基于电池储能系统的微电网功率平滑控制研究

孙攀，赖晓璐，袁野，朱华靖，孟宪侠，孙锋

（1.国电南京自动化股份有限公司，南京 210032；2.南京国电南自城乡电网自动化工程有限公司，南京 210032）

基于电池储能系统的微电网功率平滑控制研究

孙攀1，2，赖晓璐1，2，袁野1，2，朱华靖1，2，孟宪侠1，2，孙锋1，2

（1.国电南京自动化股份有限公司，南京 210032；2.南京国电南自城乡电网自动化工程有限公司，南京 210032）

针对微电网中可再生能源接入导致发电输出功率波动大且随机性强的问题，提出一种基于电池储能系统的微电网功率平滑控制方法。该方法利用电池荷电状态的实测值为反馈，调节平滑控制方法的时间系数，有效避免了可再生能源接入引起的微电网功率波动，同时使储能电池的荷电状态保持稳定在标准范围内，提高电池的使用寿命。建立仿真模型验证了所述控制方法的有效性。

可再生能源；微电网；荷电状态；功率平滑控制

0 引言

近年来，太阳能、风能等可再生能源得到了越来越多的重视与应用，可再生能源发电技术越来越成熟，大量由可再生能源发电构成的分布式电源微电网项目得以实施。由于可再生能源发电功率波动大、随机性强的特点，微电网项目中80%均配备了储能系统。微电网中储能系统可有效抑制可再生能源发电输出功率的波动，对微电网的稳定运行提供一定的支撑。

通常来说，储能系统按照储能方式的不同分为电化学电池储能，抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等物理储能，超级电容和超导储能等电磁储能，其中电池储能的工程应用最为成熟且经济性较好。

文献［1－2］分析了微电网在进行并、离网切换时，采用储能设备来使微电网的电压、频率保持稳定。文献［3］分析了分布式风电利用储能系统将每时段风电输出功率控制在定值范围，有效抑制了对外输出功率的波动，但该方法需要频繁地充放电，将大大缩短电池的工作寿命。文献［4－5］提出了基于混合储能系统的分布式风电功率波动控制方法，但未考虑电池使用寿命以及配置混合储能系统的成本问题。

本文基于电池储能系统，利用电池管理系统中电池荷电状态（SOC）的数据指标，提出了一种储能系统控制方法，在抑制可再生能源接入引起功率波动的同时，有效抑制了电池的过充过放，延长了电池使用寿命，并通过仿真验证了该控制方法的有效性。

1 微电网功率平滑控制

1.1 典型微电网结构

典型的含有多种分布式电源的微电网如图1所示，它由光伏、风力这些可再生能源以及储能系统、负荷、开关、监控系统、控制保护等二次设备构成。光伏、风力发电等均采用最大功率跟踪控制（MPPT）算法［6］。可再生能源的随机波动性与不确定性，导致其无论是并入大电网输送功率还是独立给负荷供电，都需要配合储能系统，组成一个完整的、功率稳定的系统。

>图1 多种分布式电源构成的微电网

1.2 基于储能控制的微电网功率平滑控制

为了清晰地说明本文提出的控制方法，把微电网的构成加以简化：微电网系统中可再生能源发电选用光伏发电；假设微电网系统中能源供应系统由光伏发电系统与储能系统组成。

1.2.1 未考虑电池SOC的储能控制方法

储能系统控制方法采用功率波动平滑控制策略，实时调节储能系统的输出功率，对微电网的净功率中某一特定频段的波动分量进行补偿，以达到微电网内功率平衡的控制目标。

系统中光伏发电子系统采用最大功率跟踪控制（MPPT）算法［7］，储能系统采用给定功率指标参数的PQ控制模式。上层控制系统负责采集、计算微电网内净功率，并根据控制算法对储能系统下达功率指标参数。

根据微电网内功率平衡的控制目标，微电网内各功率指标满足守恒公式

式中：Pload为微电网内负荷功率；Ppv为光伏发电输出功率；Pbat为储能电池输出功率；Pj＝Ppv－Pload为微电网的净功率，若其值为负，则说明微电网从电网取电，若其值为正，则说明微电网向电网放电。

通过低通滤波环节得出微电网功率参考值Pj－ref，Pj－ref与Pj的差值为储能输出有功功率参考值Pbat－ref，若其值为正说明储能系统对外放电，为负说明储能系统吸收功率给电池充电［8］。低通滤波环节采用的传递函数如下

式中：s为微分算子；T为滤波周期。

微电网功率平滑储能控制算法中各变量的关系如下

将式（3），（4）中的s用来表示，差分后得

式中：Td为计算周期；Pj－ref（t－1）为微电网的净功率Pj（t）上一时刻的参考值。在实际工程中Td是已知的，所以，最终储能系统下一时刻的功率参考值Pbat－ref（t＋1）与控制时间参数T和当前微电网的净功率Pj（t）有关。

1.2.2 考虑电池SOC的储能控制方法

在1.2.1中描述的微电网储能控制方法中加入电池SOC这一参数，用来对平滑控制的控制时间参数T进行反馈调节。SOC是指电池组当前剩余电荷量，在实际的微电网工程项目中，储能系统的电池组是由多个电池单元串、并联组成的［9－12］，本文提及的SOC值均是电池管理系统（BMS）提供的实测值，其中包含了合理测算整个电池组系统中SOC的算法，这是电池管理系统的研究范畴，本文不做过多介绍。

得到电池管理系统提供的SOC值后，可以将整个储能系统中的电池组看成一个大的单体电池。将这个单体电池的SOC值分档（如图2所示）：电池组实测SOC值在［SOC1，SOCh］范围内为正常值，当SOC值超出这个范围时，控制时间参数T将发生变化。SOCmax，SOCmin为电池组工作的极限值：当SOC≥SOCmin时，储能系统限制充电，只允许放电；当SOC≤SOCmin时，储能系统限制放电，只允许充电。

图2 SOC值分档示意

基于SOC的储能系统微电网功率平滑控制原理如图3所示，引入SOC实测值作为平滑控制时间参数的反馈调节依据。控制时间参数反馈调节量计算方法如下

图3 基于SOC的储能系统微电网功率平滑控制原理框图

式中：D为平滑控制时间参数变化速率。假如微电网系统内的可再生能源发电的构成不同，D的选取稍有不同。对于风力发电系统，D可以选小一些，因为风力发电系统中高频有功波动分量较多；对于光伏发电系统，由于其低频功率波动分量较多，所以D可以选取得大一些。图4为基于SOC的储能系统微电网功率平滑控制流程。

图4 基于SOC的储能系统微电网功率平滑控制流程

2 仿真验证

仿真验证系统结构为含有分布式光伏与电池储能的微电网并网系统。系统内设计80 kW的光伏发电系统，40 kW的负荷，储能双向变流器额定输出功率为40 kW，电池额定容量为40 kW·h。仿真的初始条件及参数为：SOCmax＝1.00，SOCmin＝0.25；SOCh＝0.75，SOCl＝0.45，SOC0＝0.55；T＝10，T∈［2，10］；T0＝10；仿真时间40 s；Td＝2；D＝0.2。电池SOC等相关参数在实际项目中可以根据电池介质选用的情况自行设定。

由于仿真时没有电池管理系统上传电池的SOC实测值，所以本文的SOC值用下式估算

式中：i为电流的瞬时值；SOC0为电池SOC初始值；Qe为电池组容量。

仿真1中没有将储能电池SOC参数加入控制策略。假设微电网平滑控制时间参数T＝10。从仿真结果可以明显看出：仿真开始时光伏功率小于微电网内负荷功率，储能电池对外释放功率来弥补功率缺额，当SOC达到SOCmin限值0.25时，储能电池停止对外释放功率，且网点处的有功功率Ppcc联络线出现明显振荡。当t＝20s时，储能电池SOC达到SOCmax限值1.00，停止对储能电池充电，此时并网点处的有功功率联络线亦出现剧烈变化。仿真结果如图5所示。

图5 仿真1结果示意

仿真2中采用了将电池SOC作为反馈来调节微电网平滑控制时间参数的方法。控制时间参数初始值T0＝10，T∈［2，10］。当t＝3 s时，电池SOC达到SOC1调节限值0.45，控制时间系统将开始调节，储能电池正在对外释放功率，将控制时间参数T减少，降低储能电池对外释放功率，以达到减缓SOC下降速度的目的。当t＝10 s时，微电网内光伏功率大于负荷功率，储能系统吸收电能对电池充电，电池SOC达到SOCh调节限值0.75，由于此时储能电池正在吸收功率对内充电，所以增加控制时间参数T，加大储能电池的充电功率，达到加速SOC上升的目的。同理，当t＝16 s时，储能电池SOC达到调节SOCh限值0.75，控制时间参数T将减小，储能系统对电池充电功率减小，以达到减缓SOC增速的目的。通过上述控制算法，可以使电池SOC维持在合理的范围内，有效抑制了并网点处有功功率联络线的波动，达到微电网功率平滑的目的。仿真结果如图6所示。

以上2个仿真试验表明，采用增加了电池SOC参数反馈来调节可变平滑控制时间参数的方法，有效避免了储能电池过充过放问题，微电网功率平滑效果更佳。

图6 仿真2结果示意

3 结论

本文提出把调节控制时间参数作为变量，通过采集储能电池SOC作为反馈环节去调节该变量增、减的方法，大大优于将控制时间参数作为固定参考值的控制方法。本文提出的控制方法可在平滑微电网功率的同时，有效避免储能电池的过充过放，从而提高储能电池的使用寿命，在工程项目中具有良好的应用前景。

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（本文责编：刘芳）

TM 721

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1674－1951（2016）10－0001－04

孙攀（1985—），男，江苏南京人，工程师，工学硕士，从事微电网控制、保护技术研究（E-mail：sunpaninsac＠163.com）。

2016－06－14；

2016－09－01