孫充勃，呂振宇，宋毅，焦陽(yáng)

(1. 國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 102209；2. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京市210096)

基于混合儲(chǔ)能互補(bǔ)的自適應(yīng)光伏功率平抑策略

孫充勃1，呂振宇2，宋毅1，焦陽(yáng)2

(1. 國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 102209；2. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京市210096)

分布式光伏未來(lái)將在配電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)大規(guī)模接入，但由于受環(huán)境影響，其輸出功率波動(dòng)較大，在光伏并網(wǎng)時(shí)會(huì)給配電網(wǎng)帶來(lái)諸多不利。為此，提出了一種基于混合儲(chǔ)能的自適應(yīng)光伏功率平抑策略，通過(guò)協(xié)調(diào)蓄電池和超級(jí)電容的功率分配，充分發(fā)揮了超級(jí)電容響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。同時(shí)，平抑策略中的荷電狀態(tài)(state of charge， SOC)反饋功能兼顧了儲(chǔ)能的SOC變化情況，使其具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能的最優(yōu)化利用。最后，通過(guò)分析驗(yàn)證了所提策略的可行性和有效性。

光伏發(fā)電系統(tǒng)；混合儲(chǔ)能；功率平抑；自適應(yīng)控制

0 引 言

光伏發(fā)電技術(shù)是目前最為成熟的可再生能源利用技術(shù)之一，但太陽(yáng)能受到地理分布，季節(jié)變換、晝夜更替、天氣的影響，具有分布式、隨機(jī)性和間歇性等固有特點(diǎn)，產(chǎn)生的電能不集中、輸出功率波動(dòng)較大，其簡(jiǎn)單地直接并網(wǎng)運(yùn)行會(huì)給電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全帶來(lái)極大的威脅，因此，平抑光伏波動(dòng)已成為熱點(diǎn)研究領(lǐng)域[1-6]。

利用混合儲(chǔ)能來(lái)平抑光伏波動(dòng)是最為廣泛的手段之一。將不同類(lèi)型的儲(chǔ)能裝置相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既能很好地適應(yīng)光伏波動(dòng)，又可以降低混合儲(chǔ)能的使用成本。對(duì)于混合儲(chǔ)能平抑光伏波動(dòng)，目前的研究主要集中在控制策略上。文獻(xiàn)[5]中提出了基于模糊控制的混合儲(chǔ)能控制策略，由超級(jí)電容承擔(dān)有功參考值中的高頻波動(dòng)分量，蓄電池補(bǔ)償儲(chǔ)能有功參考值中的低頻波動(dòng)分量。文獻(xiàn)[7]通過(guò)高通濾波控制將混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率指令在各儲(chǔ)能元件之間合理分配，但是采用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)與可再生能源在直流母線上并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，限制了混合儲(chǔ)能在微電網(wǎng)中的作用。文獻(xiàn)[8]研究了超級(jí)電容器/蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，并以蓄電池儲(chǔ)能量和超級(jí)電容儲(chǔ)能量為核心設(shè)計(jì)了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理方案，但其本質(zhì)是犧牲濾波效果來(lái)補(bǔ)充或消耗混合儲(chǔ)能的電能，以接近預(yù)期電能存儲(chǔ)目標(biāo)。除此之外，文獻(xiàn)[9]中提出混合儲(chǔ)能的模型預(yù)測(cè)控制方案，保證蓄電池及超級(jí)電容都運(yùn)行在各自約束條件下；文獻(xiàn)[10]提出了一種基于實(shí)測(cè)電池荷電狀態(tài)(state of charge， SOC)的可變?yōu)V波時(shí)間常數(shù)儲(chǔ)能控制方法，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率，對(duì)光伏輸出功率中的波動(dòng)成分進(jìn)行補(bǔ)償；文獻(xiàn)[11-14]中，光伏波動(dòng)功率的平抑首先由混合儲(chǔ)能的總剩余能量決定，然后再由模糊控制計(jì)算進(jìn)行功率細(xì)化分配，得出各個(gè)儲(chǔ)能的分配系數(shù)。雖然上述研究取得了一定的效果，但是對(duì)于混合儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)功率分配研究較為簡(jiǎn)單，無(wú)法根據(jù)光伏波動(dòng)功率、SOC等實(shí)際情況進(jìn)行準(zhǔn)確分析，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)儲(chǔ)能電池的平抑效果發(fā)揮有限。

本文將超級(jí)電容與儲(chǔ)能電池相結(jié)合[15]，提出一種混合儲(chǔ)能自適應(yīng)功率優(yōu)化分配策略，實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能間功率的協(xié)調(diào)分配，同時(shí)兼顧SOC，在發(fā)揮超級(jí)電容的功率快速響應(yīng)能力外，用蓄電池彌補(bǔ)超級(jí)電容的不足，最終實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能的最優(yōu)利用。

1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)建模

蓄電池具有體積小、容量大、電壓穩(wěn)定、可以循環(huán)使用的優(yōu)點(diǎn)，但是其響應(yīng)速度慢，不能較快響應(yīng)光伏波動(dòng)。而超級(jí)電容可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的快速充放電，因此本文將蓄電池和超級(jí)電容相結(jié)合，通過(guò)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，發(fā)揮蓄電池和超級(jí)電容各自的優(yōu)點(diǎn)，能更好地平抑光伏波動(dòng)。

1.1 蓄電池建模

蓄電池模型統(tǒng)一采用通用蓄電池等效模型，由受控電壓源和恒值電阻組成，受控電壓源用來(lái)表示蓄電池的內(nèi)電勢(shì)，如圖1[16-17]所示。圖中：Eb是蓄電池的內(nèi)電勢(shì)，V；Rb是蓄電池的等效阻抗，Ω；Ib是流經(jīng)等效阻抗的電流，A；Udc是電池并網(wǎng)直流節(jié)點(diǎn)電壓，V。

圖1 蓄電池等效電路模型Fig.1 Equivalent circuit model of storage battery

放電時(shí)，受控電壓源的表達(dá)式為

(1)

式中：Eb0是蓄電池的內(nèi)電勢(shì)初始值，V；K是極化常數(shù)，A/h，Q是蓄電池的總?cè)萘浚珹·h；A是指數(shù)區(qū)域的幅值，V；B是指數(shù)區(qū)域容量的倒數(shù)，A/h。

充電時(shí)，受控電壓源的表達(dá)式為

(2)

考慮蓄電池單元的剩余容量及充放電管理。蓄電池剩余容量Q指的是在當(dāng)前的工作狀態(tài)下，還能輸出的電量。用SOC來(lái)表征蓄電池剩余容量的多少。蓄電池荷電狀態(tài)值QSOC為0～1，當(dāng)蓄電池放電完全時(shí)QSOC=0，當(dāng)蓄電池完全充滿電時(shí)QSOC=1。

1.2 超級(jí)電容建模

超級(jí)電容模型以雙電層超級(jí)電容為例，其等效電路模型為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的超級(jí)電容經(jīng)典串并聯(lián)模型[18-20],如圖2所示。

圖2 超級(jí)電容經(jīng)典等效電路Fig.2 Classic equivalent circuit model of super-capacitor

在經(jīng)典等效模型中，Rs表示超級(jí)電容的總串聯(lián)電阻，表征在充放電過(guò)程中的能量損耗；C為理想電容量；Rp表征漏電流效應(yīng)，建模過(guò)程中，考慮Rp>>Rs。將經(jīng)典等效模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化得到圖3所示模型。

圖3 超級(jí)電容簡(jiǎn)化等效電路Fig.3 Simplified equivalent circuit model of super-capacitor

圖中：Esc是超級(jí)電容內(nèi)電壓，V；Csc是超級(jí)電容的電容值，F(xiàn)；Rsc是超級(jí)電容的等效阻抗，Ω；Isc是流經(jīng)等效阻抗的電流，A。

在充放電過(guò)程中，超級(jí)電容端電壓為

(3)

式中Esc0是超級(jí)電容內(nèi)電壓初始值，V。

2 混合儲(chǔ)能功率優(yōu)化分配策略

本文提出一種混合儲(chǔ)能自適應(yīng)功率優(yōu)化分配策略，優(yōu)化調(diào)節(jié)蓄電池和超級(jí)電容的充放電功率，在平抑光伏波動(dòng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能的最優(yōu)化利用，如圖4所示。

圖4 混合儲(chǔ)能功率分配策略框圖Fig.4 Power allocation strategy for hybrid storage system

該策略包括儲(chǔ)能充放電功率生成模塊、超級(jí)電容功率分配模塊、蓄電池和超級(jí)電容SOC自適應(yīng)反饋調(diào)節(jié)模塊、死區(qū)控制模塊及SOC保護(hù)模塊以及超級(jí)電容和蓄電池控制器模塊等。圖中，功率增益系數(shù)Gsc主要用于超級(jí)電容和蓄電池的充放電功率初始分配，當(dāng)設(shè)置為0時(shí)，表明超級(jí)電容不工作；QSOC-ref1和QSOC-ref2為蓄電池和超級(jí)電容的SOC參考值，即SOC最佳運(yùn)行狀態(tài)，一般取值為SOC可運(yùn)行范圍的中間值。

2.1 儲(chǔ)能充放電功率生成模塊

儲(chǔ)能充放電功率生成模塊主要通過(guò)滑動(dòng)平均濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。BW為滑動(dòng)濾波器的窗口大小，Psmooth是滑動(dòng)模塊輸出功率，主要思想是用相差時(shí)間間隔為BW的2個(gè)時(shí)刻的光伏輸出功率的差值ΔP來(lái)表征光伏輸出功率的變化率，并將其作為儲(chǔ)能的平抑功率值，如公式(4)所示。

ΔP=PPV-Psmooth

(4)

圖5 滑動(dòng)平均模型Fig.5 Moving average model

2.2 SOC自適應(yīng)反饋調(diào)節(jié)模塊

為了實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池(尤其是超級(jí)電容)的最優(yōu)利用，本文采用SOC自適應(yīng)反饋調(diào)節(jié)模塊，將儲(chǔ)能的SOC作為輸入量反饋到混合儲(chǔ)能功率分配策略中，使SOC在一個(gè)更加合理的位置。以超級(jí)電容為例，如圖6所示。超級(jí)電容SOC的可運(yùn)行范圍由超級(jí)電容所接DC/DC或DC/AC逆變器直流母線電壓波動(dòng)范圍決定，即QSOC-min由直流母線電壓最小值決定。一般情況下，直接連接逆變器的超級(jí)電容QSOC-min較大，通過(guò)DC/DC變換器再接入直流母線的超級(jí)電容QSOC-min可以適當(dāng)降低，QSOC-max一般取為1。

圖6 超級(jí)電容荷電狀態(tài)分層框圖Fig.6 SOC hierarchical diagram of super-capacitor

將SOC可運(yùn)行范圍劃分為自由區(qū)域和制動(dòng)區(qū)域2部分，劃分邊界為QSOC-down和QSOC-up。在自由區(qū)域內(nèi)，超級(jí)電容的SOC基本不受約束，通過(guò)設(shè)置QSOC-ref，使得波動(dòng)平抑后超級(jí)電容的SOC恢復(fù)到最佳狀態(tài)。制動(dòng)區(qū)域?yàn)镼SOC-up～QSOC-max及QSOC-down～QSOC-min這2個(gè)區(qū)域，當(dāng)超級(jí)電容SOC落入這2個(gè)區(qū)域后，SOC的反饋控制模塊開(kāi)始作用，其作用強(qiáng)度由反饋控制系數(shù)Ksc進(jìn)行控制。SOC距離邊界越近，Ksc越大，其計(jì)算流程圖如圖7所示。

圖7 自適應(yīng)反饋系數(shù)調(diào)節(jié)流程圖Fig.7 Flow chart of adaptive feedback coefficient regulation

從圖7中可以看出，當(dāng)進(jìn)入制動(dòng)區(qū)域后，若ΔP的方向?yàn)樽柚筍OC向最佳狀態(tài)靠攏，則反饋系數(shù)為0，即不受約束；若ΔP的方向促使SOC向邊界靠攏，并且有增強(qiáng)的趨勢(shì)，則反饋系數(shù)相應(yīng)增強(qiáng)。其中，調(diào)節(jié)強(qiáng)度GA反應(yīng)超級(jí)電容SOC進(jìn)入制動(dòng)區(qū)域后，恢復(fù)到最佳狀態(tài)QSOC-ref的能力，GA越大，SOC反饋強(qiáng)度越大。

2.3 其他模塊

在控制策略中，死區(qū)控制模塊用于防止儲(chǔ)能進(jìn)行頻繁的充放電，SOC保護(hù)模塊用于防止超級(jí)電容過(guò)沖或過(guò)放，其控制邏輯如圖8所示。

圖8 其他模塊Fig.8 Other modules

3 仿真分析

3.1 算例設(shè)置情況

本文算例中，首先將超級(jí)電容經(jīng)過(guò)DC/DC變換，然后與蓄電池并聯(lián)接入直流母線，再統(tǒng)一逆變并網(wǎng)，在交流并網(wǎng)母線處與光伏系統(tǒng)并聯(lián)，對(duì)光伏系統(tǒng)輸出功率進(jìn)行平抑，整體并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 混合儲(chǔ)能與光伏系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Grid-connected structure chart of photovoltaic system and hybridenergy store system

其中，光伏系統(tǒng)額定容量為40 kW，蓄電池組有多個(gè)串并聯(lián)單元組成，蓄電池、超級(jí)電容的具體參數(shù)見(jiàn)表1、2，本文所提控制策略主要參數(shù)取值見(jiàn)表3。

表1 蓄電池參數(shù)
Table1 Battery parameters

表2 超級(jí)電容仿真參數(shù)Table2 Super-capacitor simulation parameters

3.2 光伏輸出功率波動(dòng)分析

圖10為2種秋季典型日下光伏系統(tǒng)的輸出功率波動(dòng)情況，PV1曲線對(duì)應(yīng)多云情況，PV2曲線對(duì)應(yīng)陰天情況。從圖10看出，多云天氣時(shí)，由于云的陰影使得光伏電池出力波動(dòng)較為劇烈；陰天時(shí)，由于沒(méi)有足夠的光照，故總體出力較少，但較多云天氣波動(dòng)較少。

表3 控制策略給定參數(shù)
Table3 Given parameters for control strategy

圖10 光伏實(shí)際數(shù)據(jù)Fig.10 PV pratical data

圖11為光伏輸出功率的波動(dòng)率的累積分布(cumulative distribution function，CDF)圖。從圖11可以看出，PV1的爬坡率一直延伸至12 kW/min，PV2爬坡率基本上都在2 kW/min以內(nèi)，PV2的波動(dòng)帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PV1。按照每min光伏波動(dòng)應(yīng)不超過(guò)額定功率的10%的原則[11]，PV1輸出功率需要經(jīng)過(guò)平抑后才能并網(wǎng)。圖中PPV1表示多云情況功率分布，PPV2表示陰天情況功率分布。

3.3 光伏平抑效果分析

對(duì)多云天氣情況下的光伏輸出功率進(jìn)行波動(dòng)平抑分析，圖12為本文所提策略的平抑效果。圖13為平抑前后的光伏系統(tǒng)爬坡率的CDF分布圖。

從圖12對(duì)比可知，采用滑動(dòng)平均濾波器能很好地降低光伏輸出的爬坡率，使min級(jí)爬坡率小于其自身額定功率的10%。從圖13中可以看出，平抑前光伏波動(dòng)大于4 kW/min的出現(xiàn)概率大約為10%，平抑后則控制在2 kW/min以內(nèi)，滿足了輸出功率波動(dòng)限制要求圖14所示是超級(jí)電容與蓄電池的運(yùn)行結(jié)果。超級(jí)電容的SOC變化范圍較大(0.2～1.0)，充分發(fā)揮了其快速響應(yīng)光伏功率波動(dòng)的能力。由于大部分高頻的波動(dòng)由超級(jí)電容吸收，蓄電池1天的充放電量及循環(huán)周期大大減少。

圖11 波動(dòng)率分布圖Fig.11 Fluctuation ratio profile

圖12 光伏輸出功率Fig.12 PV output power

圖13 爬坡率累計(jì)累積分布函數(shù)Fig.13 Ramp rate accumulated cumulative distribution function

圖14 超級(jí)電容與蓄電池運(yùn)行情況Fig.14 Operating results of super-capacitor and storage battery

3.4 控制參數(shù)對(duì)平抑策略性能的影響分析

在平抑策略中，滑動(dòng)濾波器的窗口大小BW、功率增益系數(shù)Gsc、調(diào)節(jié)強(qiáng)度GA、反饋控制參數(shù)Kb對(duì)平抑效果起到非常重要的作用，這里對(duì)上述幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行有針對(duì)性的影響分析。

3.4.1BW對(duì)平抑效果的影響

BW與經(jīng)過(guò)滑動(dòng)濾波器的輸出功率曲線的平滑程度密切相關(guān)。適當(dāng)選取BW的值有助于在得到較合理的平抑波形的前提下降低儲(chǔ)能運(yùn)行成本。圖15為BW取不同值情況下的平抑效果?？梢钥闯?，當(dāng)BW變大時(shí)，輸出曲線的平滑程度越好，但是混合儲(chǔ)能的輸出功率就越大，對(duì)儲(chǔ)能蓄電池的壽命將會(huì)有較大的影響。

圖15 BW對(duì)平抑效果的影響Fig.15 BW effect on smoothing results

3.4.2Gsc對(duì)超級(jí)電容SOC及蓄電池出力的影響

Gsc是超級(jí)電容和蓄電池間的分配系數(shù)，其大小直接影響著超級(jí)電容和蓄電池的充放電功率大小和平抑光伏功率的貢獻(xiàn)。圖16為不同Gsc下的超級(jí)電容SOC和蓄電池出力情況。隨著Gsc的增加，超級(jí)電容將分配到更多的功率，SOC變化范圍將更廣，同時(shí)蓄電池輸出功率將變少。因此，Gsc的合理取值將直接影響平抑效果。

圖16 Gsc對(duì)超級(jí)電容SOC及蓄電池出力的影響Fig.16 Gsc effect on SOC of super-capacitor and output power of storage battery

3.4.3GA對(duì)超級(jí)電容制動(dòng)區(qū)的影響

圖17為GA取不同值情況下的超級(jí)電容SOC變化情況。SOC自由區(qū)域設(shè)置為0.2～0.9。在該范圍內(nèi)時(shí)，反饋控制系數(shù)Ksc與GA無(wú)關(guān)，因此3條曲線重合。當(dāng)SOC進(jìn)入制動(dòng)區(qū)時(shí)，Ksc與GA相關(guān)，GA越大，反饋?zhàn)饔迷綇?qiáng)，SOC的波動(dòng)范圍越小。

圖17 GA對(duì)制動(dòng)區(qū)的影響Fig.17 GAeffect on restraint area

3.4.4Kb對(duì)電池SOC控制的影響

圖18為Kb取不同值情況下的蓄電池SOC變化情況?？梢?jiàn)，隨著Kb的增大，SOC波動(dòng)呈減小的趨勢(shì)。因此，合理設(shè)置Kb，可以有效減少混合儲(chǔ)能中蓄電池的使用容量，還可以延緩電池循環(huán)壽命。

4 結(jié) 論

利用混合儲(chǔ)能解決光伏波動(dòng)問(wèn)題是當(dāng)前分布式電源大規(guī)模接入配電網(wǎng)的一大熱點(diǎn)。本文提出了一種混合儲(chǔ)能自適應(yīng)功率優(yōu)化分配方法，由超級(jí)電容快速跟隨光伏功率波動(dòng)，由蓄電池作為長(zhǎng)時(shí)間尺度的電量平抑，起到削峰填谷、平滑光伏功率的作用。通過(guò)混合儲(chǔ)能的相互配合，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能資源的最優(yōu)利用。下一步研究工作將針對(duì)平抑策略中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，建立一套平抑效果評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)平抑效果的最大化。

圖18 Kb對(duì)蓄電池SOC控制的影響Fig.18 Kb effect on controllingbattery SOC

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(編輯 蔣毅恒)

Adaptive PV Power Smoothing Strategy Based on Hybrid Energy Storage Complementary

SUN Chongbo1, LYU Zhenyu2, SONG Yi1, JIAO Yang2

(1. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China;2.School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The large-scale access in distribution network of distributed photovoltaic (PV) system will bring many unfavorable factors due to its fluctuating output power affected by environment. This paper proposes an adaptive PV power smoothing strategy based on the hybrid energy storage, which coordinates the power distribution between the battery and the super-capacitorto reach the fully use of fast responding characteristic of super-capacitor. In addition, the state of charge (SOC) feedback function of proposed strategy will have a strong adaptive ability for taking into account the SOC changing, to realize the optimization of energy utilization. Finally, we verify the feasibility and effectiveness of the proposed strategy through the analysis.

photovoltaic generation system; hybrid energy storage; power smoothing; adaptive control

TM 615

A

1000-7229(2016)08-0108-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.08.017

2016-04-05

孫充勃(1987)，男，博士，主要研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)規(guī)劃與仿真分析、分布式電源與電動(dòng)汽車(chē)接入；

呂振宇(1989)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電與微網(wǎng)；

宋毅(1977)，男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)規(guī)劃、新能源與電動(dòng)汽車(chē)接入、配電系統(tǒng)仿真；

焦陽(yáng)(1993)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閮?chǔ)能變換器等。