張婳，張斌，籍天明，韓曉娟

(1.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京市 102206；2. 國網(wǎng)冀北三河市供電有限公司，河北省三河市 065200；3. 南京南瑞集團(tuán)信息系統(tǒng)集成分公司，南京市 211106)

基于雙向互補(bǔ)的儲能系統(tǒng)控制策略及經(jīng)濟(jì)性分析

張婳1，張斌2，籍天明3，韓曉娟1

(1.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京市 102206；2. 國網(wǎng)冀北三河市供電有限公司，河北省三河市 065200；3. 南京南瑞集團(tuán)信息系統(tǒng)集成分公司，南京市 211106)

儲能系統(tǒng)成本高、控制技術(shù)不成熟，制約了電池儲能系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用。在充分考慮電池儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性基礎(chǔ)上，該文提出了基于雙向互補(bǔ)的儲能系統(tǒng)控制策略。由2組電池構(gòu)成雙向互補(bǔ)電池儲能系統(tǒng)，通過雨流計(jì)數(shù)法計(jì)算電池充放電深度(depth of discharge, DoD)，以表征電池循環(huán)壽命，并建立了雙向互補(bǔ)儲能系統(tǒng)充放電控制模型?；趪鴥?nèi)某光-儲聯(lián)合電站實(shí)測數(shù)據(jù)，在儲能系統(tǒng)不同充放電臨界荷電狀態(tài)限定范圍內(nèi)，對雙向互補(bǔ)電池儲能系統(tǒng)控制策略的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，與單儲能系統(tǒng)控制策略相比，基于雙向互補(bǔ)的電池儲能系統(tǒng)控制策略可以有效提高電池儲能系統(tǒng)的使用壽命，降低儲能系統(tǒng)成本，具有良好的工程應(yīng)用前景。

儲能系統(tǒng)；雙向互補(bǔ)；控制策略；經(jīng)濟(jì)性分析

0 引 言

隨著可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量的提高，其輸出功率的波動性、間歇性給電力系統(tǒng)的運(yùn)行帶來一定沖擊[1-2]。儲能系統(tǒng)作為一種具有快速響應(yīng)和動態(tài)調(diào)節(jié)能力的設(shè)備，可以有效改善可再生能源發(fā)電的電能品質(zhì)，提高可再生能源電力系統(tǒng)的友好性[3-4]。然而，由于目前技術(shù)水平有限，儲能系統(tǒng)多處于示范工程階段，尚未得到大規(guī)模應(yīng)用[5-6]。主要原因在于現(xiàn)在儲能系統(tǒng)的成本很高以及控制技術(shù)尚未成熟。因此，使用電池儲能系統(tǒng)時應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其經(jīng)濟(jì)性，而電池循環(huán)壽命是影響電池儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的重要因素。

當(dāng)選定電池類型后，控制策略決定了電池的循環(huán)壽命。文獻(xiàn)[7]采用低通濾波技術(shù)平抑風(fēng)電功率波動，根據(jù)歷史風(fēng)電功率確定儲能電池容量和濾波器時間常數(shù)。文獻(xiàn)[8]根據(jù)鋰電池儲能系統(tǒng)的能量狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整2個時間尺度的波動限制指標(biāo)，以緩解儲能系統(tǒng)過充/過放的壓力。文獻(xiàn)[9]提出了基于卡爾曼濾波的儲能系統(tǒng)能量狀態(tài)反饋控制技術(shù)，用來實(shí)現(xiàn)風(fēng)電功率平滑。文獻(xiàn)[10]提出了基于模型預(yù)測控制技術(shù)的儲能電池平抑風(fēng)電功率波動方法。文獻(xiàn)[11]利用滑動平均濾波算法計(jì)算風(fēng)電輸出功率的目標(biāo)值，使電池儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)(state of charge, SOC) 穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，避免電池儲能系統(tǒng)出現(xiàn)過充和過放。

目前大部分有關(guān)儲能系統(tǒng)控制策略的文獻(xiàn)都沒有考慮儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。在儲能元件單價(jià)一定的情況下，儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵參數(shù)是循環(huán)使用壽命。在充分考慮儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，本文提出基于雙向互補(bǔ)的電池儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，采用2組電池組構(gòu)成雙向互補(bǔ)電池儲能系統(tǒng)，令2組電池充放電狀態(tài)相反且同時切換，減小運(yùn)行周期內(nèi)電池儲能系統(tǒng)的損耗，延長電池儲能系統(tǒng)的使用壽命，提高其經(jīng)濟(jì)性。

1 光伏功率波動平抑控制及電池壽命計(jì)算

1.1 光伏功率波動平抑控制算法

選取儲能系統(tǒng)的應(yīng)用場景為平抑光伏電站功率波動，儲能系統(tǒng)為鉛酸電池儲能系統(tǒng)。某光伏電站裝機(jī)容量為40 MW，出力時間為06：00—19：00，功率數(shù)據(jù)采樣間隔Δt=1 min，每天采集1 440個點(diǎn)。時間跨度選擇為1年，剔除異常數(shù)據(jù)后，時間跨度確定為360天。讀取360天的光伏功率數(shù)據(jù)，使用儲能系統(tǒng)平抑其功率波動。

采用文獻(xiàn)[12]中的滑動平均法進(jìn)行平抑，其中預(yù)測方法選擇馬爾科夫鏈法[13-14]?；瑒悠骄梢詫?shí)現(xiàn)從光伏功率數(shù)據(jù)中分離出min級波動分量，其關(guān)鍵在于滑動平均時段的選擇。經(jīng)過大量仿真計(jì)算，在滿足并網(wǎng)波動功率不超過10%裝機(jī)容量的要求下，滑動平均時段選擇10 min較為適宜，即根據(jù)光伏功率當(dāng)前時刻之前的5 min歷史數(shù)據(jù)、當(dāng)前時刻數(shù)據(jù)以及未來4 min的預(yù)測數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)前時刻光伏功率的持續(xù)分量與波動分量。將此波動分量作為儲能系統(tǒng)的目標(biāo)功率，如式(1)、(2)所示。

(1)

ΔPt=Ppv,t-Ppv,ref

(2)式中：Ppv,ref是光伏功率持續(xù)分量；Ppv,t-i(i=5)為歷史功率數(shù)據(jù)；Ppv,t為當(dāng)前時刻的光伏功率；Ppv,t+j(j=4)為預(yù)測功率數(shù)據(jù)；ΔPt為儲能系統(tǒng)的目標(biāo)功率。

光伏功率預(yù)測曲線和滑動平均目標(biāo)功率曲線如圖1所示。在圖1中，光伏功率實(shí)際值與滑動平均目標(biāo)功率之差即為儲能系統(tǒng)的目標(biāo)功率。

圖1 光伏功率預(yù)測和滑動平均目標(biāo)功率曲線Fig.1 Curves of PV forecasting power and moving average daily target power

1.2 電池壽命計(jì)算

一般將電池循環(huán)壽命定義為在容量衰減至某一規(guī)定值之前經(jīng)歷的總充、放電次數(shù)[15]。循環(huán)壽命與充、放電速率、環(huán)境溫度、最大放電深度等因素有關(guān)，許多學(xué)者和文獻(xiàn)的研究成果表明，電池在運(yùn)行周期內(nèi)的放電深度對循環(huán)壽命的影響最為顯著，最大放電深度越大，電池循環(huán)壽命越短[16]。

電池在不同放電深度時對應(yīng)不同的循環(huán)壽命，因此需要將不同放電深度下的循環(huán)壽命統(tǒng)一到某一參考值(通常選擇放電深度為100%)進(jìn)行量化比較，即計(jì)算其等效循環(huán)壽命(equivalent cycle life，ECL)。電池的循環(huán)壽命與工作方式密切相關(guān)，放電深度(depth of discharge，DoD)越大，循環(huán)壽命越短。本文將充放電次數(shù)和放電深度作為影響電池循環(huán)壽命的主要因素。

通過雨流計(jì)數(shù)法可以計(jì)算電池的放電深度，然后根據(jù)電池放電深度與循環(huán)壽命的對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出電池的等效循環(huán)壽命。繼而采用等效完全充放電次數(shù)來衡量儲能系統(tǒng)在1個運(yùn)行周期(1 天)的損耗情況。等效完全充放電次數(shù)計(jì)算過程如圖2所示。

圖2 等效完全充放電次數(shù)計(jì)算流程Fig.2 Calculation flow chart of equivalent charging and discharging times

通常電池生產(chǎn)廠家會通過額定工況下實(shí)驗(yàn)將放電深度與電池循環(huán)壽命的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，本文采用鉛酸電池的放電深度與對應(yīng)的循環(huán)壽命。在實(shí)際應(yīng)用中，電池往往不局限于文獻(xiàn)[17]所示的放電深度，可根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到放電深度與循環(huán)壽命的關(guān)系曲線，采用式(3)所示的4階函數(shù)表征循環(huán)壽命與放電深度的關(guān)系，相應(yīng)曲線如圖3所示[18]。

(3)

圖3 循環(huán)壽命與放電深度的關(guān)系Fig.3 Relationship of circle life and DoD

將電池的運(yùn)行周期分解為一系列N個循環(huán)周期，放電深度分別為DoD1，DoD2，…，DoDN。設(shè)電池第i次循環(huán)周期的放電深度為DoDi，則對應(yīng)的等效循環(huán)壽命為

(4)

式中：Nctf(DoD1)為當(dāng)放電深度為100%時對應(yīng)的循環(huán)壽命；Nctf(DoDi)為當(dāng)放電深度為DoDi時的循環(huán)壽命。

電池在運(yùn)行周期內(nèi)等效完全充放電次數(shù)為

(5)

通過等效循環(huán)壽命L可以計(jì)算當(dāng)前電池的使用壽命，并可用于預(yù)測電池壽命。當(dāng)L=Nctf(DoD1)時，則認(rèn)為本批次電池組壽命耗盡，需要更換電池組。

2 雙向互補(bǔ)電池儲能系統(tǒng)控制原理

2組儲能電池構(gòu)成1套儲能系統(tǒng)，2個子系統(tǒng)分別記為BESS1與BESS2，共同輸出t時刻儲能系統(tǒng)的目標(biāo)功率。光-儲聯(lián)合系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 光-儲聯(lián)合系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Topological structure of PV and ES hybrid system

在電池儲能系統(tǒng)動作的任一時刻，確保BESS1與BESS2處于不同的充/放電狀態(tài)以應(yīng)對交替出現(xiàn)的光伏功率正/負(fù)向波動，并且有：

ΔPt=PBESS1,t+PBESS2,t

(6)

式中PBESS1,t與PBESS2,t分別為BESS1和BESS2在t時刻的輸出功率。

運(yùn)行過程中，若任一組BESSi(i=1,2)達(dá)到了充電臨界荷電狀態(tài)SOC，max或放電臨界荷電狀態(tài)SOC,min，則應(yīng)立即切換2組BESS系統(tǒng)的充/放電狀態(tài)。電池儲能系統(tǒng)充放電狀態(tài)切換策略如圖5所示。

圖5 電池儲能系統(tǒng)充放電狀態(tài)切換策略Fig.5 Switching strategy of charging and discharging state of battery energy storage system

記電池儲能系統(tǒng)t時刻目標(biāo)功率為ΔPt，雙向互補(bǔ)控制策略描述如下。

當(dāng)ΔPt<0時，即儲能系統(tǒng)通過放電來填補(bǔ)負(fù)向光伏功率的波動，則其放電功率為

(7)

式中：Ped,max為儲能系統(tǒng)最大放電功率約束；Ped,soc為儲能系統(tǒng)最小荷電狀態(tài)約束，其 ：

(8)

式中：Soc,t-1為t-1時刻的儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)；Soc,min為設(shè)定的儲能系統(tǒng)臨界放電狀態(tài)，即荷電狀態(tài)下限值；ηd為儲能系統(tǒng)放電效率；Cap為儲能系統(tǒng)總?cè)萘?；Δt為仿真時間間隔。

當(dāng)ΔPt>0時，即儲能系統(tǒng)通過充電來抵消正向光伏功率的波動。則其充電功率為

(9)

式中：Pec,max為儲能系統(tǒng)最大充電功率約束；Pec,soc為儲能系統(tǒng)最大荷電狀態(tài)約束，其計(jì)算公式如下：

(10)

式中：Soc,max為設(shè)定的儲能系統(tǒng)臨界充電狀態(tài)，即荷電狀態(tài)上限值；ηc為儲能系統(tǒng)放電效率。

3 算例及經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 算例分析

利用Matlab2012仿真軟件，對本文提出的雙向互補(bǔ)電池儲能系統(tǒng)控制策略進(jìn)行仿真分析。所選擇的雙向互補(bǔ)電池儲能系統(tǒng)容量參數(shù)如下：BESS1的容量為4.5 MW·h, BESS2的容量為4.5 MW·h；單電池儲能系統(tǒng)的容量為4.5 MW·h。該儲能系統(tǒng)在單BESS控制策略下的目標(biāo)功率曲線如圖6所示，目標(biāo)功率就是單儲能系統(tǒng)的吞吐功率。

圖6 單BESS控制策略下的儲能充放電功率Fig.6 Charging and discharging power of energy storage under single BESS control strategy

從圖6中可以看出，當(dāng)任一組BESSi(i=1,2)達(dá)到充/放電臨界荷電狀態(tài)時，則立即切換2組BESS的充/放電狀態(tài)，因此充電和放電臨界荷電狀態(tài)限定值的設(shè)定對控制效果和最終的電池儲能系統(tǒng)整體損耗都有影響。為了考察不同充電或放電臨界荷電狀態(tài)限定值下的控制效果，設(shè)定7組充電和放電臨界荷電狀態(tài)限定值，并以其中2組為例進(jìn)行分析和說明，其輸出功率曲線如圖7所示。

圖7 儲能系統(tǒng)輸出功率Fig.7 Charging and discharging output power of energy storage system

圖8為2種控制策略下的儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)變化情況，由圖8可知，2組充放電臨界荷電狀態(tài)限定值下的控制效果不同，表現(xiàn)在功率曲線和荷電狀態(tài)曲線的形態(tài)不同。充放電臨界荷電狀態(tài)限定范圍越窄，雙向互補(bǔ)的2組電池儲能系統(tǒng)的充放狀態(tài)轉(zhuǎn)換就越頻繁。

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

為考察充放電臨界荷電狀態(tài)限定值對儲能系統(tǒng)損耗的影響，計(jì)算不同充放電臨界荷電狀態(tài)限定范圍下雙向互補(bǔ)電池儲能系統(tǒng)控制策略與傳統(tǒng)單BESS控制策略下的等效完全充放電次數(shù)，結(jié)果如表1所示。

以BESS1與BESS2的等效完全充放電次數(shù)之和為縱坐標(biāo)，以充放電臨界荷電狀態(tài)限定值上下限值之差為橫坐標(biāo)作圖，不同荷電狀態(tài)區(qū)間雙BESS的等效完全充放電次數(shù)之和如圖9所示。

圖8 2種控制策略下的儲能系統(tǒng)SOCFig.8 SOC of energy storage system under two control strategies

由于BESS1與BESS2的容量之和是單BESS的2倍，則認(rèn)為雙向互補(bǔ)電池儲能系統(tǒng)控制策略的初始成本是單BESS控制方式初始成本的2倍。如果雙向互補(bǔ)控制策略下的損耗小于單BESS控制方式的一半，則雙向互補(bǔ)控制策略具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，因?yàn)槠涫褂脡勖笥趩蜝ESS控制方式的2倍。由圖9可知，BESS1與BESS2等效完全充放電次數(shù)之和小于單BESS等效完全充放電次數(shù)的一半，即雙向互補(bǔ)電池儲能系統(tǒng)控制策略更具有經(jīng)濟(jì)性。

圖9 不同SOC區(qū)間雙BESS的等效完全充放電次數(shù)之和Fig.9 Equivalent charging and discharging times of double BESS under different SOC intervals

當(dāng)荷電狀態(tài)區(qū)間上下限值為0.6時，即SOC,min=0.2,SOC,max=0.8，BESS1與BESS2的等效完全充放電次數(shù)之和取最小值0.337 1,因此確立充放電臨界荷電狀態(tài)限定值[0,2,0.8]為控制策略的最佳區(qū)間，在此條件下的儲能系統(tǒng)輸出功率和SOC變化情況如圖10所示。

圖10 SOC區(qū)間為[0.2,0.8]時儲能系統(tǒng)輸出功率和SOCFig.10 Output power and SOC of energy storage system when SOC interval is [0.2,0.8]

由圖10可知，當(dāng)充放電臨界荷電狀態(tài)限定值為[0,2,0.8]時，由于BESS1與BESS2的等效完全充放電次數(shù)之和取最小值，即此控制策略下的電池壽命損耗最小，所以2組電池儲能系統(tǒng)的充放狀態(tài)轉(zhuǎn)換頻繁程度低于圖8中2種充放電臨界荷電狀態(tài)限定范圍情況下的充放狀態(tài)轉(zhuǎn)換頻繁程度。

4 結(jié) 論

本文基于雙向互補(bǔ)電池儲能系統(tǒng)控制策略完成對儲能系統(tǒng)目標(biāo)功率的吞吐。通過考察不同充放電臨界荷電狀態(tài)限定值下的控制效果，確立充放電臨界荷電狀態(tài)最佳限定區(qū)間為[0.2, 0.8]。對雙向互補(bǔ)電池儲能系統(tǒng)控制策略與傳統(tǒng)控制策略下的儲能系統(tǒng)損耗進(jìn)行比較，仿真結(jié)果表明，雙向互補(bǔ)電池儲能系統(tǒng)控制策略更具有經(jīng)濟(jì)性。

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(編輯 張小飛)

Control Strategy and Economic Analysis of Energy Storage System Based on Bidirectional Complementary

ZHANG Hua1, ZHANG Bin2, JI Tianming3, HAN Xiaojuan1

(1.School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206，China; 2. Sanhe Electric Power Company, State Grid Jibei Electric Power Company, Sanhe 065200, Hebei Province, China；3. Information System International Company, NARI Group Corporation, Nanjing 211106, China)

The high cost and immature control technology of energy storage system restrict the large-scale application of battery energy storage system. With full consideration of the economy of battery energy storage system, this paper proposes the control strategy for energy storage system based on bidirectional complementary, in which the bidirectional complementary battery energy storage system is composed of two groups of batteries. We calculate the the depth of discharge (DoD) by rain flow count method, in order to characterize the cycle life of the battery; and establish the charge and discharge control model for bidirectional complementaryenergy storage system. Taking the measured data of an photovoltaic-energy storage hybrid power station as example, we simulate and analyze the economy of the control strategy for bidirectional complementary battery energy storage system, in the different limited range of the critical state of charge during charge-discharge in energy storage system. The simulation results show that, compared with the control strategy of single energy storage system, the the control strategy of battery energy storage system based on bidirectional complementary can effectively improve the service life of the system and reduce the cost of energy storage system, which has a good prospect of engineering application.

energy storage system; bidirectional complementary; control strategy; economic analysis

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51577065)；國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(KY-SG-2016-204-JLDKY)

TM 912

A

1000-7229(2016)08-0096-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.08.015

2016-03-11

張婳(1992)，女，碩士，主要從事電池儲能控制、經(jīng)濟(jì)性評估等方面的研究工作；

張斌(1989)，男，碩士，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電控制技術(shù)和儲能技術(shù)；

籍天明(1991)，男，碩士，主要從事新能源發(fā)電控制技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘等方面的研究工作；

韓曉娟(1970)，女，博士，教授，主要從事新能源發(fā)電控制技術(shù)、故障診斷、信息融合和檢測技術(shù)等方面的研究工作。

Project supported by National Natural Science Foundation of China (51577065)