊控制對(duì)誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)的分配以此來(lái)防止儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC越限,并實(shí)現(xiàn)蓄電池與超級(jí)電容的參考功率優(yōu)化分配。仿真結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)模糊控制后的儲(chǔ)能元件輸出功率符合其特性,在長(zhǎng)時(shí)間尺度上,實(shí)際并網(wǎng)功率能準(zhǔn)確跟蹤并網(wǎng)調(diào)度,蓄電池SOC保持在百分之五十左右波動(dòng),避免儲(chǔ)能系統(tǒng)過(guò)充(過(guò)放)問(wèn)題,提高了復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的魯棒性。

2 含復(fù)合儲(chǔ)能的光伏微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.1 微電網(wǎng)簡(jiǎn)介

微電網(wǎng)(Micro-grid)又可稱為微網(wǎng),其結(jié)構(gòu)是由電網(wǎng)和分布式發(fā)電單元組成電源,發(fā)電單元通過(guò)能量轉(zhuǎn)換器將電量輸入到母線,同時(shí)再由母線通過(guò)轉(zhuǎn)換器將電能輸送到用戶。當(dāng)發(fā)生特殊情況時(shí),微電網(wǎng)不僅可以選擇并網(wǎng)運(yùn)行,還可以選擇脫離電網(wǎng)進(jìn)行離網(wǎng)運(yùn)行。因此,微電網(wǎng)不僅可以解決大規(guī)模的分布式發(fā)電單元并聯(lián)接入問(wèn)題,而且還可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),在面對(duì)大規(guī)模緊急情況中發(fā)揮充分作用。微電網(wǎng)將從根本上改變傳統(tǒng)的應(yīng)對(duì)負(fù)荷增長(zhǎng)的方式,在降低能耗、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性方面具有巨大潛力[12]。

微電網(wǎng)可以根據(jù)其運(yùn)行方式的不同分為以下兩種模式:并網(wǎng)模式和離網(wǎng)模式。并網(wǎng)模式下的微電網(wǎng)由發(fā)電單元、負(fù)荷單元、控制單元、儲(chǔ)能單元以及電網(wǎng)所組成。當(dāng)微電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的滲透率較低的情況下時(shí),電網(wǎng)可以作為備用電源填補(bǔ)能量。但由于微電網(wǎng)內(nèi)部的電源和負(fù)荷具有不確定性,故當(dāng)電網(wǎng)中的微電網(wǎng)數(shù)量逐漸增大時(shí),將會(huì)影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。離網(wǎng)模式下的微電網(wǎng)失去了電網(wǎng)的支撐,其電源與負(fù)荷的功率平衡將由微電網(wǎng)自身來(lái)調(diào)節(jié)。但由于微電網(wǎng)體量較小,很容易引發(fā)電壓過(guò)小、超頻等現(xiàn)象,從而導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。加入了新型可再生能源的微電網(wǎng)由于可再生能源受到環(huán)境與地理位置等因素的影響,其發(fā)電量具有隨機(jī)性。同時(shí),由于微電網(wǎng)中的負(fù)荷也具有隨機(jī)性,因此由儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)微電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)成為平衡源荷功率的重要途徑。

2.2 復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)組成

當(dāng)電源提供能量不足以滿足負(fù)載消耗時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)放電補(bǔ)足空缺;同理,當(dāng)電源提供能量大于負(fù)載消耗時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收能量并儲(chǔ)存。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以按照其功能劃分為兩類,即功率型儲(chǔ)能與能量型儲(chǔ)能(如超級(jí)電容和磷酸鐵鋰電池等)。功率型儲(chǔ)能主要是滿足微電網(wǎng)系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)需求,要求儲(chǔ)能電池功率密度高、響應(yīng)速度快、允許頻繁充放電;能量型儲(chǔ)能主要是微電網(wǎng)系統(tǒng)的能量吞吐需求,要求儲(chǔ)能電池能量密度大[13]。本文選擇以超級(jí)電容和磷酸鐵鋰電池所組成的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)(表1),超級(jí)電容作為功率型儲(chǔ)能電池具有響應(yīng)時(shí)間快,響應(yīng)時(shí)間短,可頻繁充放電等特點(diǎn),可用于微電網(wǎng)的瞬態(tài)功率調(diào)整,維持電壓和頻率的穩(wěn)定;磷酸鐵鋰電池作為能量型儲(chǔ)能具有價(jià)格便宜、功率密度大、響應(yīng)速度與超級(jí)電容形成互補(bǔ)等特點(diǎn),主要用于滿足微電網(wǎng)各單元功率調(diào)節(jié)需求。

表1 復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)兩種電池功能劃分Table 1 Function division of two kinds of batteries in composite energy storage system

2.3 光伏-儲(chǔ)能-負(fù)荷微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)由光伏發(fā)電單元、儲(chǔ)能單元和負(fù)荷三部分組成,其結(jié)構(gòu)可根據(jù)不同的能量轉(zhuǎn)換方式分為直流型、交流型和混合型。直流型微電網(wǎng)是通過(guò)直流母線將電源、儲(chǔ)能和負(fù)載三者相連,然后通過(guò)直流母線直接進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換;交流型微電網(wǎng)采用交流總線,實(shí)現(xiàn)電源、儲(chǔ)能、負(fù)載互聯(lián)和能量轉(zhuǎn)換;混合型微電網(wǎng)采用內(nèi)部直流總線將產(chǎn)生的直流電通過(guò)AC/DC逆變器轉(zhuǎn)化為交流電輸出到交流母線中。本文采用并網(wǎng)模式下的交流型光伏微電網(wǎng),相對(duì)于直流型和混合型而言,交流型投入成本更低,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,性價(jià)比更高。如圖1所示,分布式光伏發(fā)電單元由逆變器將產(chǎn)生的直流電逆變?yōu)榻涣麟娸敵龅浇涣髂妇€;直流母線通過(guò)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(Power Conversion System,PCS)連接到交流母線,交流母線通過(guò)耦合(Point of Common Coupling,PCC)開(kāi)關(guān)連接到電源變壓器,然后通過(guò)變壓器連接到電網(wǎng)。微電網(wǎng)通過(guò)PCC點(diǎn)與電網(wǎng)交換電能,交流和直流總線通過(guò)PCS交換電能。通過(guò)控制混合儲(chǔ)能能量的放電,穩(wěn)定直流側(cè)光伏發(fā)電和交流側(cè)負(fù)載功率的波動(dòng)。復(fù)合儲(chǔ)能單元由超級(jí)電容和蓄電池組成,通過(guò)PCS并聯(lián)到交流母線,放電狀態(tài)下通過(guò)功率變換系統(tǒng)將蓄電池中的直流電轉(zhuǎn)換成交流電輸出到交流母線;充電狀態(tài)下通過(guò)功率變換系統(tǒng)將交流母線中的交流電轉(zhuǎn)換為直流電儲(chǔ)存在蓄電池當(dāng)中;負(fù)載直接并聯(lián)到交流母線當(dāng)中。

圖1 光伏、儲(chǔ)能、負(fù)荷微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of photovoltaic,energy storage and load microgrid

光伏微電網(wǎng)中的各單元關(guān)系如圖1所示,Ppvi為光伏微電網(wǎng)各支路發(fā)電單元,其中i∈[1,n],PLj為負(fù)荷單元用電功率,其中j∈[1,m],Pg為實(shí)際并網(wǎng)功率,Pc為超級(jí)電容輸出功率,Pb為蓄電池輸出功率;Ppv為各支路光伏發(fā)電功率之和,其對(duì)應(yīng)的光伏預(yù)測(cè)值為Ppvp;PL為光伏微電網(wǎng)中負(fù)荷元件消耗的總功率,其對(duì)應(yīng)的負(fù)荷預(yù)測(cè)值為PLp;同時(shí),記光-荷的預(yù)測(cè)值之和為Ppp,其實(shí)際值為Pp。

3 基于能量預(yù)測(cè)與跟蹤并網(wǎng)調(diào)度的復(fù)合儲(chǔ)能控制策略

3.1 光伏微電網(wǎng)中復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制方法

此方案首先根據(jù)光伏發(fā)電量的預(yù)測(cè)值和負(fù)荷的預(yù)測(cè)值,計(jì)算出以一天(1 d)為周期的并網(wǎng)功率預(yù)測(cè)值;其次,獲取并網(wǎng)計(jì)劃調(diào)度曲線,再以小時(shí)(h)為周期更新能量預(yù)測(cè)值反饋到并網(wǎng)計(jì)劃,通過(guò)控制儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充放電來(lái)平抑功率波動(dòng)誤差;最后,實(shí)現(xiàn)光伏微電網(wǎng)跟蹤并網(wǎng)調(diào)度計(jì)劃的控制目標(biāo)。

由于并網(wǎng)調(diào)度計(jì)劃與預(yù)測(cè)值的誤差受到環(huán)境、天氣等各種不確定因素的影響,所以其數(shù)值處于實(shí)時(shí)波動(dòng)的狀態(tài)。為了減少儲(chǔ)能系統(tǒng)充放次數(shù),針對(duì)并網(wǎng)調(diào)度計(jì)劃與預(yù)測(cè)值的誤差值設(shè)置一個(gè)誤差帶。當(dāng)并網(wǎng)調(diào)度計(jì)劃與預(yù)測(cè)值的差值沒(méi)有超過(guò)誤差取值范圍時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)不工作;當(dāng)誤差超過(guò)允許誤差且實(shí)際并網(wǎng)功率大于調(diào)度并網(wǎng)功率時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電吸收多余能量;同理,當(dāng)誤差超過(guò)允許誤差且實(shí)際并網(wǎng)功率小于調(diào)度并網(wǎng)功率時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)放電補(bǔ)償并網(wǎng)功率。

假設(shè)交直流能量轉(zhuǎn)化中不存在損耗,則令光伏微電網(wǎng)跟蹤電網(wǎng)調(diào)度的計(jì)劃并網(wǎng)功率為Ps,為了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度目標(biāo),需要跟蹤計(jì)劃并網(wǎng)功率輸出,通過(guò)控制復(fù)合儲(chǔ)能輸出功率來(lái)平抑功率偏差ΔP,則有:

Pg=PPVp+PLp

ΔP=PS-Pp=PS-PPV-PL

為了實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)調(diào)度目標(biāo),有必要跟蹤規(guī)劃的并網(wǎng)發(fā)電量,并通過(guò)控制混合儲(chǔ)能裝置的輸出功率來(lái)穩(wěn)定功率偏差,然后存在:

PH=PS-PG=PS-PL+PPV

當(dāng)PH>0時(shí),表示實(shí)際并網(wǎng)功率大于計(jì)劃并網(wǎng)功率,此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)通過(guò)充電來(lái)吸收多余的電量;當(dāng)PH=0時(shí),表示實(shí)際并網(wǎng)功率等于計(jì)劃并網(wǎng)功率,此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)不工作;當(dāng)PH<0時(shí),實(shí)際并網(wǎng)功率小于計(jì)劃并網(wǎng)功率,控制儲(chǔ)能系統(tǒng)放電補(bǔ)足偏差。

3.2 光伏微電網(wǎng)復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制流程

基于能量預(yù)測(cè)與并網(wǎng)調(diào)度計(jì)劃的復(fù)合儲(chǔ)能控制方案如圖2所示。根據(jù)光伏和負(fù)荷一天的預(yù)測(cè)值,結(jié)合蓄能系統(tǒng)狀態(tài)來(lái)制定并網(wǎng)調(diào)度計(jì)劃,電網(wǎng)根據(jù)調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行放電。再將每日預(yù)測(cè)值和實(shí)際電網(wǎng)調(diào)度總量分解成以小時(shí)為周期,再將得到預(yù)測(cè)值與實(shí)際調(diào)度值做對(duì)比,得到以小時(shí)為周期的差值ΔEp,h,最后由儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充放電對(duì)差值平抑補(bǔ)缺。與此同時(shí),將差值ΔEp,h以小時(shí)為周期滾動(dòng)預(yù)測(cè)下一個(gè)周期的能量狀態(tài),實(shí)際并網(wǎng)根據(jù)所得差值進(jìn)行補(bǔ)缺,以此來(lái)修正日預(yù)測(cè)誤差獲得更加準(zhǔn)確的儲(chǔ)能功率修正參考值,達(dá)到更佳的控制目標(biāo)。圖2中Td表示為以1 d為周期;Th表示為以小時(shí)為周期;Ep,d表示為1 d的光伏與負(fù)荷能量預(yù)測(cè)值;Ep,h表示為以小時(shí)為周期的光伏與負(fù)荷能量預(yù)測(cè)值;ΔEp,h為以小時(shí)為周期實(shí)際電網(wǎng)輸出值與光-荷能量預(yù)測(cè)值的誤差。

圖2 光伏微電網(wǎng)復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制流程Fig. 2 Control process of photovoltaic microgrid composite energy storage system

3.3 跟蹤并網(wǎng)調(diào)度的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量控制策略

由圖2可知,并網(wǎng)調(diào)度1 d內(nèi)(Td)能量預(yù)測(cè)值為

1 h(Th)內(nèi)的并網(wǎng)能量預(yù)測(cè)值為

實(shí)際需要的并網(wǎng)能量為

根據(jù)光伏微電網(wǎng)能量預(yù)測(cè)值和實(shí)際并網(wǎng)能量值,預(yù)計(jì)未來(lái)調(diào)度周期內(nèi)的產(chǎn)生的能量誤差為

在文獻(xiàn)[11]中,針對(duì)能量差額ΔEp,采用按時(shí)間平均分配到調(diào)度周期的方式,即:

(1)

式(1)中,kc為超級(jí)電容分配系數(shù),kb為蓄電池分配系數(shù)。根據(jù)調(diào)度周期Td和分配系數(shù),將能量差額平均分配給儲(chǔ)能系統(tǒng)。由于采用均值算法沒(méi)有考慮微電網(wǎng)系統(tǒng)功率波動(dòng)的非線性特性,尤其是蓄電池的SOC非線性特性,可能會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)充或過(guò)放現(xiàn)象,從而造成儲(chǔ)能系統(tǒng)元件的損壞,例如:當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC較低時(shí),系統(tǒng)仍處于放電狀態(tài),由于線性算法的緣故使得儲(chǔ)能元件無(wú)法根據(jù)自身狀態(tài)來(lái)調(diào)整放電量,從而導(dǎo)致儲(chǔ)能元件產(chǎn)生過(guò)放現(xiàn)象而退出系統(tǒng);同理,當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC較高時(shí),系統(tǒng)仍處于充電狀態(tài),由于無(wú)法自動(dòng)調(diào)整充電量,從而導(dǎo)致儲(chǔ)能元件產(chǎn)生過(guò)充以至于導(dǎo)致微電網(wǎng)棄光現(xiàn)象的產(chǎn)生。故在此基礎(chǔ)上加入模糊控制器,在考慮儲(chǔ)能元件SOC狀態(tài)的同時(shí),對(duì)功率修正系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控。

4 模糊控制優(yōu)化的儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

4.1 模糊控制在復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)上的應(yīng)用

當(dāng)實(shí)際并網(wǎng)調(diào)度與光-荷預(yù)測(cè)值出現(xiàn)差值時(shí),需要儲(chǔ)能系統(tǒng)介入平抑或補(bǔ)充差額。由于超級(jí)電容和蓄電池組成的儲(chǔ)能系統(tǒng)本身具有容量限制,所以必須要考慮儲(chǔ)能元件本身的荷電狀態(tài)。

為了保證儲(chǔ)能元件處于安全運(yùn)行的狀態(tài),本文提出了一種以模糊控制為基礎(chǔ),可以實(shí)時(shí)監(jiān)控并修正超級(jí)電容和蓄電池功率參考值的系統(tǒng),更適合于解決系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的非線性問(wèn)題。

模糊控制流程如圖3所示:首先,確定輸入輸出物理量;其次,確定模糊子集的隸屬函數(shù)并制定模糊控制規(guī)則;最后,將得到的模糊值通過(guò)清晰化處理得到輸出清晰量。

圖3 模糊控制策略設(shè)計(jì)流程Fig. 3 Design process of fuzzy control strategy

加入模糊控制的作用:當(dāng)儲(chǔ)能元件容量即將到達(dá)限定容量,儲(chǔ)能元件依舊保持充電或放電狀態(tài)時(shí),適當(dāng)?shù)恼{(diào)整功率參考值,避免儲(chǔ)能元件因?yàn)檫^(guò)充或過(guò)放而造成損壞,提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。

4.2 復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)模糊控制策略

在運(yùn)用模糊控制之前,需要先表示出各儲(chǔ)能元件的SOC值以及功率充放狀態(tài)。由式(1)可知,蓄電池分配系數(shù)和超級(jí)電容分配系數(shù)互補(bǔ),因此此處取蓄電池為例。

在應(yīng)用模糊控制之前,需要先將蓄電池有功功率輸出和荷電狀態(tài)SOC進(jìn)行歸一化處理,蓄電池SOC歸一化方程表示如下[14]:

其中,Sb,ref為蓄電池SOC的期望值,εb(t)的論域?yàn)閇-1,1],取極端值說(shuō)明:當(dāng)εb(t)=-1時(shí),表示蓄電池處于枯竭狀態(tài);當(dāng)εb(t)=1時(shí),表示蓄電池處于飽和狀態(tài)。

有功功率參考值隸屬度表示如下[15]:

目前,確定隸屬度函數(shù)的常用方法有多種,本文采用最常用的專家經(jīng)驗(yàn)法,根據(jù)專家實(shí)際經(jīng)驗(yàn)給出的模糊信息,初步確定粗略的隸屬函數(shù),再進(jìn)行多次試驗(yàn),根據(jù)實(shí)際效果進(jìn)行修正和調(diào)整隸屬函數(shù)。

如圖4所示,將εb(t)和ηb(t)作為兩個(gè)輸入連接到模糊控制器兩個(gè)輸入接口,取兩者論域?yàn)閇-1,1],其輸入模糊集合表示為{NB,NS,ZO,PS,PB},分別代表儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池的SOC含量為:低、較低、適中、較高、高。其模糊控制器輸出值為功率修正值,記為kb(t),將其離散論域定義為[-1,-0.6,-0.3,0,0.3,0.6,1],模糊子集為[NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB]。

圖4 蓄電池輸入隸屬度函數(shù)Fig. 4 Battery input membership function

本文的模糊規(guī)則主要根據(jù)以下幾條原則設(shè)計(jì):當(dāng)蓄電池的SOC含量較小,且蓄電池放電功率仍處于較大時(shí),則減小有功功率輸出值,避免過(guò)放現(xiàn)象的產(chǎn)生;當(dāng)蓄電池SOC處于中間值時(shí),按照功率參考值進(jìn)行補(bǔ)償;當(dāng)蓄電池SOC較大時(shí),而蓄電池仍處于充電狀態(tài),則減小有功功率輸入值,避免過(guò)充現(xiàn)象的產(chǎn)生。根據(jù)以上理論,得出輸入隸屬函數(shù)(圖4)和輸出隸屬函數(shù)(圖5)。

圖5 蓄電池輸出隸屬度函數(shù)Fig. 5 Battery output membership function

模糊控制表如表2所示,選取一條加以說(shuō)明:

表2 控制規(guī)則表Table 2 Control rules

Ifεb(t)is ZO andηb(t)is ZO,thenkb(t) is ZE.

規(guī)則表明:當(dāng)蓄電池中SOC含量與參考值含量相差適中(ZO),且蓄電池有功功率參考值與有功功率實(shí)際值相差適中時(shí)(ZO),此時(shí)蓄電池修正系數(shù)輸出為0(ZE)。除此以外,考慮蓄電池本身特性,當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)處于適中范圍時(shí),可適當(dāng)增大其充電或放電功率。

由于得到的輸出值為模糊變量,因此需要進(jìn)行清晰化處理:清晰化計(jì)算通常有加權(quán)平均法(重心法),最大隸屬度法,和中位數(shù)法等。本文采用重心法對(duì)輸出的模糊集合進(jìn)行清晰化處理,得到實(shí)時(shí)功率修正數(shù)據(jù)kb(t),從而得到儲(chǔ)能設(shè)備功率修正值為

4.3 模糊控制下的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量調(diào)控

根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知:工作狀態(tài)下,蓄電池放電/充電的SOC的表達(dá)公式為

(2)

(3)

其中,T為SOC更新周期;Pfa為放電功率;Pch為充電功率;μc為充電效率;Sn為額定容量;μf為放電效率。

將儲(chǔ)能設(shè)備功率修正值加入式(2)中,得到在放電狀態(tài)下,蓄電池的放電有功功率參考值為

將儲(chǔ)能設(shè)備功率修正值加入式(3)中,得到在充電狀態(tài)下,蓄電池的充電有功功率參考值為

同時(shí),儲(chǔ)能元件的充放電功率應(yīng)該保持在其元件規(guī)定的范圍內(nèi)。因此,為了保證儲(chǔ)能元件的充放功率保持在允許的范圍內(nèi),應(yīng)對(duì)其功率加以約束條件來(lái)保證系統(tǒng)的安全:

5 仿真分析

基于上述理論,本文在仿真軟件MATLAB/Simulink中搭建模型并進(jìn)行仿真分析。在本文的算例中,儲(chǔ)能元件的允許充電(放電)深度設(shè)為0%～100%,SOC初始值設(shè)定為50%,仿真時(shí)間尺度為24 h,光伏能量預(yù)測(cè)和負(fù)荷能量預(yù)測(cè)以1 h為周期滾動(dòng)更新。仿真參數(shù)如表3所示,儲(chǔ)能元件容量配置方案如表4所示。

表3 仿真參數(shù)Tabel 3 Simulation parameters

表4 儲(chǔ)能容量配置方案Table 4 Configuration scheme of energy storage capacity

通過(guò)仿真驗(yàn)證復(fù)合儲(chǔ)能控制策略的有效性,得到超級(jí)電容與蓄電池的功率如圖6所示,超級(jí)電容充放次數(shù)大于蓄電池充放次數(shù),蓄電池的充放功率大于超級(jí)電容,符合超級(jí)電容和蓄電池功率特性。

圖6 優(yōu)化后的超級(jí)電容與蓄電池功率曲線Fig. 6 Optimized supercapacitor and battery power curves

由圖7可知,光伏微電網(wǎng)實(shí)際并網(wǎng)功率曲線Pg能夠跟蹤并網(wǎng)調(diào)度曲線Ps。且由于超級(jí)電容由于本身元件的物理特性,使其響應(yīng)時(shí)間更短,可進(jìn)行頻繁的充放電,因此利用低通濾波器將波動(dòng)功率中分解后的高頻分量由超級(jí)電容平抑;由于蓄電池輸出功率緩慢,承擔(dān)功率較大,因此可用來(lái)補(bǔ)償波動(dòng)功率中的低頻分量。

圖7 實(shí)際并網(wǎng)功率跟蹤并網(wǎng)調(diào)度曲線Fig. 7 Actual grid-connected power tracking grid-connected dispatching curve

圖8為1 d時(shí)間內(nèi)負(fù)荷功率變化圖。以蓄電池為例,為驗(yàn)證模糊控制對(duì)SOC控制的時(shí)效性和調(diào)節(jié)的有效性,圖9為蓄電池未經(jīng)過(guò)模糊控制的SOC變化曲線,圖10為蓄電池經(jīng)過(guò)模糊控制優(yōu)化后的SOC變化曲線,圖11為蓄電池經(jīng)過(guò)模糊控制時(shí)的功率修正曲線。

圖8 負(fù)荷功率曲線Fig. 8 Load power curve

圖9 優(yōu)化前蓄電池SOC變化曲線Fig. 9 Change curve of battery SOC before optimization

圖10 優(yōu)化后的變化曲線Fig.10 Change curve of battery SOC after optimization

圖11 蓄電池功率修改系數(shù)Fig.11 Modification factor of battery power

由圖10可知,模糊控制下的蓄電池SOC值在50%左右波動(dòng),當(dāng)蓄電池SOC達(dá)到設(shè)定的敏感區(qū)域時(shí)能夠及時(shí)的進(jìn)行功率修正,使得SOC保持在合理的位置,防止蓄電池過(guò)充過(guò)放。

6 結(jié) 論

選擇了一種以能量預(yù)測(cè)為基礎(chǔ),跟蹤并網(wǎng)調(diào)度的復(fù)合儲(chǔ)能控制策略,此策略實(shí)現(xiàn)了在更長(zhǎng)時(shí)間尺度上穩(wěn)定響應(yīng)系統(tǒng)的控制需求。在此儲(chǔ)能控制控制策略的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化,利用模糊算法對(duì)非線性問(wèn)題處理優(yōu)勢(shì),在儲(chǔ)能元件功率分配的情況中加入模糊控制器。兼顧考慮儲(chǔ)能電池SOC的非線性特性,設(shè)計(jì)微電網(wǎng)預(yù)測(cè)能量與實(shí)際并網(wǎng)能量的差額分配算法,對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)有功功率參考值進(jìn)行實(shí)時(shí)修正,從而達(dá)到調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC的效果。實(shí)現(xiàn)在長(zhǎng)時(shí)間尺度中,實(shí)際并網(wǎng)功率能準(zhǔn)確跟蹤并網(wǎng)調(diào)度的情況下,儲(chǔ)能元件不會(huì)產(chǎn)生過(guò)充或過(guò)放的情況,降低了儲(chǔ)能元件的損壞率,提高了復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性能,延長(zhǎng)了儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。仿真結(jié)果表明,與優(yōu)化前的控制策略相比,在相同工況下優(yōu)化后的控制策略使蓄電池SOC波動(dòng)范圍縮小15.6%,一直保持在40%～60%之間波動(dòng)。