微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略研究及其應(yīng)用

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院， 吉林 吉林 132012；2.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 吉林 長(zhǎng)春 130000；3.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000；4.長(zhǎng)春供電公司，吉林 長(zhǎng)春 130000)

1 引言

隨著霧霾、大氣溫度上升及化石資源短缺等環(huán)境問題進(jìn)一步惡化，大力發(fā)展新型的清潔可再生能源已不可避免[1]。但是風(fēng)速、光照等自然資源具有強(qiáng)間歇性，從而導(dǎo)致相關(guān)機(jī)組發(fā)電的功率出力具有明顯的不確定性，在接入電網(wǎng)的同時(shí)不可避免的對(duì)電網(wǎng)整體的優(yōu)化、運(yùn)行及調(diào)度等工作帶來一定的挑戰(zhàn)，限制了其大規(guī)模的發(fā)展[2-3]。微電網(wǎng)(Micro-grid,MG)作為一種新型的發(fā)電模式，其因?yàn)楹谐湓５膬?chǔ)能系統(tǒng)容量配置，能在一定程度上緩解風(fēng)、光發(fā)電的波動(dòng)幅度，為其接入電網(wǎng)提供相關(guān)便利。

儲(chǔ)能技術(shù)因?yàn)槠鋼碛幸欢üβ势交阅?，最近幾年得到了大量學(xué)者們的關(guān)注，由于它可以對(duì)間歇性出力資源的輸出功率進(jìn)行一定程度平滑，因此其在間歇性能源發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域取得了巨大的成功和應(yīng)用[4]。但是單一類型的儲(chǔ)能技術(shù)因?yàn)槠溥\(yùn)行成本高、使用場(chǎng)合要求高和平滑效果差等因數(shù)的影響，具有一定的局限性，從根本上限制了其大規(guī)模發(fā)展[5]。相比于單一儲(chǔ)能方式來說，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)(Hybrid Energy Storage System，HESS)具有無法比擬的優(yōu)勢(shì)，能更好、更快速的對(duì)外部功率特性曲線進(jìn)行動(dòng)態(tài)平滑，是現(xiàn)有微電網(wǎng)儲(chǔ)能方式發(fā)展的一種新型有效手段[6-7]。文獻(xiàn)[8]建立了混合儲(chǔ)能的數(shù)學(xué)模型，提出一種MG中混合儲(chǔ)能的優(yōu)化配置數(shù)學(xué)模型，利用粒子群算法進(jìn)行模型求解，有效改善了MG中的各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)。文獻(xiàn)[9]搭建了蓄電池-超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能模型，并提出了一種基于二階低通濾波法的混合儲(chǔ)能控制策略，該策略能夠?qū)夥娬境隽?shí)現(xiàn)有效平滑。文獻(xiàn)[10]在搭建蓄電池-超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能模塊的基礎(chǔ)上，對(duì)電池內(nèi)部的充放電深度進(jìn)行合理估算，同時(shí)建立混合儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合成本最小的微電網(wǎng)優(yōu)化配置模型，利用粒子群算法進(jìn)行問題求解，具有很好的經(jīng)濟(jì)性能。以上文獻(xiàn)深度分析混合儲(chǔ)能在平滑微電網(wǎng)間歇性資源出力問題，具有很好的工程實(shí)用價(jià)值。

本文結(jié)合現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上搭建磷酸鐵鋰電池和超級(jí)電容器的混合儲(chǔ)能模型；設(shè)計(jì)一種基于二階低通濾波器原理的功率分配策略，合理分配儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置功率及容量；建立考慮微電網(wǎng)源荷側(cè)不確定性出力的風(fēng)力、光伏和負(fù)荷模型，分析搭建的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在平滑微電網(wǎng)不確定出力上的高效性。

2 微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)工作特性分析

2.1 鋰電池工作特性分析

常用的評(píng)價(jià)鋰電池工作的性能參數(shù)主要有電池容量、荷電狀態(tài)、放電深度，其對(duì)應(yīng)的基本概念如下：

(1)電池容量

鋰電池的電池容量就是在恒定的放電狀態(tài)下，當(dāng)其對(duì)應(yīng)的端電壓下降到臨界電壓的時(shí)刻，所釋放出來的總電量，其對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式為：

Cdis=Idistdis

(1)

式中：Idis為放電電流(A)；tdis為放電時(shí)間；Cdis為鋰電池的放電容量(Ah)。

若放電過程中的放電電流非恒定，則需要采用積分的處理手段來計(jì)算其電池容量：

(2)

(2)荷電狀態(tài)

鋰電池的SOC指標(biāo)常用于評(píng)估其在充放電狀態(tài)下的實(shí)時(shí)剩余電量，其對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式如下：

(3)

式中：QR為評(píng)估時(shí)刻下鋰電池剩余電量；Qsum為評(píng)估時(shí)刻下鋰電池的最大釋放容量。

如果將電池充滿電狀態(tài)定義為SOC=1，那么：

Qsum=QR+Q

(4)

結(jié)合公式(4)，荷電狀態(tài)的另外一種表達(dá)形式為：

(5)

式中：Q評(píng)估時(shí)刻下已釋放電量。

(3)放電深度

鋰電池的放電深度(depth of discharge，DOD)是指當(dāng)前時(shí)刻下所釋放出來的電量和能全部釋放總電量的比值，其對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式如下：

(6)

DOD=1-SOC

(7)

2.2 超級(jí)電容器工作特性分析

超級(jí)電容器的電容大小與自身能存電量多少密切相關(guān)，本文將超級(jí)電容等效成一個(gè)理想電容和一個(gè)電阻并聯(lián)，再與一個(gè)小電阻串聯(lián)的形式，其對(duì)應(yīng)的本征容量C定義為：

(8)

對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型如下：

通過實(shí)驗(yàn)來確定C=C(T(t),I(t))和R=R(T(t),I(t))，然后定義下式：

(9)

那么超級(jí)電容的端電壓U和其開路電壓Uc可得：

(10)

式中：U0為超級(jí)電容初始電壓；Ileak為漏電流；R為等效內(nèi)阻；C為本征容量；t為充放電時(shí)間。

參照荷電狀態(tài)的定義，超級(jí)電容器的SOC可以表示為：

(11)

式中：Qremain表示殘余電量；Qtotal表示總電量。

3 混合儲(chǔ)能模塊搭建

本文搭建的混合儲(chǔ)能模塊中鋰電池等效為一個(gè)理想電壓源和一個(gè)其對(duì)應(yīng)的電阻串聯(lián)模塊，與此同時(shí)，超級(jí)電容器等效為一個(gè)理想電容和一個(gè)小電阻串聯(lián)模塊，同時(shí)通過功率變化器將鋰電池和超級(jí)電容器并聯(lián)，構(gòu)成本文的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)

圖1中混合儲(chǔ)能系統(tǒng)首先通過DC-AC變換器將直流源轉(zhuǎn)化為交流源，再通過升壓變壓器單相接入電壓等級(jí)為10kV的交流微電網(wǎng)中，其中鋰電池模塊與超級(jí)電容模塊借助于DC-DC變流器并聯(lián)接在一起，免去了鋰電池兩端電壓和超級(jí)電容的電壓要求必須一致的限制，該混合儲(chǔ)能系統(tǒng)首先將超級(jí)電容器放置前段，與DC/AC變流器相連，充分發(fā)揮了功率密度大、相應(yīng)時(shí)間短、可承受充放電次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，通過主動(dòng)控制功率開關(guān)VT1、VT2來精確的控制鋰電池的輸出功率，優(yōu)化其工作狀態(tài)，從而避免過大功率、過于頻繁的對(duì)鋰電池進(jìn)行充放電。圖1中的并網(wǎng)控制器通過采集微電網(wǎng)側(cè)的交流母線電壓來生成儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出電流的參考值，然后再同實(shí)際輸出值相比較產(chǎn)生控制DC/AC變流器的SVPWM信號(hào)。而控制鋰電池放電的DC/DC變流器中的SVPWM信號(hào)則是通過電流控制器采集的超級(jí)電容器端電壓和并網(wǎng)控制器給出的充放電信號(hào)來生成輸出電流參考值，同實(shí)際值進(jìn)行比較而產(chǎn)生的。

4 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配策略

微電網(wǎng)中風(fēng)、光互補(bǔ)系統(tǒng)能在一定程度上減少單一微電源的波動(dòng)幅度，有效提高微網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，但是受外部環(huán)境因數(shù)的影響，其出力任然存在較強(qiáng)波動(dòng)，對(duì)微網(wǎng)合理運(yùn)行埋下潛在隱患。利用二階低通濾波原理對(duì)混合儲(chǔ)能功率進(jìn)行分配，合理發(fā)揮各儲(chǔ)能設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。不考慮系統(tǒng)損耗因數(shù)的影響，微電網(wǎng)中風(fēng)、光微電源的功率出力之和可以表述為：

PMC(t)=Pwind(t)+Psolar(t)=PHESS(t)+Pun(t)

(12)

式中：PMC(t)為t時(shí)刻微網(wǎng)實(shí)際輸出的有功功率PHESS(t)為t時(shí)刻微網(wǎng)混合儲(chǔ)能吞吐的有功功率；Pun(t)為t時(shí)刻微網(wǎng)總輸出有功功率的一次目標(biāo)值。

混合儲(chǔ)能的吞吐功率值與微網(wǎng)實(shí)際有功功率輸出值和接入電網(wǎng)的一次目標(biāo)值密切相關(guān)，若PMC(t)小于Pun(t)時(shí)，混合儲(chǔ)能應(yīng)釋放部分電量以補(bǔ)償微網(wǎng)的有功功率；若PMC(t)大于Pun(t)時(shí)，混合儲(chǔ)能應(yīng)吸收部分電量以儲(chǔ)存微網(wǎng)的有功功率。

在對(duì)兩種儲(chǔ)能裝置進(jìn)行功率分配研究之前，首先需要對(duì)原始輸出功率進(jìn)行頻譜分析。利用傅里葉變換手段對(duì)原始輸出的隨機(jī)波動(dòng)功率數(shù)值進(jìn)行變換，得到其對(duì)應(yīng)的功率波動(dòng)頻譜圖如圖2所示。

圖2 傅里葉變換后的原始功率頻譜

本文利用二階低通濾波器原理對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)功率進(jìn)行分配。由圖3所示，Pun(t)為原始輸出功率、PSC(t)為超級(jí)電容器運(yùn)行功率、PBAT(t)為鋰電池運(yùn)行功率，經(jīng)微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑后的并網(wǎng)功率波動(dòng)量大小由fBAT所決定，超級(jí)電容器與鋰電池的功率波動(dòng)平抑范圍由超級(jí)電容器的低通濾波截止頻率fSC決定。

根據(jù)確定的各自平抑范圍選擇與之對(duì)應(yīng)低通濾波時(shí)間常數(shù)。二者的運(yùn)行功率計(jì)算公式如下：

圖3 二階低通濾波器功率分配原理

(13)

(14)

5 微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)沖放電控制方法

對(duì)MG中HESS的每個(gè)儲(chǔ)能單元的充放電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)能減少其發(fā)生過充或過放的現(xiàn)象，有效提高M(jìn)G中HESS的工作效率并延長(zhǎng)其使用壽命。本文考慮各儲(chǔ)能單元的電量裕度，對(duì)混合儲(chǔ)能單元中鋰電池和超級(jí)電容器的實(shí)時(shí)SOC進(jìn)行估計(jì)，合理的安排各儲(chǔ)能裝置所承擔(dān)的充放電任務(wù)。

(1)當(dāng)PHESS<0時(shí)

若混合儲(chǔ)能模塊中第i個(gè)電池的DOD值滿足DODi≥DODmax，表示這個(gè)所對(duì)應(yīng)的電池?zé)o法繼續(xù)放電，則雙向變流器上流動(dòng)的功率為：

PHESS-i(t)=0

(15)

若混合儲(chǔ)能模塊第j個(gè)電池的DOD值滿足DODj

PHESS-j=-PHESS(t)

(16)

式中:CHESS-j為第j個(gè)儲(chǔ)能單元的基本容量；CHESS-j(DODmax-DODj)為第j個(gè)儲(chǔ)能單元剩余容量。

(2)當(dāng)PHESS>0時(shí)

若混合儲(chǔ)能模塊第i個(gè)電池的SOC值滿足SOCi>SOCmax，表示這個(gè)所對(duì)應(yīng)的電池?zé)o法繼續(xù)充電，則雙向變流器上流動(dòng)的功率為：

PHESS-i(t)=0

(17)

若混合儲(chǔ)能模塊第j個(gè)電池的SOC值滿足SOCj

PHESS-j=PHESS(t)

(18)

式中：CHESS-j(SOCmax-SOCj)為第j個(gè)儲(chǔ)能單元的可充電容量。

6 算例分析

6.1 混合儲(chǔ)能模型分析

圖4是在simulink中所搭建的單個(gè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真電路，其對(duì)應(yīng)額定安裝容量為500kW，其中單個(gè)超級(jí)電容器電芯型號(hào)為2.7V/200uf，單個(gè)鋰電池型號(hào)為2.7V/20Ah，500kW混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中每一個(gè)電池模塊由10個(gè)電芯串聯(lián)，6個(gè)電芯并聯(lián)組合，其對(duì)應(yīng)的端電壓為27V，端電流為120A，500kW混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中每一簇電池模塊由26個(gè)電池模塊組成，其對(duì)應(yīng)的額定電壓為702V，額定電流為760A，混合儲(chǔ)能模塊通過Boost電路級(jí)聯(lián)在一起，并通過PCS控制電路接入電網(wǎng)。

圖4 儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真模型

運(yùn)行Matlab/Simulink中搭建的儲(chǔ)能部分仿真電路。首先，對(duì)DC/DC電路輸出電壓進(jìn)行分析，圖5中給出了DC/DC電路仿真運(yùn)行結(jié)果。

圖5 DC/DC電路電壓運(yùn)行結(jié)果

可以看出，圖5中直流電壓經(jīng)升壓環(huán)節(jié)被調(diào)制為700V，調(diào)節(jié)過程迅速且無超調(diào)，表明DC/DC控制環(huán)節(jié)電壓外環(huán)調(diào)節(jié)的有效性。

并網(wǎng)逆變器微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能與交流電網(wǎng)交互的橋梁，其運(yùn)行性能直接決定了微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)波動(dòng)電網(wǎng)支撐的有效性。圖6中給出了小功率支撐下并網(wǎng)逆變器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行仿真結(jié)果。

圖6 小功率支撐下并網(wǎng)逆變器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行結(jié)果

可以看出，并網(wǎng)逆變器穩(wěn)態(tài)電壓、電流分布規(guī)律，其中圖6(a)穩(wěn)態(tài)線電壓呈PWM波形特性，圖6(b)穩(wěn)態(tài)電流呈高正弦度特性，且總畸變率小于5%，滿足并網(wǎng)電流運(yùn)行要求。

6.2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用

為驗(yàn)證所采用的功率波動(dòng)平抑策略及所設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置策略的合理性，給儲(chǔ)能系統(tǒng)提供一個(gè)類似于微電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)刻的波動(dòng)頻率，時(shí)間常數(shù)設(shè)置為2400s，原始風(fēng)力和光伏出力數(shù)據(jù)從matlab調(diào)用函數(shù)中直接導(dǎo)入至simulink數(shù)據(jù)組中，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)配置總?cè)萘坎怀^分布式資源的10%，取其值為7MW，考慮到單個(gè)混合儲(chǔ)能模塊的額定容量?jī)H為500kW，因此需要并聯(lián)10個(gè)混合儲(chǔ)能單元才能滿足實(shí)驗(yàn)要求。對(duì)一組隨機(jī)生成的風(fēng)、光不確定性功率出力進(jìn)行平滑處理，原始風(fēng)、光功率波形分布情況如圖7所示。經(jīng)過HESS平抑后的波形分布情況如圖8所示。

由圖8可知，在平滑原始功率波動(dòng)性方面，采用HESS處理的效果比采用超級(jí)電容器的效果更佳，是因?yàn)镸G中HESS的能量密度相對(duì)于單一儲(chǔ)能方式來說有很大改善。最終輸出的功率波形滿足系統(tǒng)調(diào)度需求，證明了所搭建儲(chǔ)能系統(tǒng)具有平抑功率波動(dòng)的功能。

圖7 原始并網(wǎng)功率分布情況

圖8 經(jīng)HESS平抑后并網(wǎng)功率分布情況

將超級(jí)電容和鋰電池的充放電功率波形提取出來單獨(dú)對(duì)比，兩者的充放電曲線分布分別如圖9、圖10所示。

觀察對(duì)比兩組波形可以發(fā)現(xiàn)，圖9中超級(jí)電容每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的充放電量大且更加頻繁；圖10中鋰電池各個(gè)時(shí)間點(diǎn)充放電電量較小且頻率低。原因是因?yàn)楸疚牡腍ESS采用二階濾波原理，首先第一階主要利用超級(jí)電容器平滑原始輸出功率的高頻波動(dòng)分量及系統(tǒng)需要快速響應(yīng)時(shí)鋰電池的功率響應(yīng)延遲量，然后再由第二階的鋰電池對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的平滑。這樣的設(shè)計(jì)可以高效的利用超級(jí)電容的特點(diǎn)，保證以鋰電池在正常工作為前提，緩解其過多的充放電的壓力，有效地增加了鋰電池的效率運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。

圖9 超級(jí)電容器充放電功率波形

圖10 鋰電池的充放電功率波形

7 結(jié)論

本文基于二階低通濾波法配置超級(jí)電容器與鋰電池的功率及容量，在充分考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作特性的前提下，同時(shí)考慮儲(chǔ)能單元的放電深度以及荷電狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)充放電狀態(tài)的影響，對(duì)鋰電池和超級(jí)電容的平抑功率進(jìn)行合理分配。仿真算例結(jié)果驗(yàn)證了該混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠在有效平抑功率波動(dòng)的前提下優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，超級(jí)電容高頻率快速的充放功率，承擔(dān)了更多高頻波動(dòng)平抑任務(wù)。此復(fù)合式儲(chǔ)能組合有效降低了鋰電池的充放電次數(shù)，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，延長(zhǎng)了鋰電池運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。