平抑新能源功率波動的混合儲能協調控制策略

(1.江蘇沙河抽水蓄能發電有限公司，江蘇溧陽，213300； 2.南京四方億能電力自動化有限公司，江蘇南京，211111)

1 引言

儲能系統在微電網的構建和運行中起到了十分重要的作用。就目前國內外的研究現狀來看，各種儲能技術在能量密度、功率密度、響應速度和系統容量等方面均具有不同的表現。因此，需要選擇匹配的儲能方式與電力系統不同需求相應用。針對不同類型的儲能系統的應用場合和目的，混合儲能系統在不同時間尺度上的協調運行是目前的研究熱點內容之一。

本課題重點研究了蓄電池-超級電容混合儲能協調控制在微電網整體運行中的實現方法，針對混合儲能系統在微電網不同運行狀態下的控制策略提出了相應的解決方案，并在混合實驗平臺與實際項目中針對所提相關控制策略進行實驗驗證。

2 混合儲能系統控制架構

混合儲能系統控制分為中央管理系統控制和本地協調控制兩個層次。其中，中央管理系統收集全系統的運行狀態，優化計算后給本地協調控制器發出功率輸出指令，實現整個微網功率的分配和調度。本地協調控制器接收中央管理單元指令后，基于混合儲能單元的輸出特性和SOC，通過兩級控制策略分配出蓄電池和超級電容的輸出功率，同時將混合儲能的實際輸出與指令值偏差及蓄電池SOC反饋至微網的中央管理系統，中央管理系統重新調整微網功率結構，使微網達到新的功率平衡。微網典型的混合儲能結構如圖1所示。

該微網包含風力發電系統、光伏發電系統、負荷和混合儲能系統，并采用靜態切換開關在公共連接點與主網相連。其中，蓄電池組和超級電容組分別通過兩套獨立的電力電子裝置接入微網系統中。兩套電力電子裝置都由一個雙向DC/DC和一個雙向DC/AC構成，其中DC/DC用來穩定PWM變流器電壓，提高其的輸出效率，DC/AC是PWM變流器，采用功率跟蹤控制，可按外界指定的功率或自身設定的功率輸出。

圖1 微網系統的結構

混合儲能系統的兩級功率分配控制原理圖如圖2所示。

圖2 混合儲能功率分配原理圖

由圖2可知，第1級控制是利用一階低通濾波器分離出混合儲能總功率需求中的高頻分量和低頻分量，其目的是用超級電容來承擔微網的功率的高頻波動，從而降低蓄電池充放電環次數，提高蓄電池使用壽命；第2級控制是基于蓄電池和超級電容SOC對第1級分配的功率進行限制和優化，利用蓄電池的能量來優化超級電容SOC，改變微網對儲能的功率需求來優化蓄電池SOC，其目的就是將蓄電池和超級電容的SOC調整到合理的工作范圍內，第2級控制最終得到二者的最終輸出功率目標，同時還得出優化功率偏差，將其與蓄電池SOC一起反饋給中央管理單元，調節微網對混合儲能的總輸出需求，這樣整個儲能系統的控制構成一個功率閉環控制系統，從而提高了微網的穩定性和可靠性。

具體實施方式如下：

①第1級控制：

(1)

(2)

其中，T是一階低通濾波器、慣性時間常數。

②第2級控制：

(3)

3 混合儲能平抑風電波動協調優化控制方法

傳統方法如圖3所示。

(a)系統結構圖

(b) 平抑功率波動分配方法圖3 傳統的混合儲能平抑風電功率系統

圖3中的分配方法雖然能平抑風電功率波動，但沒考慮不周全，在使用過程中會出現過充/放電現象，從而影響系統的響應能力和使用期限。

針對混合儲能的兩級多時間尺度平抑方法進行了優化改進研究，改進的控制方法的總流程框圖如圖4所示：

圖4 改進的混合儲能系統協調優化控制方法框圖

2.1 變濾波時間常數的模糊控制方法

采用時間常數T1，以避免系統的過充與過放，從而提高系統的使用時間，其控制目標主要包括平抑后混合儲能功率指令的理想值和實時值功率差最小和使蓄電池剩余能量能夠有效的平抑下一時刻功率波動。

蓄電池的荷電狀態SOCb(t)及混合儲能的初始功率指令PHESS_initial(t)是影響濾波時間常數的兩個重要因素，對它們進行標準化處理后，可以得到變量X1(t)和X2(t)：

(4)

(5)

式中，PB_max(t)表示蓄電池t時刻最大充放電功率。

輸入隸屬函數和輸出隸屬度函數如圖 5所示：

根據輸入X1(t)和X2(t)所對應的模糊子集，建立如表1所示的模糊控制規則，由此可以得到時間修正系數ΔS的模糊集合。

圖5 隸屬函數

X1X2NBNSNSSPSSPSPBNBPBPMPSNBNBNBNSPMPMPSNSNMNBZEZEZEZEZEZEZEPSNBNMNSPSPMPMPBNBNBNBPSPMPB

采用重心法計算得到 時刻濾波時間常數的修正系數ΔS(t)：

(6)

變濾波時間常數的基本步驟如下：

①儲能系統的功率指令PHESS_initial(t)。

(7)

②計算當前時刻濾波時間常數T1=T0(1+ΔS(t))。

③根據濾波時間常數T1，重新計算出當前時刻最終的風電并網功率及混合儲能系統功率指令PHESS(t)。

3.2 混合儲能的功率轉移協調控制方法

設超級電容SOC模糊子集：{LL, L, M, H, HH}。

(8)

根據上式判斷x的隸屬度，由下表得到功率轉移系數α：

功率轉移系數模糊規則表

轉移功率ΔPcb(t)的計算公式：

ΔPcb(t)=αPSCN

(9)

式中：PSCN為電容額定功率。當ΔPcb(t)>0時，電容向蓄電池轉移功率，當ΔPcb(t)<0時，蓄電池向電容轉移功率。

系統功率指令PHESS(t)經過低通濾波器后得到蓄電池初始目標功率PB_initial(t)和超級電容的初始目標功率PC_initial(t)，以此為基礎，根據電容的SOC進行功率轉移ΔPcb(t)，實現控制目標，基本方法如下：

①SOCsc(t)，根據上式計算ΔPcb(t)，根據SOCsc(t)及PC_initial(t)，進行功率轉移：

②經過超級電容實時最大允許充放電功率限制，計算PC_end(t)：

PC_mid(t)>PC_dmax(t)

PC_mid(t)

(30)

PC_mid(t)<-PC_cmax(t)

③計算ΔPcs，計算公式如下：

ΔPcs(t)=PC_initial(t)-PC_end(t)

(41)

此功率差將由蓄電池來承擔，讓蓄電池來調整超級電容的SOC.

④結合以上方法，算出目標功率PB_mid(t)，計算公式為：

PB_mid=PB_initial(t)+ΔPcs(t)

(12)

考慮蓄電池充放電功率限制，PB_end(t)計算如下：

PB_mid(t)>PB_dmax(t)

PB_mid(t)

(13)

PB_mid(t)<-PB_cmax(t)

4 試點應用

浙江溫州某微電網系統共接入風力發電單元1MW和光伏發電單元1MW。由于風光等可再生能源發電都在不同程度上受到氣候因素的影響，氣候的不確定性和隨機性會造成風速和光照強度的多變，從而引起可再生能源發電系統輸出功率的波動甚至導致整個系統的功率失衡。傳統研究多采用配備單一儲能介質儲能系統來平抑可再生能源波動并取得一定的效果，但在具體實施過程中還存在很多問題，不能較好達到快速平抑的目標。海島工程采用了蓄電池-超級電容互補儲能系統及其方法，充分利用優勢，克服缺陷。海島供電系統采取雙微網結構，如圖6所示，可再生能源以集中式與分布式相結合方式接入風力發電與光伏發電單元，使得運行控制模式更加靈活。

海島工程中631子微網接入1MW光伏發電系統和0.5MW風力發電系統，配置1MW蓄電池儲能系統和500kW超級電容儲能系統；632子微網接入0.5MW風力發電系統，配置1MW蓄電池儲能系統和500kW超級電容儲能系統。互補協調控制器在分析處理可再生能源發電系統輸出功率數據的基礎上，給出針對蓄電池和超級電容的不同動作指令從而達到快速平抑輸出波動的目標。

圖6 海島工程示范微網結構

圖7 混合儲能功率分配控制策略原理圖

圖7是海島混合儲能系統功率分配控制策略原理圖。由圖可知，第1級控制是利用一階低通濾波器分離出混合儲能總功率需求中的高頻分量和低頻分量，其目的是用超級電容來承擔微網的功率的高頻波動，從而降低蓄電池充放電環次數，提高蓄電池使用壽命；第2級控制是基于蓄電池和超級電容SOC對第1級分配的功率進行限制和優化，利用蓄電池的能量來優化超級電容SOC，改變微網對儲能的功率需求來優化蓄電池SOC，其目的就是將蓄電池和超級電容的SOC調整到合理的工作范圍內，第2級控制最終得到二者的最終輸出功率目標，同時還得出優化功率偏差，將其與蓄電池SOC一起反饋給中央管理單元，調節微網對混合儲能的總輸出需求，這樣整個儲能系統的控制構成一個功率閉環控制系統，從而提高了微網的穩定性和可靠性。

以海島工程631子微網儲能系統為例，圖8表示工程實際蓄電池的功率與參考功率值存在一定的偏差，主要是因為儲能電池響應時間段導致。

圖8 混合儲能功率(/10kW)

圖9 蓄電池參考功率與實際功率(/10kW)

圖10驗證了超級電容反映快速的特點。

圖10 超級電容參考規律與實際功率(/10kW)

5 結論

根據示范工程的投運至今的運行情況來看，課題所提出的混合儲能系統協調控制策略，混合儲能系統對于風光發電單元輸出功率波動平抑效果良好，同時超級電容儲能系統的投入運行可以大大減小蓄電池儲能系統每天的平均充放電次數，提高了蓄電池儲能系統的使用壽命，從而降低了儲能系統的使用成本，提高了微電網發用電的經濟性。