電池儲能系統兩模式協調控制策略

魏 煒，陳 晗，朱 潔，徐 弢，趙 賀，李子衿

（1.天津大學智能電網重點實驗室，天津 300072；2.國網北京市電力公司，北京 100031）

以分布式光伏為代表的可再生能源發電技術具有可靠、清潔環保等優勢，近年來在配電網中的應用規模快速增長。但其固有的隨機波動性以及可控性差的問題，大量接入將對配網安全運行帶來巨大威脅[1]。在配網中通過配置儲能系統減少可再生能源高比例接入帶來的不利影響，已成為學術界和工業界廣泛認可的技術手段。電池儲能系統具有可快速雙向調節功率、充放電模式切換靈活等優勢，在促進可再生能源消納、提高配網安全性等方面發揮積極作用[2?3]，但目前電池儲能系統的造價成本依舊偏高，限制了其在配網中的推廣應用。研究合理的電池儲能系統運行控制策略，在實現對可再生能源功率波動有效平抑的同時提高儲能系統的利用效率，具有重要的現實意義。

風、光等可再生能源發電在不同頻段有不同的波動特性，對電力系統的影響也有所不同。現有研究主要是通過配置混合儲能系統對不同頻段的波動分量予以平抑。文獻[4]提出了一種可再生能源功率高頻分量由系統消納、蓄電池和超級電容分別補償其低頻和中頻分量的控制策略；文獻[5]提出了一種混合儲能容量配置方法，根據樣本周期內不平衡功率低頻和高頻分量的最大幅值確定電池儲能和超級電容的容量配置，但此方法存在儲能系統配置冗余的情況；為應對可再生能源接入給系統安全性帶來的影響，文獻[6?7]提出了一種混合控制策略，其中電池儲能和超級電容分別平抑波動幅度超出并網標準的風電功率信號的分鐘級波動分量和秒級高頻分量；文獻[8]提出了一種最大功率跟蹤和混合儲能協調平抑光伏功率波動策略；文獻[9]提出一種混合儲能控制策略，混合儲能可根據光伏發電波動情況運行于不同模式并協調切換。除此之外，混合儲能還可根據不同儲能類型進行平抑波動和峰谷套利，提高系統運行安全性和經濟性。文獻[4，10]均是采用電池儲能作為能量型儲能進行削峰填谷，提高系統收益以及超級電容作為功率型儲能平抑可再生能源高頻波動的混合儲能配置思路。可以看出，混合儲能在處理可再生能源不同頻段波動分量方面具有良好效果。但混合儲能的組成和運行模式較為固定，存在儲能資源利用不夠充分的問題。實際上，電池儲能系統具有較快的響應速度和較大的能量密度，在平抑可再生能源短期功率波動[5?8，11]和峰谷套利[4，10，12?13]等不同場景均可發揮積極作用。根據系統中可再生能源功率波動情況對電池儲能系統各電池組串的運行模式進行動態分配和靈活調控，以提高電池儲能系統利用效率，具有一定的可行性。

基于上述分析，本文首先建立了一種分布式光伏?電池儲能聯合系統，通過引入本地協調控制系統實現了光伏發電功率波動的預測和分解，以及控制信號的傳遞。在此基礎上，提出了一種電池儲能系統平抑波動?峰谷套利兩模式協調控制策略。根據光伏發電功率中頻波動分量，對電池儲能系統各電池組串的運行模式進行動態分配和靈活調控，在滿足系統平抑波動需求的基礎上，實現系統運行經濟性和電池儲能系統利用水平的提升。

1 分布式光伏-電池儲能聯合系統

為支撐電池儲能系統兩模式協調控制，本文建立了一種分布式光伏?電池儲能聯合系統，其結構如圖1所示。其中，引入本地協調控制系統，其功能主要為：對光伏功率進行超短期預測和頻段分解，向配網調度機構反饋電池組串預分組和運行狀態等信息以及向電池管理系統BMS（battery man?agement system）轉發配網調度機構的功率指令等。協調控制系統可與BMS系統和配網調度機構一起配合，實現光伏發電功率波動平抑以及峰谷套利。考慮到電池儲能系統需響應不同頻段的信號，本文選用磷酸鐵鋰電池，其充電倍數可達3.33，放電倍數高達10.7，深度循環壽命可達到4 700次以上[14]。各電池組串經變流器接入電網，儲能變流器同時接入協調控制系統和BMS系統的控制信號，根據其所在組串運行模式在2個控制信號之間進行切換。

圖1 分布式光伏-電池儲能聯合系統結構Fig.1 Structure of distributed photovoltaic（PV）-battery energy-storage system（BESS）joint system

選取1 min作為光伏發電功率高頻和中頻的分界時間尺度，再選用6層db5小波包對光伏功率信號進行分解，得到對應S6,0頻段的低頻、S6,1～S6,2頻段的中頻和S6,3～S6,63頻段的高頻分量。中頻波動分量由平抑波動模式的電池組串平抑，低頻波動分量由峰谷套利模式的電池組串按照配網調度機構指令控制，高頻波動分量由配電網消納[4?15]。

2 電池儲能系統兩模式協調控制策略

電池儲能系統兩模式協調控制策略可根據分布式光伏的功率波動特性動態調整各電池組串運行模式。基于協調控制系統分解的光伏功率中頻分量，兩模式協調控制原理見圖2。圖中，控制策略主要分為電池組串容量分配策略（實線部分）以及兩模式協調控制策略（虛線部分）兩部分。

圖2 兩模式協調控制原理Fig.2 Principle of two-mode coordinated control

2.1 電池儲能容量分配策略

電池儲能容量分配策略主要用于根據光伏發電預測結果，對下一控制周期各電池組串的運行模式進行預分配。具體步驟如下。

步驟1協調控制系統基于光伏實測歷史數據PPV，開展下一控制周期的光伏發電超短期預測，并將結果上報配網調度機構。

步驟2協調控制系統對光伏預測功率PPVf進行小波分解，得到中頻分量PPVf.mid，并將其峰值發送至BMS系統。

步驟3BMS系統對電池組串按規則進行運行模式分配，協調控制系統對下一控制周期峰谷套利模式的電池組串SOC進行估算，并連同BMS系統反饋信息上報配網調度機構。

第T個控制周期內進行平抑波動和峰谷套利的電池組串數量分別為

式中：nFluc(T)和nEs(T)分別為進行平抑波動和峰谷套利電池組串數量；Pbat.each為每組電池組串變流器額定功率；表示向上取整；nbat為電池組串總數。

因此該控制周期內運行于平抑波動模式和峰谷套利模式的電池組串最大充、放電功率PFluc(T)和PEs(T)及容量WFluc(T)和WEs(T)的求解公式分別為

式中，Wbat.each為每組電池組串額定容量。

協調控制系統對下一控制周期峰谷套利模式的電池組串SOC進行估算，即

式中：EB(T)為電池組串在當前控制周期開始時的電量；Nt為調度周期總數；為第t個調度周期內峰谷套利電池組串的充放電功率，取正表示放電，取負表示充電；Δt為調度周期時長；Δtsam為光伏功率中頻波動采樣間隔；Nm為該控制周期內中頻波動采樣總次數；WB為電池組串容量；為第m個中頻采樣點平抑波動模式電池組串的充放電功率，表達式為

2.2 兩模式協調控制策略

兩模式協調控制策略主要用于根據實時接收到的光伏發電信號，計算平抑波動模式電池組串的功率指令。具體步驟如下。

步驟1BMS系統將平抑波動電池組串變流器控制信號源切換為協調控制系統。

步驟2協調控制系統對實時接收的信號PPV進行小波分解，得到中頻分量PPV.mid，各電池組串充放電功率信號的求解公式為

圖3給出了平抑波動電池組串SOC區域的劃分情況。

圖3 平抑波動模式電池組串SOC區域劃分情況Fig.3 SOC region division of battery series in smoothing fluctuation mode

為避免平抑波動電池組串發生過充/過放的現象，需要根據各電池組串SOC對進行修正，規則如下。

（1）當電池組串SOC在正常區域時，有

然后將SOC尚處于正常區域的平抑波動電池組串按照上述方法進行再次分配，直至PPV.mid分配完畢或所有電池組串均無可分配容量。

步驟3BMS系統接收經由協調控制系統發送的配網調度機構功率指令，下達給峰谷套利的電池組串，并將其信息反饋至配網調度機構。

電池儲能系統兩模式協調控制流程見圖4。

圖4 電池儲能系統兩模式協調控制流程Fig.4 Flow chart of two-mode coordinated control for BESS

3 算例仿真

本文以某地區1 MW裝機容量的光伏電站為研究對象，分別在春季晴朗天氣和多云天氣下，搭建仿真模型來驗證所提電池儲能系統協調控制策略的有效性。其中，電池儲能系統PCS額定功率為500 kW，額定容量為1 500 kW·h，電池組串總數為16，單個電池組的額定功率為31.25 kW[16]，SOC允許范圍為0.15～0.85。各時段分時電價取值情況參見文獻[17]。

不同典型天氣下光伏功率曲線、光伏功率中頻分量幅值曲線以及電池組串分組情況分別如圖5～圖7所示。

圖5 不同典型天氣下光伏功率曲線Fig.5 PV power curves under different typical weather conditions

圖6 不同典型天氣下光伏功率中頻分量幅值曲線Fig.6 PV power intermediate-frequency component curves under different typical weather conditions

圖7 不同典型天氣下電池組串在不同控制周期分組情況Fig.7 Division of battery series in different control cycles under different typical weather conditions

通過圖6和圖7可以看出，與晴朗天氣相比，多云天氣下中頻分量波動幅值更大，在相應時段需要投入更多的電池組串進行平抑波動。晴朗天氣下不同時段光伏中頻分量幅值很小，只需投入1組電池組串參與平抑波動即可。不同天氣條件下電池儲能系統平抑波動前后光伏功率曲線和電池儲能峰谷套利模式的充放電功率曲線分別如圖8和圖9所示。

圖8 不同天氣條件下電池儲能平抑波動前后光伏功率曲線Fig.8 PV power curves before and after smoothing fluctuation by battery energy-storage under different weather conditions

圖9 不同典型天氣下峰谷套利模式電池組串充放電情況Fig.9 Battery series charging and discharging in peakvalley arbitrage mode under different weather conditions

通過圖8可以看出，在不同典型天氣下，電池儲能系統對光伏發電功率的波動均有明顯的平抑效果。尤其是多云天氣條件下，分配為平抑波動模式的電池組串較多，平抑波動的效果更為顯著。

通過圖9可以看出，晴朗天氣條件下，分配為峰谷套利模式的電池組串較多，電池儲能系統可以通過峰谷套利獲取更多的收益。根據文獻[11]所提模型計算系統峰谷套利，多云天氣下峰谷套利為1 241.46元，晴朗天氣下峰谷套利為1 382.75元。

由此可以看出，本文所提電池儲能兩模式協調控制策略能夠根據不同天氣條件下光伏功率波動特性對電池組串靈活分配，在滿足平抑波動要求的前提下實現收益的最大化，儲能系統利用水平也得以提高。

4 結語

本文針對平抑光伏并網功率波動的電池儲能控制策略問題，建立了一種分布式光伏?電池儲能聯合系統，并提出了一種電池儲能系統平抑波動?峰谷套利兩模式協調控制策略，可根據光伏實時發電功率的中頻波動分量，對各電池組串的運行模式進行動態分配和調控。算例結果表明，本文所提控制模型能夠根據光伏波動性變化情況，對電池組串動態分配和靈活調控，滿足系統平抑波動需求的同時，提升電池儲能系統的利用水平和系統經濟性，有利于儲能技術的推廣應用。