王晗雯，魯勝，周照宇

（1.國網(wǎng)宿遷供電公司，江蘇宿遷223800；2.國電南京自動化股份有限公司，南京210003；3.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，南京211100）

0 引言

隨著儲能技術(shù)的成熟，電池儲能較好的穩(wěn)定性和靈活性使其成為了微電網(wǎng)黑啟動電源的首選［1-4］。黑啟動電源由傳統(tǒng)抗干擾性和負荷跟蹤性較好的微型燃氣輪機、柴油發(fā)電機等向電池儲能系統(tǒng)等分布式電源過渡［5］。

當前，儲能系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，為系統(tǒng)運行提供電壓和頻率支撐，提升系統(tǒng)整體運行的可靠性和電能質(zhì)量。通過為風(fēng)電場配置一定容量的電池儲能系統(tǒng)，可制定儲能型風(fēng)電場作為電網(wǎng)黑啟動電源的方案［6］。但是，目前主要還是采用單一儲能系統(tǒng)的運行控制方案，存在性能單一和適用性低等不足，不利于儲能容量和經(jīng)濟性的優(yōu)化配置。

綜合考慮上述問題，提出通過多類型儲能相結(jié)合的混合儲能系統(tǒng)（HESS）來提高儲能系統(tǒng)的性能和適用性［6-7］。在多種儲能子系統(tǒng)之間借助“能者多勞”的原則來提升系統(tǒng)的整體性能和經(jīng)濟性，現(xiàn)有的HESS研究主要針對系統(tǒng)功率波動抑制和功率平滑。文獻［8］設(shè)計了一種模塊化HESS集成架構(gòu)，并提出相應(yīng)的全局優(yōu)化與局部分配相結(jié)合的雙層能量管理策略，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性；文獻［9］提出了一種光伏最大功率點跟蹤（MPPT）控制和HESS協(xié)調(diào)平抑光伏并網(wǎng)功率波動策略，通過光伏和HESS的密切配合，能有效地將光伏并網(wǎng)功率波動抑制在電網(wǎng)可接受范圍內(nèi)；文獻［10］提出采用超導(dǎo)磁儲能與蓄電池混合儲能最大程度地補償風(fēng)電場出口的功率波動，實現(xiàn)風(fēng)電場可靠并網(wǎng)。綜上所述，混合儲能系統(tǒng)相比單一儲能介質(zhì)具有更加顯著的性能優(yōu)勢，發(fā)展大容量混合儲能技術(shù)十分必要。

鋰電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長的優(yōu)點，但成本相對昂貴，在微電網(wǎng)系統(tǒng)中通常用作黑啟動電源，為微電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐［11-12］；鉛酸電池技術(shù)成熟、性價比高，但因為循環(huán)壽命相對較短，在微電網(wǎng)中常被用作電能存儲［13-14］。

針對光儲型微電網(wǎng)在孤島運行過程中，單一鋰電池配置容量不足會帶來的黑啟動失敗和系統(tǒng)失穩(wěn)的問題［15-17］，本文提出一種基于鋰電池-鉛酸電池混合儲能的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略及相應(yīng)的經(jīng)濟性評價模型。光伏發(fā)電系統(tǒng)采用改進擾動觀測法的MPPT控制，在系統(tǒng)功率出現(xiàn)大幅值變化時，通過跟蹤負荷和光伏的功率變化，動態(tài)調(diào)整鉛酸儲能的出力，對鋰電儲能的容量和出力進行補充，保證微電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。通過電力系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計（PSCAD）仿真結(jié)果驗證了本文所提策略的有效性。

1 裝置層控制策略

1.1 鉛酸電池-鋰電池混合儲能系統(tǒng)

本文所提鉛酸電池-鋰電池混合儲能系統(tǒng)完整結(jié)構(gòu)如圖1所示，其包括鉛酸電池子儲能系統(tǒng)、鋰電池子儲能系統(tǒng)。鉛酸電池子儲能系統(tǒng)包括鉛酸電池和對應(yīng)的儲能變流器，鋰電池子儲能系統(tǒng)包括鋰電池和對應(yīng)的儲能變流器，2個子儲能系統(tǒng)在換流器交流側(cè)并聯(lián)。

鉛酸電池儲能和鋰電儲能的變流器分別采用定功率（PQ）控制和電壓/頻率（V/F）控制。PQ控制分為功率外環(huán)控制器和電流內(nèi)環(huán)控制器，外環(huán)通過給定的有功功率和無功功率指令值得到內(nèi)環(huán)電流指令值，再通過內(nèi)環(huán)控制器進行矢量電流跟蹤，實現(xiàn)對有功功率和無功功率的靈活解耦控制。V/F控制通過電壓外環(huán)實現(xiàn)系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定控制，內(nèi)環(huán)控制器進行矢量電流跟蹤；采用鎖相環(huán)實現(xiàn)系統(tǒng)頻率的跟蹤控制［18］。

1.2 自適應(yīng)步長P&O的MPPT控制

光伏逆變器采用MPPT控制，根據(jù)外界環(huán)境光照強度和溫度自動調(diào)整光伏陣列的運行工作點，使其輸出功率盡量保持為最大值，保證光能的高利用率。圖2為光伏發(fā)電的控制系統(tǒng)，控制器外環(huán)采用MPPT算法得到最大功率點時內(nèi)環(huán)控制器的電流指令值，再由內(nèi)環(huán)電流控制器實現(xiàn)對電流的跟蹤控制。

圖1 鉛酸電池-鋰電池混合儲能系統(tǒng)Fig.1 The structure of an HESS within lead?acid batteries and lithium batteries

圖2 光伏發(fā)電的控制系統(tǒng)Fig.2 Photovoltaic generation control system

工程中應(yīng)用較多的MPPT算法是擾動觀測法（P&O），其原理是在光伏工作電壓上施加擾動，實時采集光伏電壓和電流的輸出值，對比擾動前后的功率變化，動態(tài)調(diào)整光伏的工作電壓，使光伏陣列穩(wěn)定工作在最大功率點附近。

擾動施加的步長很大程度上影響系統(tǒng)跟蹤最大功率點的速率，在最大功率點處不可避免地存在振蕩狀態(tài)。針對這一問題，提出變步長和設(shè)定門限值的方式對傳統(tǒng)的擾動觀測法進行改進，當系統(tǒng)工作點距離最大功率點較遠時采用較大步長跟蹤；當系統(tǒng)工作點距離最大功率點較近時采用小步長跟蹤；當系統(tǒng)輸出變化在門限值之內(nèi)時停止施加擾動，保證輸出的穩(wěn)定性。

圖3為均勻光照下光伏電池的P-U特性曲線，M點為最大功率點。

設(shè)輸出功率相對于電壓的變化率為κ，W/V：

由圖3可知，當外界條件不變的情況下，最大功率點左側(cè)的κ＜0，最大功率點右側(cè)的κ＞0，只有在最大功率點處κ=0，且越靠近M點κ越接近0，越遠離M點κ越大，采用此特性，實現(xiàn)系統(tǒng)擾動步長的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

圖3 均勻光照下光伏電池的P-U特性曲線Fig.3 P-U curve of PV cells under uniform illumination

設(shè)擾動步長為

式中：Δtint為步長初始值，s；κmin為擾動動作的門限值。當|κ|＜κmin時，系統(tǒng)停止施加擾動，設(shè)置 Δtint為0.02 s，κmin為0.017。

2 系統(tǒng)層控制策略

在實際微電網(wǎng)工程中，由于鋰電池成本較大，配置大容量的鋰電池儲能會提高投資成本，在運行過程中，僅以鋰電池作為黑啟動電源，其容量低或出力不足，將會導(dǎo)致黑啟動失敗或系統(tǒng)失穩(wěn)［19］。

在鉛酸電池和鋰電池HESS中，針對鋰電池儲能系統(tǒng)能量密度高、循環(huán)壽命長的特點，用于抑制小幅值高頻的功率波動；針對鉛酸電池循環(huán)壽命相對較短，但性價比高的特點，將其用于大幅值低頻功率波動調(diào)節(jié)，避免鉛酸電池頻繁充放電，為HESS提供容量和功率支撐。

具體控制原理：光伏逆變器采用MPPT控制，鋰電池采用V/F控制，鉛酸電池儲能通過對負荷功率和光伏出力的跟蹤，動態(tài)調(diào)整鉛酸電池儲能的出力值。

微電網(wǎng)孤島運行，由系統(tǒng)功率平衡原理可得表達式

式中：PPb（t）為鉛酸電池儲能系統(tǒng)的出力，kW；PLi（t）為鋰電池儲能系統(tǒng)的出力，kW；PPV（t）為光伏有功出力，kW；Pload（t）為系統(tǒng)的有功負荷需求，kW。

由系統(tǒng)功率平衡可知HESS的充放電功率表達式為

HESS的充放電功率主要由鉛酸電池子儲能系統(tǒng)和鋰電池子儲能系統(tǒng)的出力組成，

將HESS充放電功率進行低通濾波器濾波，得到低頻分量作為鉛酸電池儲能的功率指令值，本文以一階低通濾波器為例，得鉛酸電池儲能的功率指令值與HESS充放電功率之間的關(guān)系為

式中：s為微分算子；T為濾波時間常數(shù)，s。T根據(jù)系統(tǒng)運行的狀態(tài)通常設(shè)置為秒級或分鐘級。

將式（6）中的s用d/dt表示，設(shè)ΔT為計算步長，s。進行差分后得到其離散型迭代形式

由式（7）可知，PPb（t）緩慢跟隨PHESS（t）變化，呈低頻波動，符合鉛酸電池儲能的特性。

圖4為鉛酸電池出力控制流程圖，Limit模塊為最大充放電功率限制保護，當鉛酸電池的充放電功率超過最大充放電功率限制時，則將其充放電功率限定為儲能系統(tǒng)最大充放電功率限制值。圖中LPF為低通濾波器。

圖4 鉛酸電池出力控制流程Fig.4 Output control flow of a lead?acid battery

3 HESS成本分析

儲能的全壽命周期成本包括投資成本、運行成本、報廢處理成本，以及回收殘值等。本文主要考慮系統(tǒng)的投資成本和運行成本，對HESS的功率配置和容量配置進行經(jīng)濟性分析，不考慮回收殘值等。

投資成本包括儲能變流器的單位功率投資成本和電池本體單位容量投資成本，其模型表達式為

式中：Cpinv_Pb和Cpinv_Li分別為鉛酸電池儲能和鋰電池儲能單位功率投資成本，元/kW；Ceinv_Pb和Ceinv_Li為鉛酸電池儲能系統(tǒng)和鋰電池儲能系統(tǒng)單位容量投資成本，元/（kW·h）；Prate_Pb和Prate_Li為鉛酸電池儲能和鋰電池儲能額定功率，kW；Erate_Pb和Erate_Li為鉛酸電池儲能和鋰電池儲能額定容量，kW·h。

系統(tǒng)運行階段系統(tǒng)的維護成本為

式中：Ceom_Pb和Ceom_Li為鉛酸電池儲能和鋰電池儲能單位電量的運行維護成本，元/（kW·h）；Wess_Pb和Wess_Li為鉛酸電池儲能和鋰電池儲能的充放電量，kW。

綜上可得鉛酸電池與鋰電池HESS的成本表達式為

式中：Cinv_HESS為投資成本，元；Ceom_HESS為系統(tǒng)運行階段系統(tǒng)的維護成本，元。

4 算例分析

4.1 算例說明

為驗證上述所提策略的有效性，以某園區(qū)微電網(wǎng)為例，在PSCAD軟件上搭建微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)。該微電網(wǎng)側(cè)式系統(tǒng)拓撲如圖5所示，圖中分布式光伏的裝機容量為260 kW，鋰電池儲能的裝機規(guī)模為30 kW/20 kW·h，鉛酸電池儲能的裝機容量為30 kW/120 kW·h。DC/AC為變流器；PCC為公共連接點。

圖5 測試系統(tǒng)拓撲Fig.5 Test system topology

分別采用單一儲能和混合儲能的方式進行微電網(wǎng)孤島運行試驗，對比2種策略下系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。具體策略制定如下。

策略1：采用文獻［20］提出的單一鋰電池儲能作為黑啟動電源。

策略2：采用本文所提的鉛酸電池-鋰電池HESS作為黑啟動電源，濾波時間常數(shù)T為1 s。

仿真運行周期設(shè)定為30 s，系統(tǒng)頻率為50 Hz，環(huán)境溫度恒定為25℃，光伏發(fā)電系統(tǒng)采用MPPT控制，輸出功率隨光照強度和環(huán)境溫度變化，光伏出力曲線和負荷曲線如圖6所示。

圖6 光伏出力和負荷曲線Fig.6 The curve of relationship between PV output and load

4.2 可行性驗證

策略1僅依靠單一鋰電池儲能進行功率平衡，儲能系統(tǒng)出力曲線如圖7所示，在該策略下，當負荷發(fā)生大幅值變化或長時間運行在較大功率平衡差值狀態(tài)時，需要配置較大容量的鋰電池來維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行；策略2則是同時依靠鉛酸電池和鋰電池進行功率支撐，儲能系統(tǒng)出力曲線如圖8所示，當系統(tǒng)功率不平衡時，鋰電池儲能快速響應(yīng)，平抑功率波動，維持系統(tǒng)功率平衡，鉛酸電池儲能系統(tǒng)功率緩慢響應(yīng)，同時鋰電池功率逐漸下降到0。穩(wěn)態(tài)時鉛酸電池提供全部的等效功率，實現(xiàn)了動態(tài)功率分配。從而有效減少了鋰電池出力，降低對鋰電池容量配置的需求。

圖7 單一鋰電池出力曲線Fig.7 Output curve of a single lithium battery

圖8 混合儲能系統(tǒng)出力曲線Fig.8 Output curve of a hybrid energy storage system

HESS中鉛酸電池子儲能系統(tǒng)出力和鋰電池子儲能系統(tǒng)出力的頻率分布如圖9所示。由圖可知，在系統(tǒng)功率平衡和調(diào)壓調(diào)頻的過程中，鋰電池主要承擔頻率較高的功率波動，鉛酸電池主要承擔低頻的功率波動，滿足協(xié)調(diào)控制算法的設(shè)計目標。

由于有鋰電池的暫態(tài)功率支撐，使得HESS充放電切換時鉛酸電池的功率曲線變得平滑，充分發(fā)揮了二者功率特性的互補優(yōu)勢。

4.3 經(jīng)濟性驗證

鉛酸電池儲能系統(tǒng)和鋰電池儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性指標見表1。

表1 儲能系統(tǒng)成本參數(shù)Tab.1 Cost parameters of an energy storage system

以24 h為1個運行周期為例，系統(tǒng)穩(wěn)定運行所需配置的額定容量Erate、額定功率Prate、充放電電量Wess，以及儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟成本Cinv見表2。

圖9 子儲能系統(tǒng)出力頻率分布Fig.9 Output and frequency distribution of an energy?storage subsystem

表2 2種策略下儲能所需配置和成本Tab.2 Configurations and costs of energy storage with two strategies

對比表2中數(shù)據(jù)可見：策略1所需的鋰電池儲能容量和充放電電量大于策略2，主要原因是策略2通過控制鉛酸電池出力，降低了對鋰電池容量和額定功率的需求；策略2的儲能成本低于策略1，原因是相對于鋰電池儲能，鉛酸電池儲能性價比更高。

綜上所述，在孤島微電網(wǎng)的運行中，采用本文所提的HESS協(xié)調(diào)控制策略能有效降低系統(tǒng)運行過程對黑啟動電源出力和容量的需求，進而提升系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。同時，相比于單一儲能系統(tǒng)，HESS協(xié)調(diào)控制策略能降低微電網(wǎng)的經(jīng)濟成本，提升經(jīng)濟收益，證明了本文所提策略的可行性。

5 結(jié)論

本文詳細闡述了鉛酸電池-鋰電池HESS的拓撲結(jié)構(gòu)，以及裝置層控制策略，改進了傳統(tǒng)P&O的光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT控制策略；并基于鋰電池和鉛酸電池HESS理論，提出了一種光儲型微電網(wǎng)孤島運行的協(xié)調(diào)控制方案，通過實際微電網(wǎng)數(shù)據(jù)仿真試驗表明：

（1）運行穩(wěn)定性高。相比單一儲能的黑啟動電源，所提HESS策略能有效降低微電網(wǎng)對黑啟動電源的容量和出力的需求，提高微電網(wǎng)在黑啟動和孤島運行的穩(wěn)定性。

（2）經(jīng)濟收益高。鉛酸電池和鋰電池HESS能有效降低微電網(wǎng)黑啟動電源系統(tǒng)所需配置的容量和額定功率，減少鋰電池儲能的出力。有效降低微電網(wǎng)的投資成本和運行成本，提升微電網(wǎng)的經(jīng)濟收益。