基于SOC優化的混合儲能平抑風電波動方法

李培強，李文英，唐捷，李慧，王繼飛，廖玲瓏

（1.湖南大學電氣與信息學院，長沙410082；2.廣東電網公司韶關供電局，韶關512026）

基于SOC優化的混合儲能平抑風電波動方法

李培強1，李文英1，唐捷2，李慧1，王繼飛1，廖玲瓏1

（1.湖南大學電氣與信息學院，長沙410082；2.廣東電網公司韶關供電局，韶關512026）

針對蓄電池和超級電容器儲能特性不同的特點，將風電功率信號進行多尺度小波包分解，得到蓄電池和超級電容器的充放電參考功率。提出基于蓄電池和超級電容器荷電狀態SOC（state of charge）的功率分配優化方法，詳細討論兩種儲能元件協調工作時可能出現的所有工作狀態，實時檢測儲能元件SOC的大小，當處于非正常工作狀態時調整儲能元件的實時充放電參考功率，進行相應的過充過放保護。該方法對風電功率波動具有較好的平抑效果，且能有效延長蓄電池和超級電容器的使用壽命，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型驗證了該控制方法的有效性。

混合儲能系統；蓄電池；超級電容器；小波包分解；荷電常數；能量管理

隨著化石能源日益短缺和環境污染日益嚴重，風能作為一種儲量極為豐富的可再生能源得到了高度重視，但風力發電易受天氣的影響，具有隨機性和波動性的特點，在風電場配置一定容量的儲能系統有助于減少其對電力系統的沖擊[1-2]。

常見的儲能設備可分為功率型儲能和能量型儲能。前者具有功率密度大、循環壽命長、響應速度快等優點，不足是儲能量較低，如超級電容器儲能、飛輪儲能等；后者具有能量密度大的優點，但功率響應較慢，對頻繁充放電適應性不強，如蓄電池和抽水蓄能等。

由于這兩種類型的儲能元件在特性上具有很強的互補特征，故采用混合儲能系統相互配合的方法[3]，既可以彌補單一儲能技術的不足，又可延長儲能元件的壽命，提高經濟性。

為使兩類儲能設備實現優勢互補，混合儲能系統的協調控制方法是關鍵。文獻[4-8]將風電波動功率通過濾波器分別送給超級電容器和蓄電池進行平抑，根據儲能元件的荷電狀態調整濾波器的濾波時間常數，實時調整超級電容器和蓄電池的充放電參考功率。文獻[9-12]采用小波包分解理論對風電場輸出功率信號進行多尺度分解，分別得到高、中、低頻信號，選擇與其頻率范圍適應的儲能方式以組成混合儲能系統對風電場輸出功率進行平滑。文獻[13-14]采用時間常數隨儲能系統荷電狀態變化的低通濾波算法確定目標功率值，采用模糊控制理論將超出目標值的功率偏差在兩種儲能介質之間進行分配，避免荷電狀態出現越限現象。

綜上所述，針對混合儲能系統平抑風電場波動的問題，平抑目標初步選擇的方法各有不同，系統儲能元件間的協調控制已有一些研究成果，但考慮各單元使用壽命的協調控制策略還不夠完善，本文針對蓄電池和超級電容器組成的混合儲能系統，提出一種同時考慮兩種儲能元件充放電狀態的協調控制方法。

將風電場輸出功率信號進行多尺度小波包分解，得到的低頻部分作為風電并網目標功率，中頻部分作為蓄電池充放電參考功率，高頻部分作為超級電容器的充放電參考功率。為保證儲能系統能夠正常工作，通過能量管理系統對蓄電池和超級電容器的充放電參考功率進行優化控制。根據儲能元件的SOC對工作區域進行劃分，詳細討論兩種儲能元件相配合時可能出現的各種工作狀態，對處于非正常工作狀態的情況進行相應的控制，確保SOC在規定的范圍內變化。

1 混合儲能系統結構

1.1 混合儲能系統基本結構

混合儲能系統的結構有多種形式，本文所提出的混合儲能系統結構如圖1所示。

該儲能系統中，Pw為風電場輸出有功功率，Psys為平抑后送入電網的功率，兩者之差PHess為混合儲能系統需要平抑的風電功率波動，能量管理系統根據監測蓄電池和超級電容器實時的充放電狀態決定各自的充放電參考功率Pbat、Psc。系統中蓄電池與超級電容器通過各自的DC/DC變換器與直流母線相連，再通過統一的DC/AC變流器連接到電網，其中DC/AC變流器用于保持直流母線電壓穩定，DC/DC變換器分別跟蹤各自的充放電參考功率Pbat、Psc。

1.2 儲能元件建模

由于蓄電池具有能量密度大、儲能時間長，但功率密度小、循環壽命短的特點，可用其平抑風電波動中的低頻波動分量，等效電路模型如圖2所示。Us為開路電壓，由恒定電壓源Uoc與電容Cs組成，與充放電電流、SOC等有關；由Rtrans、Ctrans組成的并聯支路模擬充放電過程中的電壓動態變化過程；R0為歐姆內阻，受外界因素影響很小，用定值電阻模擬。

式中，Cap為電池的額定容量。

超級電容器具有功率密度大、響應速度快、循環壽命長，但能量密度小，自放電率高的特點，可用其平抑風電波動中的高頻波動分量，等效電路模型如圖3所示。

該模型包含3條支路，第1個支路為瞬時支路，由一個電壓控制電壓源uv（t）、等效內阻R0和固定電容C0組成，主要描述超級電容器在充放電過程中的外特性，uv（t）的計算式為

式中：uc為固定電容C0和電壓控制電壓源uv（t）串聯電壓；v為超級電容器端電壓。

第2個支路為電壓自調整支路，由電容C1和電阻R1串聯而成，用以描述充放電結束后超級電容器內部的電荷再分配現象；第3個支路為自放電支路，描述超級電容器的自放電過程。

2 小波包分解

小波包分解是對低頻信號和高頻信號都進行再分解的一種分解方法，并且能根據信號特性和分析要求自適應地選擇相應頻帶與信號頻譜相匹配，能很好地分解和表示包含大量細節信息的信號。現以一個3層小波包分解樹進行說明，如圖4所示。

圖4中，A表示低頻，D表示高頻，末尾的序號數表示小波包分解的層數。

分解算法[15]：

采用DB4小波對某風電場輸出功率信號進行6層小波包分解，重構第6層后得到的功率信號有26個，其中P1為并網功率參考值，P2、P3、P4為低頻波動分量，Pi（i=4，5，…，64）為高頻波動分量。蓄電池在儲能過程中自損耗小，儲能時間長，但循環壽命小，響應速度慢，適于平抑低頻波動分量；超級電容器響應速度快，輸出功率大，但成本較高，儲能過程中自損耗較大，不適用于大容量儲能和長時間儲能，適于平抑高頻波動分量，蓄電池充放電參考功率記為Pbat_buf，超級電容器充放電參考功率記為Psc_buf，分別表示為

風電功率采用小波包分解后得到的各部分分量如圖5所示。

3 能量管理系統

3.1 平抑目標的選擇

在混合儲能系統中，蓄電池能量密度大，循環壽命短，要盡量避免頻繁充放電，主要用于平抑風電波動中的低頻波動功率，當蓄電池經常處于過充或者過放狀態時，會縮短電池壽命；超級電容器功率密度大，循環壽命長，能頻繁快速充放電，適合平抑尖峰及往復性風電功率波動，主要用于平抑風電波動中的高頻波動功率，由于超級電容器能量密度小，當波動劇烈時其充放電能量很容易達到最大最小限值，影響充放電效果，甚至會擊穿電容[16]。

儲能元件的SOC能表征其剩余容量，為避免儲能元件出現過充過放的狀況，可以通過控制SOC來實現。SOC與儲能元件充放電功率的關系為

混合儲能系統的能量管理示意如圖6所示。風電場輸出功率經小波包分解得到風電功率低頻波動分量Pbat_buf，高頻波動分量Psc_buf，即可得到混合儲能系統充放電參考功率PHess=Pbat_buf+Psc_buf，根據蓄電池和超級電容器實時荷電常數SOCbat、SOCsc以及儲能元件的充放電狀態對Pbat_buf、Psc_buf進行調節，使儲能元件工作在正常充放電區域，得到Pbat_ref為蓄電池充放電參考功率，Psc_ref為超級電容器充放電參考功率。

3.2 協調控制策略

根據儲能元件的SOC劃分出5個工作區域，分別為過充區CO、過充警戒區C、正常區N、過放警戒區D和過放區DO，x表示蓄電池或超級電容器，SOCx_max表示SOCbat_max或者SOCsc_max，如圖7所示。

儲能參考功率為正表示儲能放電，為負表示儲能充電。規定儲能元件處于以下幾種情況時是正常工作狀態，不需要對充放電參考功率進行調整。

（1）儲能元件工作在過充警戒區C且正在放電，即SOCx_high＜SOCx＜SOCx_max，Px_buf＞0。Px_buf表示Pbat_buf或者Psc_buf。

（2）儲能元件工作在正常區N且正在放電或充電，即SOCx_low＜SOCx＜SOCx_high，Px_buf＞0或Px_buf＜0。

（3）儲能元件工作在過放警戒區D且正在充電，即SOCx_min＜SOCx＜SOCx_low，Px_buf＜0。

儲能元件不處于以上規定的正常工作狀態時，需進行相應控制，Px_CO，Px_C，Px_D，Px_DO表示不同工作狀態下蓄電池或超級電容器的充放電參考功率。

（1）儲能元件工作在過充區CO，此時儲能元件只允許放電不能充電，當Px_buf＜0時，Px_ref=0；當Px_buf＞0時，需進行過充保護，增大放電參考功率，使儲能元件盡快從過充區過渡到過充警戒區，即

（2）儲能元件工作在過充警戒區C，當Px_buf＜0時，需進行過充警戒區調整，減少充電參考功率，使儲能元件盡量保持在過充警戒區，即

（3）儲能元件工作在過放警戒區D，當Px_buf＞0時，需進行過放警戒區調整，減少放電參考功率，使儲能元件盡量保持在過放警戒區，即

（4）儲能元件工作在過放區DO，此時儲能元件只允許充電不能放電，當Px_buf＜0時，需進行過放保護，增大充電參考功率，使儲能元件盡快從過放區過渡到過放警戒區；當Px_buf＞0時，Px_ref=0。因此有

儲能元件根據SOC劃分為5個工作區域，考慮充電和放電兩種狀態，每種儲能元件有10種工作狀態，兩種儲能元件相配合將會出現100種不同的工作情況，其中處于正常工作狀態的情況共有16種，對于這16種情況，儲能元件的充放電參考功率保持不變。對于其他84種非正常情況，幾種典型的協調控制方法如表1所示。表中，“+”“-”表示儲能元件放電和充電，即“-Cbat”表示蓄電池工作在過充警戒區且正在充電。

協調控制規則如下：

（1）當一種儲能元件正常工作，另一種儲能元件需調整其充放電參考功率時，改變的功率由處于正常工作狀態的儲能元件承擔，此時混合儲能系統的充放電參考功率PHess保持不變；

（2）當兩種儲能元件需同時對充放電參考功率進行調整時，混合儲能系統的充放電參考功率PHess可能會發生變化。

對于第2種協調控制方法考慮一種特殊情況，當一種儲能元件工作在過充區且正在充電，另一種儲能元件工作在過放區且正在放電，分情況討論：

若PHess＞0，即混合儲能系統總體處于放電狀態，則調整工作在過充區的儲能元件的充放電參考功率為PHess，工作在過放區的儲能元件的充放電參考功率為0；若PHess＜0，反之亦然。

具體控制結果如附錄A所示。

4 系統仿真分析

仿真所用風電功率數據為張家口1號風電場2012年6月11日24小時實際有功出力數據，如圖8所示。在Matlab/Simulink中搭建如圖9所示的仿真模型，其中并網變流器DC/AC采用電壓外環電流內環的雙閉環控制策略，保持直流母線電壓穩定，DC/DC變換器采用恒功率控制，設蓄電池和超級電容器的SOC初始值均取0.5，兩者的SOC控制限值均取SOCsc_max=0.9，SOCbat_high=0.8，SOCbat_low=0.3，SOCsc_min=0.2。

圖10為平抑目標功率與本文所提出的平抑方法和傳統低通濾波器-荷電狀態優化方法分別平抑風電場輸出風電功率波動效果對比，表2為平抑前后輸出功率的比較。

由圖10和表2可知，平抑后曲線既能很好地跟蹤原始功率曲線又變得更加平滑，波動程度明顯降低，滿足風電場接入電力系統技術規定[17]。以上兩種平抑算法都能滿足并網要求，但本文算法得到的并網功率曲線更加平滑，且對平抑目標功率跟蹤效果更好。

圖11～圖14為風電場輸出功率信號經小波包分解后有無SOC優化的對比。圖11和圖12為蓄電池和超級電容器充放電功率對比，由這兩個圖可知蓄電池充放電次數較少，符合其不宜頻繁充放電的電化學特性，而超級電容器充放電頻繁，符合其循環壽命長、能快速充放電的特點。

圖13和圖14為蓄電池和超級電容器SOC對比，由這兩個圖可知，當無SOC優化控制時，儲能元件會出現過充過放的情況，甚至超級電容器的SOC多次達到極限值1，這將嚴重影響儲能元件的使用壽命；當蓄電池和超級電容器SOC協調控制時，能保證儲能元件SOC在0.2～0.9之間變化，從而避免在過充過放區工作，以延長儲能元件壽命。

控制算法著重點在于避免儲能元件出現過充過放情況，當兩種儲能元件同時出現越限趨勢時，混合儲能的充放電參考功率PHess將達不到期望值，考慮仿真系統各模塊的延時性和儲能元件充放電不能瞬時完成，實際風電場并網功率與目標功率之間有一定的偏差，如圖15所示，儲能系統實際輸出功率與期望參考功率之間的差值在±0.3MW之間波動，遠小于混合儲能系統的容量。

綜合圖10～圖15可知，小波包分解的平抑效果優于傳統低通濾波器分解方法，有SOC協調控制較無SOC優化能延長儲能元件壽命，所以本文提出的荷電狀態優化控制策略在平抑風電波動中具有較好的效果。

5 結語

本文在分析蓄電池和超級電容器各自儲能特性的基礎上，綜合考慮兩種儲能元件的優缺點，提出了一種能夠實現兩者優勢互補的混合儲能系統平抑風電波動的協調控制策略。首先利用小波包分解初步得到蓄電池和超級電容器的充放電參考功率，為避免蓄電池和超級電容器出現過充過放的情況，提出基于兩種儲能元件荷電狀態的功率分配方法，通過實時檢測儲能元件的SOC對其當前參考功率進行調整。

仿真結果表明，本文提出的方法能夠有效平抑風電場輸出功率波動，并能夠控制蓄電池和超級電容器的SOC在正常范圍內變化，以延長儲能元件的使用壽命。

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[17]GB/T19963—2011，風電場接入電力系統技術規定[S]．

附錄A

M ethod of Hybrid Energy Storage to Smooth the Fluctuations for W ind Power Based on Stateof Charge Optim ization

LIPeiqiang1，LIWenying1，TANG Jie2，LIHui1，WANG Jifei1，LIAO Linglong1
（1.CollegeofElectricaland Information Engineering，Hunan University，Changsha410082，China；2.Shaoguan Power Supply Bureau ofGuangdong PowerGrid Corporation，Shaoguan 512026，China）

According to differentenergy storage characteristicsofbatteriesand super capacitors，wind farm outputpow?er signals are decomposed by wavelet packet to obtain the reference powers of batteries and super capacitors during charging and discharging.The power allocation optimizationmethods based on the state of charge（SOC）of batteries and super capacitors are proposed，and allworking conditions thatmay occurwhen the two energy storage components operatewith coordination are discussed in detail，With the real-time detection of SOC，the reference powersof theener?gy storage elements during charging and discharging are adjusted in abnormalworking conditions，and over-charging/ discharging protection can be taken in time..The proposedmethod is effective to stabilizewind power fluctuations，and it can also stabilize and extend the life of batteries and super capacitors.The simulationmodel built in Matlab/Simu?link verifies this controlmethod.

hybrid energy storage system；battery；super capacitor；wavelet packet decomposition；state of charge（SOC）；energymanagement

TM614

A

1003-8930（2017）03-0020-08

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.03.004

李培強（1975—），男，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為電力系統穩定性分析與控制。Email：lpqcs@hotmail.com

李文英（1989—），女，碩士研究生，研究方向為新能源并網、儲能技術。Email：liwenying0889@163.com

唐捷（1979—），男，博士，高級工程師，研究方向為電力系統運行控制、電力需求側管理等。Email：tangjiedavid@163.com

2014-12-16；

2016-06-07

國家自然科學基金資助項目（51677059）