劉　青，樊世通，付　超，王　慧，李春來(lái)

（1.華北電力大學(xué)新能源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，保定 071003；2.青海省光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810000）

基于SOC反饋調(diào)節(jié)的儲(chǔ)能平抑光伏功率應(yīng)用

劉青1，樊世通1，付超1，王慧1，李春來(lái)2

（1.華北電力大學(xué)新能源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，保定 071003；2.青海省光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810000）

儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)平抑光伏功率波動(dòng)具有重要的作用。采用蓄電池與超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能，并根據(jù)蓄電池與超級(jí)電容器性能特點(diǎn)的不同，提出了基于低通濾波的混合儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制方案及平抑光伏功率波動(dòng)的控制策略。為防止蓄電池過(guò)度充放電，提出了SOC反饋調(diào)節(jié)蓄電池充放電濾波參數(shù)的方案，在保證混合儲(chǔ)能能夠平抑光伏功率的同時(shí)，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)光伏功率增加或突降時(shí)，混合儲(chǔ)能可及時(shí)調(diào)整輸出功率，補(bǔ)償光伏功率缺額；當(dāng)蓄電池SOC過(guò)高時(shí)，蓄電池可減少出力，防止蓄電池過(guò)充。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提策略的可行性。

混合儲(chǔ)能；光伏發(fā)電；低通濾波；協(xié)調(diào)控制；反饋調(diào)節(jié)；荷電狀態(tài)

隨著傳統(tǒng)能源的消耗日益增加，資源緊缺與環(huán)境污染問(wèn)題成為了世界關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題［1-3］。光伏發(fā)電為解決資源與環(huán)境問(wèn)題提供了有效途徑。由于光伏發(fā)電的間歇性與不確定性，為其配置儲(chǔ)能裝置，對(duì)穩(wěn)定光伏功率輸出具有重要的意義［4-5］?？紤]蓄電池具有容量大，能量密度高，造價(jià)低等特點(diǎn)，同時(shí)超級(jí)電容器功率響應(yīng)速度快，大功率輸出能力強(qiáng)，循環(huán)壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，采用蓄電池與超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能方式，可大幅度提高儲(chǔ)能裝置的峰值功率輸出和輸入能力，降低內(nèi)部損耗，是平抑光伏功率波動(dòng)的有效手段［6-8］。

文獻(xiàn)［9］根據(jù)光伏功率特性，通過(guò)低通濾波將光伏功率波動(dòng)分為低頻波動(dòng)和高頻波動(dòng)，以此設(shè)計(jì)蓄電池與超級(jí)電容器容量，并采用蓄電池補(bǔ)償?shù)皖l功率波動(dòng)達(dá)到平滑光伏功率的目的。文獻(xiàn)［10］在混合儲(chǔ)能的光儲(chǔ)微電網(wǎng)基礎(chǔ)上，提出了基于分頻作用的協(xié)調(diào)控制策略，進(jìn)而完成蓄電池與超級(jí)電容器的分頻協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)［11］中，蓄電池采用功率外環(huán)方式，平抑低頻光伏功率波動(dòng)，同時(shí)，超級(jí)電容器采用電壓外環(huán)，維持直流母線電壓穩(wěn)定，從而平抑高頻風(fēng)電功率波動(dòng)。文獻(xiàn)［12］提出了基于蓄電池荷電狀態(tài)SOC（state of charge）實(shí)時(shí)調(diào)整濾波時(shí)間常數(shù)方法，但只考慮了蓄電池對(duì)光伏的平抑作用，當(dāng)蓄電池能量過(guò)高或過(guò)低時(shí)，平抑光伏功率波動(dòng)效果明顯降低。文獻(xiàn)［13］中，為延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，設(shè)計(jì)了蓄電池滯環(huán)電流控制器。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)蓄電池與超級(jí)電容器性能特點(diǎn)的不同［14-17］，提出了基于低通濾波的混合儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制方案及平抑光伏功率波動(dòng)的控制策略。同時(shí)為防止蓄電池過(guò)度充放電，提出了SOC反饋調(diào)節(jié)蓄電池充放電濾波參數(shù)的方案，在保證混合儲(chǔ)能能夠平抑光伏功率的同時(shí)，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

1　混合儲(chǔ)能接入方式

儲(chǔ)能接入光伏發(fā)電系統(tǒng)可采用直流側(cè)接入和交流側(cè)接入，本文采用直流側(cè)接入方式。圖1為混合儲(chǔ)能接入光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，Ppv為光伏在最大功率跟蹤策略下輸出的功率，PB為蓄電池功率，PC為超級(jí)電容器功率。其中，光伏側(cè)DC/DC變換器用作最大功率點(diǎn)跟蹤控制，保證對(duì)光照資源的最大利用，并網(wǎng)逆變器DC/AC采用定電壓控制，維持直流母線電壓穩(wěn)定，保證光儲(chǔ)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地輸出功率?；旌蟽?chǔ)能由鉛酸蓄電池、超級(jí)電容器組成，各自通過(guò)雙向DC/DC變換器接入直流母線，根據(jù)直流母線功率變化，調(diào)節(jié)混合儲(chǔ)能功率輸出，從而平抑光伏發(fā)電的功率波動(dòng)。

圖1　混合儲(chǔ)能接入光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1　Hybrid energy storage connected to photovoltaic system structure

2　混合儲(chǔ)能控制策略

2.1混合儲(chǔ)能平抑光伏功率波動(dòng)控制方法

蓄電池和超級(jí)電容器兩者在性能特點(diǎn)上相互補(bǔ)充，蓄電池是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能裝置，功率密度小，能量密度高，在控制時(shí)宜采用較長(zhǎng)的時(shí)間尺度，用于平抑低頻光伏功率波動(dòng)；超級(jí)電容器是快速儲(chǔ)能裝置，功率密度高，能量密度低，在控制時(shí)宜采用較小的時(shí)間尺度，用于平抑高頻光伏功率波動(dòng)。

本文基于低通濾波對(duì)混合儲(chǔ)能進(jìn)行控制。當(dāng)光伏功率Ppv經(jīng)過(guò)低通濾波器輸出光伏發(fā)電功率的參考值Ppv_ref，如式（1）所示，Ppv_ref與Ppv的差值為混合儲(chǔ)能的功率參考值Psto_ref，如式（2）所示。

分別取τ1=100，τ2=70，τ3=50，由圖2可知，τ越大截止頻率ω越小，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)所補(bǔ)償?shù)念l率范圍就越大，其輸出功率就越大，經(jīng)濾波器的輸出信號(hào)越平滑，但對(duì)混合儲(chǔ)能容量要求更高。

圖2　不同時(shí)間常數(shù)下的波特圖Fig.2　Bode curve with different time constants

將式（1）中的s用d/dt來(lái)表示，經(jīng)過(guò)差分后可以將其離散化為

式中：Ts為計(jì)算周期，在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，Ts是固定的。由式（5）可知，下一時(shí)刻的混合儲(chǔ)能輸出功率參考值Psto_ref（k+1）與當(dāng)前時(shí)刻的儲(chǔ)能輸出功率的參考值Psto_ref（k）、下一時(shí)刻光伏輸出功率與當(dāng)前時(shí)刻的光伏功率的差值ΔPpv和τ有關(guān)。

根據(jù)蓄電池與超級(jí)電容器的控制時(shí)間尺度不同，蓄電池的控制周期TBs大于超級(jí)電容器的控制周期TCs，并根據(jù)各自的容量，選擇不同的時(shí)間常數(shù)τB與τC，從而達(dá)到蓄電池平抑低頻功率波動(dòng)，超級(jí)電容器平抑高頻功率波動(dòng)的目的。

基于低通濾波器的混合儲(chǔ)能控制策略如圖3所示。當(dāng)光伏功率波動(dòng)時(shí)，由于蓄電池控制周期TBs大于超級(jí)電容器控制周期TCs，且蓄電池功率響應(yīng)速度較慢，超級(jí)電容器首先檢測(cè)蓄電池與光伏功率之和，根據(jù)Δ（Ppv+PB）與τC計(jì)算超級(jí)電容器功率參考值PC_ref，然后與超級(jí)電容器端壓相除得到電流的給定值IC_ref，與超級(jí)電容器反饋電流經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器輸出調(diào)制波，經(jīng)過(guò)PWM生成單元輸出PWM波驅(qū)動(dòng)IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，使超級(jí)電容器輸出給定功率。當(dāng)達(dá)到蓄電池控制周期TBs時(shí)，蓄電池開(kāi)始對(duì)光伏功率波動(dòng)響應(yīng)，根據(jù)ΔPpv與τB計(jì)算得到蓄電池功率參考值PB_ref并產(chǎn)生PWM脈沖，使蓄電池逐漸達(dá)到PB_ref，此時(shí)，由于蓄電池對(duì)光伏功率波動(dòng)的平抑作用逐漸增大，使Δ（Ppv+PB）減小，故超級(jí)電容器對(duì)光伏功率波動(dòng)的平抑作用逐漸減小，從而達(dá)到超級(jí)電容器快速響應(yīng)光伏功率波動(dòng)，蓄電池平抑低頻功率波動(dòng)的目的。根據(jù)式（5），蓄電池與超級(jí)電容器的功率參考值分別由式（6）和式（7）得到。

圖3　基于低通濾波器的控制策略Fig.3　Control strategy based on low-pass filter

2.2SOC反饋調(diào)節(jié)充放電濾波時(shí)間常數(shù)控制算法

由于蓄電池的額定充放電次數(shù)遠(yuǎn)小于超級(jí)電容器，在運(yùn)用低通濾波器控制算法對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電控制時(shí)，應(yīng)考慮保護(hù)蓄電池，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，減少過(guò)充過(guò)放。此時(shí)引入蓄電池的荷電狀態(tài)，在不同SOC下調(diào)節(jié)濾波時(shí)間常數(shù)τB，適當(dāng)?shù)卦鰷p蓄電池的出力能力，具體時(shí)間常數(shù)變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)SOC范圍在（b，c）時(shí)，蓄電池工作在正常工作區(qū)，濾波時(shí)間常數(shù)為τ2，蓄電池的輸出功率不受SOC的影響；當(dāng)SOC大于c時(shí)，蓄電池以多放少充為基本原則，盡量減緩SOC的增加，根據(jù)蓄電池功率參考值PB_ref的方向，調(diào)整充放電的濾波時(shí)間常數(shù)；當(dāng)SOC小于b時(shí)，蓄電池以多充少放為基本原則，盡量減緩SOC的減小，根據(jù)蓄電池功率參考值PB_ref的方向，調(diào)整充放電的濾波時(shí)間常數(shù)。

圖4　蓄電池SOC與濾波時(shí)間常數(shù)的關(guān)系Fig.4　Relationship between battery SOC and filtering time constant

因此蓄電池在基于低通濾波器控制基礎(chǔ)上，根據(jù)圖4引入SOC反饋來(lái)及時(shí)調(diào)整充放電濾波時(shí)間常數(shù)。將蓄電池時(shí)間常數(shù)τB分為τch、τdis兩部分，分別表示充電時(shí)間常數(shù)與放電時(shí)間常數(shù)，并分別調(diào)整。由圖4得時(shí)間常數(shù)的調(diào)整策略，如圖5所示。

圖5　SOC反饋調(diào)節(jié)充放電濾波時(shí)間常數(shù)控制策略Fig.5　Control strategy of SOC feedback to adjust the filtering time constants during charging and discharging

3　實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用10 kW多晶固定光伏系統(tǒng)、25塊25 Ah、12 V卷繞式鉛酸蓄電池串聯(lián)、3個(gè)90 V、3.2 F超級(jí)電容器串聯(lián)對(duì)所提控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，主控板采用DSP28335。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示。

圖7為某日19：30—第二日19：30光伏功率輸出曲線。光伏系統(tǒng)在早上6：00開(kāi)始輸出功率，隨著光照強(qiáng)度的增大，光伏功率逐漸上升，在12：00功率達(dá)到最大值，此后功率逐漸下降，18：00時(shí)降為0。在6：00—18：00間，光伏功率具有明顯的波動(dòng)性，需要儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑光伏功率波動(dòng)。

圖6　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6　Photo of experimental system

圖7　連續(xù)24 h光伏功率曲線Fig.7　Photovoltaic power curve for continuous 24 h

在選取濾波常數(shù)τB與τC時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際光伏功率波動(dòng)及蓄電池、超級(jí)電容器容量選取。τ選取過(guò)大時(shí)，儲(chǔ)能可補(bǔ)償?shù)念l率范圍較大，但對(duì)儲(chǔ)能的容量要求更高，并且當(dāng)光伏功率由波動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，儲(chǔ)能降低對(duì)光伏的平抑作用、減小功率輸出的速度較慢，并會(huì)造成儲(chǔ)能容量的過(guò)度使用；τ選取過(guò)小時(shí)，儲(chǔ)能可補(bǔ)償?shù)念l率范圍較小，濾波效果較差?？紤]實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中蓄電池與超級(jí)電容器容量有限，在光伏功率由突變轉(zhuǎn)為平穩(wěn)的一個(gè)完整周期內(nèi)混合儲(chǔ)能由足夠容量平抑功率波動(dòng)，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，取τB=20，τC=40。

圖8（a）、（b）為混合儲(chǔ)能功率響應(yīng)曲線。t1時(shí)刻，光伏功率突增，此時(shí)蓄電池未達(dá)到控制周期TBs，仍處于放電狀態(tài)，功率為正；超級(jí)電容器則迅速轉(zhuǎn)入充電狀態(tài)，吸收光伏功率，功率為負(fù)。當(dāng)蓄電池達(dá)到控制周期TBs時(shí)，轉(zhuǎn)入充電狀態(tài)。隨著光伏功率波動(dòng)逐漸減小，t2時(shí)刻，蓄電池可滿足光伏功率波動(dòng)值，超級(jí)電容器功率逐漸降低，此時(shí)光伏功率波動(dòng)主要由蓄電池承擔(dān)，但蓄電池控制周期內(nèi)光伏功率波動(dòng)仍由超級(jí)電容器承擔(dān)。t3時(shí)刻，光伏功率達(dá)到穩(wěn)定值，蓄電池功率逐漸降低，最終蓄電池與超級(jí)電容器功率均以小功率運(yùn)行。

圖9（a）、（b）分別為光照增加和突降時(shí)，光伏功率輸出曲線與光儲(chǔ)系統(tǒng)輸出曲線。圖中，Pout為光儲(chǔ)系統(tǒng)輸出總功率。

圖8　混合儲(chǔ)能功率曲線Fig.8　Power curve of hybrid energy storage

圖9　光儲(chǔ)系統(tǒng)功率曲線Fig.9　Power curve of photovoltaic and energy storage system

由圖9（a）可得，光伏功率快速增加，t4時(shí)刻，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)投入，吸收部分光伏功率，使光儲(chǔ)系統(tǒng)輸出總功率Pout平滑上升；由圖9（b）可得，開(kāi)始時(shí)刻，光伏功率輸出平穩(wěn)，t5時(shí)刻，光伏功率突降，此時(shí)蓄電池與超級(jí)電容器迅速進(jìn)入放電狀態(tài)，使Pout平滑下降，最終使Pout與實(shí)際光伏功率輸出相等。

圖10（a）、（b）分別為當(dāng)蓄電池SOC過(guò)高時(shí)，根據(jù)SOC反饋調(diào)節(jié)蓄電池濾波時(shí)間常數(shù)，得到的混合儲(chǔ)能功率曲線與光儲(chǔ)系統(tǒng)功率曲線。

由圖10（a）可得，t6時(shí)刻，混合儲(chǔ)能開(kāi)始吸收功率，此時(shí)蓄電池SOC過(guò)高，根據(jù)SOC反饋調(diào)節(jié)蓄電池濾波常數(shù)，可有效限制蓄電池出力，防止蓄電池過(guò)充；由圖10（b）可得，當(dāng)蓄電池SOC過(guò)高時(shí)，t7時(shí)刻，光伏功率快速增加，在蓄電池出力受限制的制約下，系統(tǒng)短時(shí)功率缺額主要由超級(jí)電容器承擔(dān)，此時(shí)仍可有效平抑光伏功率波動(dòng)。

圖10　蓄電池SOC過(guò)高時(shí)系統(tǒng)功率曲線Fig.10　Power curve with high battery SOC

由實(shí)驗(yàn)可得，儲(chǔ)能側(cè)，蓄電池與超級(jí)電容器可分別以不同的控制周期平滑光伏功率波動(dòng)，并滿足蓄電池補(bǔ)低頻，超級(jí)電容器補(bǔ)高頻功率波動(dòng)的要求；同時(shí)，當(dāng)蓄電池SOC過(guò)高時(shí)，根據(jù)SOC反饋調(diào)節(jié)蓄電池濾波常數(shù)，可有效限制蓄電池出力，防止蓄電池過(guò)充。光伏側(cè)，當(dāng)光伏功率升高或突降時(shí)，混合儲(chǔ)能可很好地補(bǔ)償光伏功率缺額，對(duì)平抑光伏功率波動(dòng)有顯著作用，驗(yàn)證了本文所提控制策略的可行性。

4　結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于低通濾波的混合儲(chǔ)能平抑光伏功率波動(dòng)控制策略，并根據(jù)蓄電池SOC反饋調(diào)節(jié)充放電濾波時(shí)間常數(shù)，達(dá)到延長(zhǎng)蓄電池使用壽命的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)光伏功率增加或突降時(shí)，混合儲(chǔ)能可及時(shí)調(diào)整輸出功率，補(bǔ)償光伏功率缺額，對(duì)平抑光伏功率波動(dòng)具有顯著作用；可根據(jù)SOC反饋調(diào)節(jié)蓄電池濾波常數(shù)，限制蓄電池出力，防止蓄電池過(guò)充，驗(yàn)證了所提策略的可行性。

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Application of Energy Storage to Restraining Photovoltaic Power Fluctuation Based on SOC Feedback

LIU Qing1，F(xiàn)AN Shitong1，F(xiàn)U Chao1，WANG Hui1，LI Chunlai2
（1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，North China Electricity Power University，Baoding 071003，China；2.Qinghai Province Key Laboratory of Photovoltaic Grid Connected Power Generation Technology，Xining 810000，China）

Energy storage is of great significance to restraining photovoltaic power fluctuations.Using hybrid energy storage including battery and super capacitor and considering their different characteristics，a hybrid energy storage coordinated control scheme based on low-pass filter and a control strategy for restraining photovoltaic power fluctuations are proposed.In order to prevent the over-charge and over-discharge of battery，a state of charge（SOC）feedback scheme is put forward to adjust filter parameters，ensure that the hybrid energy storage can smooth photovoltaic power fluctuations and prolong the service life of battery.Experiments show that when photovoltaic power increases or suddenly drops，the hybrid energy storage can adjust the output power to make up photovoltaic power gaps；when the battery SOC is too high，the battery power decreases to prevent the over-charge of battery.Experiments verify the feasibility of the proposed strategy.

hybrid energy storage；photovoltaic power generation；low-pass filter；coordinated control scheme；feedback adjustment；state of charge（SOC）

TM71

A

1003-8930（2016）09-0063-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.09.010

劉青（1974—），女，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)、新能源發(fā)電技術(shù)。Email：liuqing0816@yahoo.com.cn

樊世通（1990—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)。Email：fst001@139.com

付超（1979—），男，博士，講師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。Email：5917820@qq.com

2015-09-10；

2016-04-11

國(guó)家電網(wǎng)公司資助項(xiàng)目（DG71-15-039）；青海省光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（2014-Z-Y34A）