抑制輸水工程中風(fēng)光功率波動(dòng)的混合儲(chǔ)能控制策略研究

王成明 鄭坤 熊曼妮

摘 要：【目的】在輸水工程中，風(fēng)電、光伏等新能源具有不穩(wěn)定性，若直接接入電網(wǎng)會(huì)對可靠運(yùn)行的電能質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響。為了抑制輸水工程中的風(fēng)光功率波動(dòng)問題，有必要對此進(jìn)行研究。【方法】提出了一種基于模糊控制的混合儲(chǔ)能控制策略，分別利用能量型儲(chǔ)能和功率型儲(chǔ)能平移不同時(shí)間尺度的功率脈動(dòng)?！窘Y(jié)果】考慮將風(fēng)光功率波動(dòng)變化態(tài)勢、儲(chǔ)能荷電狀態(tài)作為模糊控制器的輸入，調(diào)節(jié)功率型儲(chǔ)能與能量型儲(chǔ)能為系統(tǒng)出力，并考慮儲(chǔ)能電池的一致性，有效地保障儲(chǔ)能電池的循環(huán)使用壽命?！窘Y(jié)論】通過算例驗(yàn)證了混合儲(chǔ)能控制策略抑制風(fēng)光功率波動(dòng)的有效性，充分發(fā)揮混合電池儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)勢，減少能量型儲(chǔ)能使用頻次，實(shí)現(xiàn)價(jià)值最大化。

關(guān)鍵詞：風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電；混合儲(chǔ)能；模糊控制；平滑輸出

中圖分類號(hào)：TU831.2??? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???? 文章編號(hào)：1003-5168（2024）08-0014-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.08.003

Research on Hybrid Energy Storage Control Strategy for Suppressing Wind and Solar Power Fluctuations in Water Transmission Projects

WANG Chengming ZHENG Kun XIONG Manni

（Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research， Wuhan 430010， China）

Abstract： [Purposes] In water transmission projects， new energy sources such as wind power and photovoltaics pose significant challenges and potential risks to the reliable operation of power quality due to their instability when directly connected to the power grid. In order to suppress the fluctuation of wind and solar power in water transmission projects， it is necessary to conduct research on this issue. [Methods] A hybrid energy storage control strategy based on fuzzy control is proposed.This strategy utilizes both energy-based and power-based energy storage to mitigate power fluctuations across different time scales. [Findings] By considering the trends in wind and solar power fluctuations along with the state of charge of the energy storage， they serve as inputs to the fuzzy controller， regulating the outputs of power-based and energy-based energy storage systems. Furthermore， it extensively considers the consistency of energy storage batteries， effectively ensuring the cyclic lifespan of these batteries. [Conclusions] Validation through case studies demonstrates the efficacy of the hybrid energy storage control strategy in mitigating wind and solar power fluctuations， optimizing the advantages of hybrid battery energy storage systems， reducing the frequency of energy-based storage usage， and maximizing overall value.

Keywords： wind-solar hybrid generation; hybrid energy storage; fuzzy control; smoothed output

0 引言

長距離配水工程中的閘控站、閥控站等供電點(diǎn)，具有供電距離長、數(shù)量多、分布零散、持續(xù)負(fù)載能力小、瞬間負(fù)載大的特點(diǎn)［1-2］。采用傳統(tǒng)的輸電線路供電方案，往往存在可靠性、經(jīng)濟(jì)性較低的問題，因此尋找一種可靠、經(jīng)濟(jì)且可持續(xù)的供電方案至關(guān)重要。

風(fēng)電、光伏等新能源因其具有不穩(wěn)定性，如果直接接入電網(wǎng)可能會(huì)對可靠運(yùn)行電能質(zhì)量造成嚴(yán)重影響并存有潛在的風(fēng)險(xiǎn)。儲(chǔ)能裝置作為新一代電網(wǎng)中最關(guān)鍵的組成部分，它具有能量雙向流動(dòng)、柔性安裝和快速響應(yīng)等特點(diǎn)［3-4］。通過將大容量的儲(chǔ)能裝置布置在遠(yuǎn)距離的并網(wǎng)點(diǎn)上，可以在短時(shí)大負(fù)載和持續(xù)小負(fù)載之間達(dá)到均衡，能夠很好地改善上述問題。

因此本研究基于模糊控制方法，將功率型儲(chǔ)能和能量型儲(chǔ)能相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)多類型混合儲(chǔ)能控制，從而有效地減小風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)，并防止能量型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)過充、放電。該系統(tǒng)具有柔性、可調(diào)整等特點(diǎn)，能較好地滿足供水工程中各種荷載需求的變化［5］。

1 混合儲(chǔ)能電池控制策略

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在輸水工程中，風(fēng)、光、混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其發(fā)電模塊包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池板；控制模塊包括DC/DC電路和控制器；DC模塊包括蓄電池和直流負(fù)荷；AC模塊包括逆變器和交流負(fù)載。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合風(fēng)光發(fā)電機(jī)組的出力變化，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)見式（1）。

[Pg（t）=Pst+Pwt+Pbgt+Pbn（t）] （1）

式中：[Pg（t）]為t時(shí)刻風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)功率；[Pst]為t時(shí)刻光伏電站發(fā)電功率；[Pwt]為t時(shí)刻風(fēng)電場發(fā)電功率；[Pbgt]為t時(shí)刻功率型儲(chǔ)能輸出功率；[Pbn（t）]為t時(shí)刻能量型儲(chǔ)能輸出功率。

1.2 基于模糊控制的多類型儲(chǔ)能控制策略

設(shè)定某一時(shí)刻t的輸出總功率為[Pws（t）]，上一時(shí)刻的功率為[Pg（t-1）]，當(dāng)前時(shí)刻功率為[Pg（t）]，發(fā)電系統(tǒng)的可接受波動(dòng)功率為?。功率型儲(chǔ)能的額定功率為[Cg]，總?cè)萘繛閇Qg]，t時(shí)刻的荷電狀態(tài)為Soc1（t），輸出功率為[Pbg]（t）；能量型儲(chǔ)能的額定功率為[Cn]，總?cè)萘繛閇Qn]，t時(shí)刻的荷電狀態(tài)為Soc2（t），輸出功率為[Pbn（t）]。

為模糊定義三個(gè)輸入兩個(gè)輸出：

輸入1是風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的變動(dòng)情況ΔP，模糊等級為｛N，NB，P｝，賦值為［-1，1］。N表示波動(dòng)性大幅度減??；NB表明波動(dòng)性較小；P表明波動(dòng)性大幅增大。

輸入2是功率型電池儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)Soc1（t），模糊等級為｛S，SG，G，DG，D｝，賦值為［0，1］。從左到右分別表示電荷存儲(chǔ)量極端低壓；電荷存儲(chǔ)量較低；電荷存儲(chǔ)量適中；電荷存儲(chǔ)量較高；電荷存儲(chǔ)量極端高壓。

輸入3是能量型電池儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)Soc2（t），模糊等級為｛L，LM，M，HM，H｝，賦值為［0，1］。從左到右分別代表電荷存儲(chǔ)狀態(tài)極差；能量型儲(chǔ)能電荷存儲(chǔ)狀態(tài)較差；電荷存儲(chǔ)狀態(tài)適中；H電荷存儲(chǔ)狀態(tài)較好；電荷存儲(chǔ)狀態(tài)極好。

輸出1是功率型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)功率調(diào)整因子K1（t），定義模糊等級為｛F，F(xiàn)O，O，EO，E｝，賦值為［-1，1］。從左到右代表該類型電池系統(tǒng)充電負(fù)荷極重；該類型電池系統(tǒng)充電負(fù)荷較重；該類型電池系統(tǒng)充電負(fù)荷重；該類型電池系統(tǒng)放電負(fù)荷較重；該類型電池系統(tǒng)放電負(fù)荷極重。

輸出2是能量型儲(chǔ)能系統(tǒng)功率調(diào)整因子K2（t），定義模糊等級為｛A，AZ，Z，CZ，C｝，賦值為［-1，1］。從左到右分別代表該儲(chǔ)能充電負(fù)載極重；該儲(chǔ)能充電負(fù)載較重；該儲(chǔ)能充電負(fù)載運(yùn)行維護(hù)；該儲(chǔ)能放電負(fù)較重；該儲(chǔ)能放電負(fù)載極重。

模糊控制器輸入、輸出隸屬度函數(shù)如圖2至圖5所示。

定義t時(shí)刻的聯(lián)網(wǎng)功率及兩類電池的充、放電功率見式（2）。

[Pg（t）=Pgt-1+CgCg+CnK1+CnCg+CnK2ηPb（t）=PWSt-Pg（t）Pbg（t）=K1tCgPbn（t）=Pbt-Pbg（t）Soc1（t）=Soc1t-1+Pbg（t）ΔtQgSoc2（t）=Soc2t-1+Pbn（t）ΔtQn] （2）

按照以上的程序進(jìn)行評價(jià)，獲得了功率型和能量型的電池系統(tǒng)的實(shí)際有效功率[Pbga（t）]和[Pbna（t）]，與之前給出的功率[Pbga（t）]和[Pbna（t）]相比較，得到一個(gè)判別式。若各種類型的電池儲(chǔ)能單元所需的電力超過了實(shí)際的電力，那么在目前時(shí)刻上的電力和各種類型電池的充電和放電功率都根據(jù)式（3）來進(jìn)行計(jì)算，否則，則根據(jù)式（2）。

[Pbg（t）=Pbgat-1+CgCg+CnK1+CnCg+CnK2ηPbn（t）=Pbnat-Pg（t）Pgt=Pgt-1+Pbgt+Pbn（t）Soc1（t）=Soc1t-1+Pbg（t）ΔtQgSoc2（t）=Soc2t-1+Pbn（t）ΔtQn]????? （3）

2 算例分析

本研究以一個(gè)典型的閘控站為例，其負(fù)載主要由監(jiān)測儀器、監(jiān)測設(shè)備、閘門控制設(shè)備提供電力等組成。閘控站的風(fēng)電裝機(jī)為1 000 W、光伏裝機(jī)為500 W，并配置了多種儲(chǔ)能系統(tǒng)：200 W/0.5 kW·h的能量型儲(chǔ)能、200 W/0.2 kW·h的功率型儲(chǔ)能。假設(shè)兩種類型的蓄電池的第一時(shí)刻電荷量是0.5，最大電荷量是0.9，最小電荷量是0.2。風(fēng)光并網(wǎng)輸出功率的允許波動(dòng)率為10%，則允許波動(dòng)值為150 W。

本研究設(shè)定兩種控制策略進(jìn)行對比分析。

策略1：無電池儲(chǔ)能單元參與平抑的風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電的輸出。

策略2：采用本研究所提出的基于模糊控制多類型混合儲(chǔ)能平抑輸出的風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電的輸出。

策略1與策略2的波動(dòng)率情況如圖6所示。由圖6可知，策略1的起始輸出波動(dòng)劇烈，基本都超過了所要求的10%。與之相對的是，策略2可平抑大部分的輸出功率波動(dòng)。

策略2的具體波動(dòng)性如圖7所示。由圖7可知，風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電的輸出功率可完美符合低于10%的要求，滿足并網(wǎng)要求，驗(yàn)證了本研究所提出的控制策略在抑制風(fēng)光等能源輸出波動(dòng)方面的可行性，提高了輸出電能的質(zhì)量，增強(qiáng)了新能源的并網(wǎng)安全性。

3 結(jié)語

本研究針對輸水工程中的風(fēng)電、光伏等新能源功率波動(dòng)問題，采用模糊控制技術(shù)，提出了一種基于模糊控制的抑制輸水工程風(fēng)光功率波動(dòng)的混合儲(chǔ)能控制策略，并得出以下結(jié)論。

以模糊控制為基礎(chǔ)，結(jié)合風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)出力波動(dòng)情況和多種儲(chǔ)能單元荷電狀況，能夠有效抑制風(fēng)電機(jī)組出力波動(dòng)。

本策略既能兼顧功率型電池和能量型電池的工作特點(diǎn)，又能兼顧各種類型電池的一致性，從而有效地保證各種類型電池的循環(huán)使用壽命和調(diào)控能力。特別是對于長期在役的儲(chǔ)能電池，可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)地輸出風(fēng)電功率的波動(dòng)，具有一定的理論和實(shí)際意義。

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收稿日期：2024-01-08

作者簡介：王成明（1983—），男，本科，高級工程師，研究方向：電氣二次、水利信息化。