基于混合儲能荷電狀態(tài)的微源并網(wǎng)平滑控制

桂永光

（江蘇安方電力科技有限公司，江蘇 泰州 225300）

0 引 言

實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，清潔能源發(fā)電是一條重要途徑。“十四五”期間，中國新增跨區(qū)輸電通道以輸送清潔能源為主，各地也將大力支持和保障清潔能源發(fā)電能夠及時并網(wǎng)消納。清潔能源輸出功率有較大的波動性，給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行、電能質(zhì)量及調(diào)度控制帶來了巨大的挑戰(zhàn)。儲能在清潔能源發(fā)電中可以實現(xiàn)電能的存儲、削峰填谷、電能質(zhì)量治理、平抑新能源出力波動以及緊急備用等功能[1,2]。

清潔能源發(fā)電系統(tǒng)中的儲能一般分為能量型和功率型兩類[3-6]。以鋰電池、鈉硫電池、液流電池以及鉛酸電池等為代表的能量型儲能介質(zhì)的能量密度較大，響應(yīng)速度較慢，功率密度較小；以超級電容、超導(dǎo)磁儲能和飛輪儲能等為代表的功率型儲能介質(zhì)能量密度較小，功率密度較大，高倍率充放電不會損害其性能。為了同時發(fā)揮儲能的響應(yīng)速度和能量密度，本文將能量型儲能介質(zhì)和功率型儲能介質(zhì)組成混合儲能系統(tǒng)（Hybrid Energy Storage System，HESS）。

獨立微網(wǎng)系統(tǒng)一般與大電網(wǎng)脫離，由于缺少大電網(wǎng)支撐，系統(tǒng)內(nèi)各類分布式電源對系統(tǒng)的電壓和功率產(chǎn)生較大影響。獨立微網(wǎng)系統(tǒng)中也常會出現(xiàn)風(fēng)速降低但負(fù)荷增加的情況，導(dǎo)致系統(tǒng)功率不平衡，電壓失去穩(wěn)定，這時儲能系統(tǒng)將發(fā)揮重要作用。混合儲能系統(tǒng)中電容保證瞬間電壓和功率不變，超級電容可以抑制環(huán)流，緩解電壓頻率偏差的影響，而蓄電池保證中期輸出功率和電壓不變，可以達(dá)到恒功率效果[7]。如果讓儲能系統(tǒng)處于傳統(tǒng)的浮充狀態(tài)，顯然已經(jīng)不能解決分布式電源出力突增和負(fù)荷突降的問題。分布式電源出力越大，對應(yīng)的儲能剩余容量（State Of Charge，SOC）越大，則儲能可輸出的能量越大。

為實現(xiàn)分布式電源最大化利用，避免在微網(wǎng)中防止PCC處功率雙向流動過大，系統(tǒng)震蕩，對注入電網(wǎng)的電流造成很大的波動。本文分析混合儲能系統(tǒng)的SOC，采用超級電容和儲能組合，設(shè)計儲能系統(tǒng)各個時刻的荷電容量，根據(jù)天氣情況和地區(qū)統(tǒng)計風(fēng)速進(jìn)行調(diào)整，使儲能系能夠最大化調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率。

1 混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略

1.1 混合儲能結(jié)構(gòu)

根據(jù)混合儲能系統(tǒng)特點，既可以將蓄電池和超級電容當(dāng)成一個整體實現(xiàn)控制，又可以將超級電容和蓄電池當(dāng)成獨立的分布式電源進(jìn)行獨立控制[8-11]。

圖1為混合儲能系統(tǒng)的一種典型結(jié)構(gòu)，超級電容和蓄電池分別與DC/AC雙向變流器聯(lián)結(jié)然后并聯(lián)到分布式電源輸出端。分布式電源可以是光伏和風(fēng)力發(fā)電機的多種組合，儲能控制系統(tǒng)通過檢測DG的輸出電壓和電流生成控制指令Osc和Obattery，超級電容和蓄電池的工作狀態(tài)信息Sbattery和Ssc實時傳遞給控制器，可以對交流側(cè)電壓和頻率作出快速響應(yīng)。

圖1 電容蓄電池分散控制的儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將超級電容和蓄電池分別看成獨立的清潔能源發(fā)電裝置，可以對其變流器的參數(shù)進(jìn)行獨立配置。儲能系統(tǒng)控制器可以獨立控制超級電容，實現(xiàn)電能質(zhì)量治理，也可以綜合控制超級電容和蓄電池，實現(xiàn)對系統(tǒng)綜合調(diào)節(jié)。此外，該結(jié)構(gòu)還可以獨立控制各個變流器，以滿足各種不同的控制目標(biāo)，最主要的是這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擴容方便，適合大容量儲能系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對超級電容和蓄電池的獨立控制。

根據(jù)蓄電池和超級電容的特點，可以將蓄電池和超級電容當(dāng)成一個整體，甚至可以看成是一個可控的分布式電源。混合儲能系統(tǒng)根據(jù)交流母線和分布式電源的出力情況，通過儲能系統(tǒng)控制器分別調(diào)節(jié)超級電容和蓄電池，實現(xiàn)功率平滑控制。該結(jié)構(gòu)較圖1結(jié)構(gòu)中，用到并網(wǎng)接口較少，但是較難實現(xiàn)對超級電容和蓄電池的單獨控制，具體如圖2所示。

圖2 電容蓄電池集中控制的儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 混合儲能實現(xiàn)功率平滑控制

考慮到清潔能源功率的波動性，結(jié)合蓄電池和超級電容器互補的儲能特性，制定如下適合該混合儲能系統(tǒng)的能量管理策略[4]。為充分發(fā)揮超級電容器瞬間功率密度大、可重復(fù)利用次數(shù)多以及響應(yīng)及時的優(yōu)勢，讓超級電容承擔(dān)電能質(zhì)量治理和瞬間功率波動抑制的功能。此外，蓄電池響應(yīng)速度較慢，但是能量較高，可通過較長時間釋放能量來承擔(dān)系統(tǒng)中功率不平衡的調(diào)節(jié)作用。

為實現(xiàn)分布式能源的并網(wǎng)功率平滑控制，儲能裝置要發(fā)揮功率調(diào)節(jié)作用，恰當(dāng)管理儲能的荷電狀態(tài)剩余容量SOC。通過管理混合儲能的能量，使綠色能源并網(wǎng)接口具有彈簧一樣的功能。例如，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到最大時，風(fēng)力發(fā)電機的儲能對應(yīng)的應(yīng)該是最高荷電狀態(tài)。因為下一時刻風(fēng)速是下降的，對應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電機輸出功率降低，需要儲能裝置輸出功率，通過管理荷電狀態(tài)，這時儲能裝置恰好可以提供最多的電能來應(yīng)對風(fēng)速降低帶來的功率降低，達(dá)到并網(wǎng)功率平滑控制效果。然而，當(dāng)?shù)仫L(fēng)速比較低時，如果對應(yīng)的儲能裝置荷電狀態(tài)SOC接近100%，那么下一時刻風(fēng)速增加，但儲能裝置此時不能再吸收功率，也就失去了功率和電壓的調(diào)節(jié)效應(yīng)。因此有必要管理混合儲能裝置的荷電狀態(tài)，發(fā)揮其調(diào)節(jié)并網(wǎng)電源輸出功率的功能。

2 風(fēng)力微源儲能剩余容量的設(shè)定

風(fēng)力微源儲能剩余容量的設(shè)定中，平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、最小風(fēng)速分別為過去3年的統(tǒng)計平均值。為了防止蓄電池SOC過低影響電池壽命，蓄電池最小剩余容量設(shè)定為30%。

根據(jù)統(tǒng)計年鑒計算平均風(fēng)功率為：

式中，Pavg為風(fēng)力機功率，單位為W；ρ為空氣密度，單位為kg/m3（在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，ρ=1.225 kg/m3）；A是橫截面積，單位為m2；v是垂直吹過截面A的風(fēng)速，單位為m/s。

由于風(fēng)力機功率與風(fēng)速的三次方成正比，因此計算風(fēng)速對應(yīng)的蓄電池負(fù)荷狀態(tài)時以風(fēng)速的三次方進(jìn)行比較。得出平均風(fēng)功率對應(yīng)的實時風(fēng)速v—3和年最大風(fēng)速平均值v3max，年最小風(fēng)速平均值v3min和現(xiàn)在風(fēng)功率比較，為了使方法更具有普遍性，用標(biāo)幺值表示。此外，為了研究方便，本文假定一種理想情況，且不考慮蓄電池充放電壽命，風(fēng)速在一定時間內(nèi)保持穩(wěn)定，蓄電池短期內(nèi)可釋放或吸收較大能量。

通過該地區(qū)歷年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得出該地區(qū)的年最大風(fēng)速平均值為v3max和年最小風(fēng)速平均值為v3min。尋求一種SOC管理策略模型，將風(fēng)速的三次方與儲能系統(tǒng)發(fā)出的功率對應(yīng)起來，滿足在不同的風(fēng)速下儲能系統(tǒng)發(fā)出不同的功率，最大概率地滿足下一時間段儲能系統(tǒng)能夠調(diào)整到最合適的SOC狀態(tài)來應(yīng)對風(fēng)速變化。例如，當(dāng)風(fēng)速已經(jīng)達(dá)到年最大平均風(fēng)速時，其SOC最理想狀態(tài)應(yīng)為90%以上，以應(yīng)對下一時間段風(fēng)速降低。可將v3max與v3min之間的風(fēng)速劃分7個等份，對應(yīng)的風(fēng)速分別是v31、v32、v33…，分別對應(yīng)SOC狀態(tài)的30%、40%、50%、60%、70%、80%以及90%。當(dāng)風(fēng)速v3為年平均值v3max時，SOC=90%。

通過建立風(fēng)速與儲能系統(tǒng)SOC的對應(yīng)關(guān)系，發(fā)揮儲能系統(tǒng)在平抑功率波動中高效靈活的調(diào)節(jié)優(yōu)勢，實現(xiàn)微源并網(wǎng)功率的平滑控制。

3 結(jié) 論

儲能系統(tǒng)對維持獨立微網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有十分重要的作用，本文針對風(fēng)力發(fā)電的微電網(wǎng)系統(tǒng)功率平衡問題，設(shè)計了儲能系統(tǒng)SOC管理策略。通過對不同狀態(tài)和不同環(huán)境下的儲能系統(tǒng)SOC進(jìn)行管理，實現(xiàn)混合儲能系統(tǒng)能量及容量高效利用，實現(xiàn)分布式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)點功率平滑輸出及電能質(zhì)量治理，確保系統(tǒng)運行的安全性及可靠性。