李 洋，陳 潔，王小軍，段生強(qiáng)

(1. 新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830000；2. 新疆克州電網(wǎng)，新疆 克州 845350 )

1 引言

微電網(wǎng)一方面能有效提高電力系統(tǒng)對(duì)可再生能源的消納能力，如風(fēng)電和光伏等。另一方面，微電網(wǎng)具有能源利用效率高，同時(shí)也能減少電網(wǎng)的總?cè)萘?，能有效的改善電力系統(tǒng)的峰谷性能的特性。在微電網(wǎng)中，儲(chǔ)能設(shè)備具有快速充放電的能力，能有效的削弱可再生能源具有的不確定性對(duì)電力系統(tǒng)帶來(lái)的影響，能保證系統(tǒng)功率供需平衡。在微電網(wǎng)中，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)具有功率型儲(chǔ)能設(shè)備和能量型儲(chǔ)能設(shè)備，能較好的滿足功率和能量的需求，因此采用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能達(dá)到較好的效果。

文獻(xiàn)[6-7]采用了低通濾波的方法對(duì)間歇性電源進(jìn)行分解，根據(jù)儲(chǔ)能設(shè)備的荷電狀態(tài)運(yùn)行模糊控制策略對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率進(jìn)行優(yōu)化，仿真結(jié)果表明模糊控制能保證儲(chǔ)能設(shè)備的荷電狀態(tài)安全穩(wěn)定的運(yùn)行在合理的區(qū)間。文獻(xiàn)[8]通過對(duì)光伏功率曲線的幅頻特性分析，運(yùn)行小波包方法對(duì)光伏功率曲線進(jìn)行分解，確定了儲(chǔ)能設(shè)備的平抑目標(biāo)曲線，結(jié)合超級(jí)電容器的荷電狀態(tài)運(yùn)用模糊控制對(duì)其進(jìn)行控制，仿真結(jié)果表明，模糊控制器能優(yōu)化超級(jí)電容器的荷電狀態(tài)，提高其在下一時(shí)刻安全運(yùn)行的能力。文獻(xiàn)[9]建立了包含光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)及蓄電池的微網(wǎng)模型，以負(fù)荷波動(dòng)及微網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，仿真結(jié)果表明儲(chǔ)能系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)供需功率平衡，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

上訴的研究主要是針對(duì)微電網(wǎng)中的間歇性電源進(jìn)行平抑展開的控制策略研究并取得了相應(yīng)的成果；但在微電網(wǎng)中，一方面要考慮平抑間歇性電源輸出的同時(shí)，也應(yīng)該保證負(fù)荷的電能質(zhì)量。因此本文從間歇性電源輸出功率的波動(dòng)和負(fù)荷的波動(dòng)角度切入。建立微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出了微電網(wǎng)中混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙層模糊控制優(yōu)化策略，在平抑間歇性輸出功率波動(dòng)的前提下，既保證了儲(chǔ)能設(shè)備的荷電狀態(tài)在安全范圍內(nèi)運(yùn)行，又提高了微電網(wǎng)供電質(zhì)量。

2 微電網(wǎng)中混合儲(chǔ)能系統(tǒng)模型及其評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

儲(chǔ)能設(shè)備SOC表達(dá)式如下

(1)

歸一化后的

SOC

平衡指標(biāo)為

(2)

式中：

S

，為荷電狀態(tài)的期望值。

歸一化的功率飽和指標(biāo)為

(3)

2.2 負(fù)荷偏離度的評(píng)價(jià)指標(biāo)

在微電網(wǎng)中的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中本文采用的是雙層模糊控制優(yōu)化策略，第一層模糊控制的作用是對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，第一層模糊控制的運(yùn)用會(huì)改變?cè)械幕旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率指令，從而引起負(fù)荷功率曲線的改變，同時(shí)導(dǎo)致負(fù)荷偏離其負(fù)荷調(diào)度曲線。為了量化負(fù)荷功率的偏離情況果，本文采用了最終輸出的負(fù)荷功率曲線偏離負(fù)荷調(diào)度曲線總和∑Δ

P

值來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其表達(dá)式為：∑Δ

P

=∑|

P

，-

P

|

(4)

式中：

P

表示的是負(fù)荷調(diào)度曲線；

P

，表示的是合成負(fù)荷功率曲線。

3 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行策略

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行能有效的提高風(fēng)電和光伏的消納能力，并且混合儲(chǔ)能系統(tǒng)具有功率和能量的互補(bǔ)特性，能提高電池的使用壽命。風(fēng)光資源的隨機(jī)性和間歇性等問題將會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能設(shè)備的充放電具有隨機(jī)性，同時(shí)也對(duì)負(fù)荷的電能質(zhì)量產(chǎn)生了影響。因此本文提出微電網(wǎng)中混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙層模糊控制優(yōu)化策略，如圖1所示。

圖1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行策略

控制策略如下所示：

1)采用小波包分解方法對(duì)風(fēng)電

P

和光伏

P

聯(lián)合進(jìn)行分解得到低頻分量

P

、中頻分量和高頻分量，將中頻分量作為蓄電池的初級(jí)參考功率指令

P

1，將高頻分量作為超級(jí)電容器的初級(jí)參考功率指令

P

1。2)將低頻分量與微型燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率

P

相加，接著與負(fù)荷調(diào)度曲線

P

作差，將差值對(duì)蓄電池進(jìn)行修正，得到修正功率

P

2。

3)以歸一化后的儲(chǔ)能設(shè)備的功率飽和指標(biāo)和荷電狀態(tài)的平衡指標(biāo)作為第一層模糊控制的輸入量，進(jìn)行儲(chǔ)能設(shè)備的荷電狀態(tài)的調(diào)節(jié)。輸出量為功率修正系數(shù)。

4)將功率修正系數(shù)和儲(chǔ)能設(shè)備的荷電狀態(tài)的平衡指標(biāo)作為第二層模糊控制器的輸入量，削弱因第一層模糊控制引起的合成負(fù)荷功率波動(dòng)的影響。

4 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙層模糊控制優(yōu)化策略

4.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)的第一層模糊控制器設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能系統(tǒng)中的第一層模糊控制器的主要作用是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能設(shè)備SOC調(diào)節(jié)。其原理為：當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備SOC趨于上限值時(shí)，若儲(chǔ)能設(shè)備功率指令為充電狀態(tài)，則應(yīng)適當(dāng)減小充電功率指令，防止發(fā)生過程充電現(xiàn)象，延長(zhǎng)儲(chǔ)能設(shè)備的使用壽命，若儲(chǔ)能設(shè)備功率指令為放電狀態(tài)，則應(yīng)該適當(dāng)增大其放電功率，保證儲(chǔ)能設(shè)備下一時(shí)刻具有較好的充放電狀態(tài)；當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備SOC趨于下限值時(shí)，若儲(chǔ)能設(shè)備的功率指令為充電狀態(tài)，則應(yīng)適當(dāng)增大其充電功率指令，保證儲(chǔ)能設(shè)備在下一時(shí)刻能有較好的運(yùn)行狀態(tài)，若儲(chǔ)能設(shè)備的功率指令為放電狀態(tài)，則應(yīng)適當(dāng)減小放電功率指令，保證儲(chǔ)能設(shè)備不發(fā)生過度放電現(xiàn)象。

第一層模糊控制器的輸入量為

ε

(

t

)和

η

(

t

)，其論域均為[-1，1]，模糊控制器的輸出量為Δ

k

(

t

)，模糊控制器的輸入與輸出隸屬度函數(shù)如圖2和圖3所示。儲(chǔ)能系統(tǒng)中各儲(chǔ)能設(shè)備的第一層模糊控制規(guī)則分別如表1和表2所示。

圖2 輸入隸屬度函數(shù)

圖3 輸出隸屬度函數(shù)

表1 蓄電池第一層模糊控制規(guī)則表

表2 超級(jí)電容器第一層模糊控制規(guī)則表

運(yùn)用加權(quán)平均法對(duì)模糊控制器的輸出集合進(jìn)行清晰化，其表達(dá)式為：

(5)

式中：

i

和

j

可視為

VS

，

S

，

MS

，

M

，

MB

，

B

，

VB

；

μ

(

t

)，

i

和

μ

(

t

)，

j

為模糊控制器輸入量所對(duì)面的第

i

和第

j

個(gè)隸屬度值。

第一層模糊控制所對(duì)應(yīng)的修正功率為：

(6)

4.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)的第二層模糊控制器設(shè)計(jì)

在微電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)中運(yùn)用單一的模糊控制策略，雖然能有效保證儲(chǔ)能設(shè)備SOC運(yùn)行在安全范圍內(nèi)，但是影響了負(fù)荷的電能質(zhì)量。蓄電池和超級(jí)電容器的能量具有互補(bǔ)性，通過不同儲(chǔ)能設(shè)備之間的能量流動(dòng)可以有效的解決上述問題。

第二層模糊控制作用主要是改善因第一層模糊控制器因功率修正導(dǎo)致的實(shí)際負(fù)荷偏離負(fù)荷調(diào)度曲線的影響。其運(yùn)行原理為：當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備的SOC大于其期望值時(shí)，若此時(shí)另一儲(chǔ)能設(shè)備產(chǎn)生的功率修正系數(shù)為正，此時(shí)儲(chǔ)能設(shè)備可以通過適當(dāng)放電，補(bǔ)償系統(tǒng)功率缺額，保證負(fù)荷的穩(wěn)定性。當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備的SOC小于其期望值時(shí)，若此時(shí)另一儲(chǔ)能設(shè)備產(chǎn)生的功率修正系數(shù)為負(fù)，此時(shí)儲(chǔ)能設(shè)備可以通過適當(dāng)充電，消納系統(tǒng)多余功率，保證負(fù)荷的穩(wěn)定性。

第二層模糊控制器輸入量為

ε

(

t

)和Δ

k

(

t

)，模糊控制器的輸出量為Δ

y

(

t

)。模糊控制器的輸入與輸出隸屬度函數(shù)分別如圖4和圖5所示。第二層模糊控制規(guī)則如表3和表4所示。

圖4 輸入隸屬度函數(shù)

圖5 輸出隸屬度函數(shù)

表3 蓄電池第二層模糊控制規(guī)則表

表4 超級(jí)電容器第二層模糊控制規(guī)則表

經(jīng)過雙層模糊控制優(yōu)化后的儲(chǔ)能設(shè)備的功率指令為

(7)

最終合成的負(fù)荷功率曲線為：

P

，(

t

)=

P

(

t

)+

P

(

t

)+

P

(

t

)-

P

2(

t

)-

P

2(

t

)

(8)

5 仿真分析

根據(jù)上訴理論，在Matlab/Simulink搭建數(shù)學(xué)仿真模型。在算例中，其中儲(chǔ)能設(shè)備的SOC的上下限值分別為0.9和0.1，SOC的初始值和期望值均為0.5。微網(wǎng)中配置的風(fēng)電額定運(yùn)行功率為10kW，光伏額定運(yùn)行功率為6kW，微型燃?xì)廨啓C(jī)的額定運(yùn)行功率為6kW，蓄電池的額定容量為0.5kW·h，其額定運(yùn)行功率為2kW；超級(jí)電容器額定容量為0.2kW·h，其額定運(yùn)行功率為1kW。微網(wǎng)中各微源運(yùn)行24h曲線和典型期望日負(fù)荷曲線如圖6所示。

圖6 微網(wǎng)源功率及典型日負(fù)荷

微網(wǎng)中將風(fēng)電功率和光伏曲線聯(lián)合進(jìn)行小波包分解如圖7所示，小波包分解層數(shù)為6，低頻分量為

S

～

S

，中頻分量為

S

～

S

，其余為高頻分量。將圖7中分解得到的中頻分量和高頻分量分別作為蓄電池和超級(jí)電容器的功率指令

P

1和

P

1。

圖7 分解結(jié)果

為了驗(yàn)證第一層模糊控制對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備SOC調(diào)節(jié)的有效性，圖8展示了有無(wú)第一層模糊控制時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備SOC的變化曲線。

圖8 儲(chǔ)能設(shè)備荷電狀態(tài)

由圖8可知，在無(wú)第一層模糊控制下蓄電池的SOC和超級(jí)電容器的SOCsc分別在區(qū)間[0.05 1]和[0.27 1]，均超過其荷電狀態(tài)的上下限值。而在第一層模糊控制的作用下蓄電池的SOC和超級(jí)電容器的SOCsc分別在區(qū)間[0.12 0.88]和[0.27 0.88]，均運(yùn)行在規(guī)定的范圍內(nèi)。

根據(jù)式(8)得到了最終的合成的負(fù)荷取線。期望負(fù)荷與采用單/雙層模糊優(yōu)化控制得到的最終合成負(fù)荷曲線如圖9所示。

圖9 負(fù)荷調(diào)度曲線與合成負(fù)荷對(duì)比

表5 單/雙層模糊控制負(fù)荷偏離情況

從圖9和表5可以明顯看出，本文所提控制策略具有明顯優(yōu)勢(shì)，在微電網(wǎng)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中采用雙層模糊控制優(yōu)化策略相對(duì)于傳統(tǒng)的單層模糊控制，能相對(duì)削弱因?yàn)閱螌幽：刂普{(diào)節(jié)儲(chǔ)能設(shè)備的荷電狀態(tài)而增大實(shí)際負(fù)荷偏離負(fù)荷調(diào)度的影響。

6 結(jié)論

本文針對(duì)微網(wǎng)內(nèi)間歇性電源輸出功率的波動(dòng)性，提出了微電網(wǎng)中混合儲(chǔ)能系統(tǒng)采用雙層模糊控制優(yōu)化的策略，研究結(jié)論如下：1)采用小波包分解方法能夠合理有效的實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能設(shè)備之間的功率分配。2)模糊控制器能有效的保證儲(chǔ)能設(shè)備SOC運(yùn)行在安全范圍內(nèi)，防止儲(chǔ)能設(shè)備發(fā)生過度充放電現(xiàn)象。3)本文采用的雙層模糊優(yōu)化控制策略不僅利用模糊控制對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備SOC進(jìn)行修正，同時(shí)還有效的改善了因單層模糊控制導(dǎo)致實(shí)際負(fù)荷偏離負(fù)荷調(diào)度曲線的程度。