(1.江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇溧陽(yáng)，213300； 2.南京四方億能電力自動(dòng)化有限公司，江蘇南京，211111)

1 引言

儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)的構(gòu)建和運(yùn)行中起到了十分重要的作用。就目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看，各種儲(chǔ)能技術(shù)在能量密度、功率密度、響應(yīng)速度和系統(tǒng)容量等方面均具有不同的表現(xiàn)。因此，需要選擇匹配的儲(chǔ)能方式與電力系統(tǒng)不同需求相應(yīng)用。針對(duì)不同類(lèi)型的儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合和目的，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同時(shí)間尺度上的協(xié)調(diào)運(yùn)行是目前的研究熱點(diǎn)內(nèi)容之一。

本課題重點(diǎn)研究了蓄電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制在微電網(wǎng)整體運(yùn)行中的實(shí)現(xiàn)方法，針對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)不同運(yùn)行狀態(tài)下的控制策略提出了相應(yīng)的解決方案，并在混合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與實(shí)際項(xiàng)目中針對(duì)所提相關(guān)控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制架構(gòu)

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制分為中央管理系統(tǒng)控制和本地協(xié)調(diào)控制兩個(gè)層次。其中，中央管理系統(tǒng)收集全系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化計(jì)算后給本地協(xié)調(diào)控制器發(fā)出功率輸出指令，實(shí)現(xiàn)整個(gè)微網(wǎng)功率的分配和調(diào)度。本地協(xié)調(diào)控制器接收中央管理單元指令后，基于混合儲(chǔ)能單元的輸出特性和SOC，通過(guò)兩級(jí)控制策略分配出蓄電池和超級(jí)電容的輸出功率，同時(shí)將混合儲(chǔ)能的實(shí)際輸出與指令值偏差及蓄電池SOC反饋至微網(wǎng)的中央管理系統(tǒng)，中央管理系統(tǒng)重新調(diào)整微網(wǎng)功率結(jié)構(gòu)，使微網(wǎng)達(dá)到新的功率平衡。微網(wǎng)典型的混合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該微網(wǎng)包含風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、負(fù)荷和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，并采用靜態(tài)切換開(kāi)關(guān)在公共連接點(diǎn)與主網(wǎng)相連。其中，蓄電池組和超級(jí)電容組分別通過(guò)兩套獨(dú)立的電力電子裝置接入微網(wǎng)系統(tǒng)中。兩套電力電子裝置都由一個(gè)雙向DC/DC和一個(gè)雙向DC/AC構(gòu)成，其中DC/DC用來(lái)穩(wěn)定PWM變流器電壓，提高其的輸出效率，DC/AC是PWM變流器，采用功率跟蹤控制，可按外界指定的功率或自身設(shè)定的功率輸出。

圖1 微網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的兩級(jí)功率分配控制原理圖如圖2所示。

圖2 混合儲(chǔ)能功率分配原理圖

由圖2可知，第1級(jí)控制是利用一階低通濾波器分離出混合儲(chǔ)能總功率需求中的高頻分量和低頻分量，其目的是用超級(jí)電容來(lái)承擔(dān)微網(wǎng)的功率的高頻波動(dòng)，從而降低蓄電池充放電環(huán)次數(shù)，提高蓄電池使用壽命；第2級(jí)控制是基于蓄電池和超級(jí)電容SOC對(duì)第1級(jí)分配的功率進(jìn)行限制和優(yōu)化，利用蓄電池的能量來(lái)優(yōu)化超級(jí)電容SOC，改變微網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能的功率需求來(lái)優(yōu)化蓄電池SOC，其目的就是將蓄電池和超級(jí)電容的SOC調(diào)整到合理的工作范圍內(nèi)，第2級(jí)控制最終得到二者的最終輸出功率目標(biāo)，同時(shí)還得出優(yōu)化功率偏差，將其與蓄電池SOC一起反饋給中央管理單元，調(diào)節(jié)微網(wǎng)對(duì)混合儲(chǔ)能的總輸出需求，這樣整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制構(gòu)成一個(gè)功率閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而提高了微網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

具體實(shí)施方式如下：

①第1級(jí)控制：

(1)

(2)

其中，T是一階低通濾波器、慣性時(shí)間常數(shù)。

②第2級(jí)控制：

(3)

3 混合儲(chǔ)能平抑風(fēng)電波動(dòng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方法

傳統(tǒng)方法如圖3所示。

(a)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(b) 平抑功率波動(dòng)分配方法圖3 傳統(tǒng)的混合儲(chǔ)能平抑風(fēng)電功率系統(tǒng)

圖3中的分配方法雖然能平抑風(fēng)電功率波動(dòng)，但沒(méi)考慮不周全，在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)過(guò)充/放電現(xiàn)象，從而影響系統(tǒng)的響應(yīng)能力和使用期限。

針對(duì)混合儲(chǔ)能的兩級(jí)多時(shí)間尺度平抑方法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)研究，改進(jìn)的控制方法的總流程框圖如圖4所示：

圖4 改進(jìn)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方法框圖

2.1 變?yōu)V波時(shí)間常數(shù)的模糊控制方法

采用時(shí)間常數(shù)T1，以避免系統(tǒng)的過(guò)充與過(guò)放，從而提高系統(tǒng)的使用時(shí)間，其控制目標(biāo)主要包括平抑后混合儲(chǔ)能功率指令的理想值和實(shí)時(shí)值功率差最小和使蓄電池剩余能量能夠有效的平抑下一時(shí)刻功率波動(dòng)。

蓄電池的荷電狀態(tài)SOCb(t)及混合儲(chǔ)能的初始功率指令PHESS_initial(t)是影響濾波時(shí)間常數(shù)的兩個(gè)重要因素，對(duì)它們進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，可以得到變量X1(t)和X2(t)：

(4)

(5)

式中，PB_max(t)表示蓄電池t時(shí)刻最大充放電功率。

輸入隸屬函數(shù)和輸出隸屬度函數(shù)如圖 5所示：

根據(jù)輸入X1(t)和X2(t)所對(duì)應(yīng)的模糊子集，建立如表1所示的模糊控制規(guī)則，由此可以得到時(shí)間修正系數(shù)ΔS的模糊集合。

圖5 隸屬函數(shù)

X1X2NBNSNSSPSSPSPBNBPBPMPSNBNBNBNSPMPMPSNSNMNBZEZEZEZEZEZEZEPSNBNMNSPSPMPMPBNBNBNBPSPMPB

采用重心法計(jì)算得到 時(shí)刻濾波時(shí)間常數(shù)的修正系數(shù)ΔS(t)：

(6)

變?yōu)V波時(shí)間常數(shù)的基本步驟如下：

①儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率指令PHESS_initial(t)。

(7)

②計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻濾波時(shí)間常數(shù)T1=T0(1+ΔS(t))。

③根據(jù)濾波時(shí)間常數(shù)T1，重新計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻最終的風(fēng)電并網(wǎng)功率及混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率指令PHESS(t)。

3.2 混合儲(chǔ)能的功率轉(zhuǎn)移協(xié)調(diào)控制方法

設(shè)超級(jí)電容SOC模糊子集：{LL, L, M, H, HH}。

(8)

根據(jù)上式判斷x的隸屬度，由下表得到功率轉(zhuǎn)移系數(shù)α：

功率轉(zhuǎn)移系數(shù)模糊規(guī)則表

轉(zhuǎn)移功率ΔPcb(t)的計(jì)算公式：

ΔPcb(t)=αPSCN

(9)

式中：PSCN為電容額定功率。當(dāng)ΔPcb(t)>0時(shí)，電容向蓄電池轉(zhuǎn)移功率，當(dāng)ΔPcb(t)<0時(shí)，蓄電池向電容轉(zhuǎn)移功率。

系統(tǒng)功率指令PHESS(t)經(jīng)過(guò)低通濾波器后得到蓄電池初始目標(biāo)功率PB_initial(t)和超級(jí)電容的初始目標(biāo)功率PC_initial(t)，以此為基礎(chǔ)，根據(jù)電容的SOC進(jìn)行功率轉(zhuǎn)移ΔPcb(t)，實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，基本方法如下：

①SOCsc(t)，根據(jù)上式計(jì)算ΔPcb(t)，根據(jù)SOCsc(t)及PC_initial(t)，進(jìn)行功率轉(zhuǎn)移：

②經(jīng)過(guò)超級(jí)電容實(shí)時(shí)最大允許充放電功率限制，計(jì)算PC_end(t)：

PC_mid(t)>PC_dmax(t)

PC_mid(t)

(30)

PC_mid(t)<-PC_cmax(t)

③計(jì)算ΔPcs，計(jì)算公式如下：

ΔPcs(t)=PC_initial(t)-PC_end(t)

(41)

此功率差將由蓄電池來(lái)承擔(dān)，讓蓄電池來(lái)調(diào)整超級(jí)電容的SOC.

④結(jié)合以上方法，算出目標(biāo)功率PB_mid(t)，計(jì)算公式為：

PB_mid=PB_initial(t)+ΔPcs(t)

(12)

考慮蓄電池充放電功率限制，PB_end(t)計(jì)算如下：

PB_mid(t)>PB_dmax(t)

PB_mid(t)

(13)

PB_mid(t)<-PB_cmax(t)

4 試點(diǎn)應(yīng)用

浙江溫州某微電網(wǎng)系統(tǒng)共接入風(fēng)力發(fā)電單元1MW和光伏發(fā)電單元1MW。由于風(fēng)光等可再生能源發(fā)電都在不同程度上受到氣候因素的影響，氣候的不確定性和隨機(jī)性會(huì)造成風(fēng)速和光照強(qiáng)度的多變，從而引起可再生能源發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的波動(dòng)甚至導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的功率失衡。傳統(tǒng)研究多采用配備單一儲(chǔ)能介質(zhì)儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)平抑可再生能源波動(dòng)并取得一定的效果，但在具體實(shí)施過(guò)程中還存在很多問(wèn)題，不能較好達(dá)到快速平抑的目標(biāo)。海島工程采用了蓄電池-超級(jí)電容互補(bǔ)儲(chǔ)能系統(tǒng)及其方法，充分利用優(yōu)勢(shì)，克服缺陷。海島供電系統(tǒng)采取雙微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖6所示，可再生能源以集中式與分布式相結(jié)合方式接入風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電單元，使得運(yùn)行控制模式更加靈活。

海島工程中631子微網(wǎng)接入1MW光伏發(fā)電系統(tǒng)和0.5MW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，配置1MW蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和500kW超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)；632子微網(wǎng)接入0.5MW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，配置1MW蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和500kW超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)。互補(bǔ)協(xié)調(diào)控制器在分析處理可再生能源發(fā)電系統(tǒng)輸出功率數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，給出針對(duì)蓄電池和超級(jí)電容的不同動(dòng)作指令從而達(dá)到快速平抑輸出波動(dòng)的目標(biāo)。

圖6 海島工程示范微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖7 混合儲(chǔ)能功率分配控制策略原理圖

圖7是海島混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配控制策略原理圖。由圖可知，第1級(jí)控制是利用一階低通濾波器分離出混合儲(chǔ)能總功率需求中的高頻分量和低頻分量，其目的是用超級(jí)電容來(lái)承擔(dān)微網(wǎng)的功率的高頻波動(dòng)，從而降低蓄電池充放電環(huán)次數(shù)，提高蓄電池使用壽命；第2級(jí)控制是基于蓄電池和超級(jí)電容SOC對(duì)第1級(jí)分配的功率進(jìn)行限制和優(yōu)化，利用蓄電池的能量來(lái)優(yōu)化超級(jí)電容SOC，改變微網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能的功率需求來(lái)優(yōu)化蓄電池SOC，其目的就是將蓄電池和超級(jí)電容的SOC調(diào)整到合理的工作范圍內(nèi)，第2級(jí)控制最終得到二者的最終輸出功率目標(biāo)，同時(shí)還得出優(yōu)化功率偏差，將其與蓄電池SOC一起反饋給中央管理單元，調(diào)節(jié)微網(wǎng)對(duì)混合儲(chǔ)能的總輸出需求，這樣整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制構(gòu)成一個(gè)功率閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而提高了微網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

以海島工程631子微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，圖8表示工程實(shí)際蓄電池的功率與參考功率值存在一定的偏差，主要是因?yàn)閮?chǔ)能電池響應(yīng)時(shí)間段導(dǎo)致。

圖8 混合儲(chǔ)能功率(/10kW)

圖9 蓄電池參考功率與實(shí)際功率(/10kW)

圖10驗(yàn)證了超級(jí)電容反映快速的特點(diǎn)。

圖10 超級(jí)電容參考規(guī)律與實(shí)際功率(/10kW)

5 結(jié)論

根據(jù)示范工程的投運(yùn)至今的運(yùn)行情況來(lái)看，課題所提出的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于風(fēng)光發(fā)電單元輸出功率波動(dòng)平抑效果良好，同時(shí)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的投入運(yùn)行可以大大減小蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)每天的平均充放電次數(shù)，提高了蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命，從而降低了儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用成本，提高了微電網(wǎng)發(fā)用電的經(jīng)濟(jì)性。