基于SOC优化的混合储能平抑风电波动方法

李培强，李文英，唐捷，李慧，王继飞，廖玲珑

（1.湖南大学电气与信息学院，长沙410082；2.广东电网公司韶关供电局，韶关512026）

基于SOC优化的混合储能平抑风电波动方法

李培强1，李文英1，唐捷2，李慧1，王继飞1，廖玲珑1

（1.湖南大学电气与信息学院，长沙410082；2.广东电网公司韶关供电局，韶关512026）

针对蓄电池和超级电容器储能特性不同的特点，将风电功率信号进行多尺度小波包分解，得到蓄电池和超级电容器的充放电参考功率。提出基于蓄电池和超级电容器荷电状态SOC（state of charge）的功率分配优化方法，详细讨论两种储能元件协调工作时可能出现的所有工作状态，实时检测储能元件SOC的大小，当处于非正常工作状态时调整储能元件的实时充放电参考功率，进行相应的过充过放保护。该方法对风电功率波动具有较好的平抑效果，且能有效延长蓄电池和超级电容器的使用寿命，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型验证了该控制方法的有效性。

混合储能系统；蓄电池；超级电容器；小波包分解；荷电常数；能量管理

随着化石能源日益短缺和环境污染日益严重，风能作为一种储量极为丰富的可再生能源得到了高度重视，但风力发电易受天气的影响，具有随机性和波动性的特点，在风电场配置一定容量的储能系统有助于减少其对电力系统的冲击[1-2]。

常见的储能设备可分为功率型储能和能量型储能。前者具有功率密度大、循环寿命长、响应速度快等优点，不足是储能量较低，如超级电容器储能、飞轮储能等；后者具有能量密度大的优点，但功率响应较慢，对频繁充放电适应性不强，如蓄电池和抽水蓄能等。

由于这两种类型的储能元件在特性上具有很强的互补特征，故采用混合储能系统相互配合的方法[3]，既可以弥补单一储能技术的不足，又可延长储能元件的寿命，提高经济性。

为使两类储能设备实现优势互补，混合储能系统的协调控制方法是关键。文献[4-8]将风电波动功率通过滤波器分别送给超级电容器和蓄电池进行平抑，根据储能元件的荷电状态调整滤波器的滤波时间常数，实时调整超级电容器和蓄电池的充放电参考功率。文献[9-12]采用小波包分解理论对风电场输出功率信号进行多尺度分解，分别得到高、中、低频信号，选择与其频率范围适应的储能方式以组成混合储能系统对风电场输出功率进行平滑。文献[13-14]采用时间常数随储能系统荷电状态变化的低通滤波算法确定目标功率值，采用模糊控制理论将超出目标值的功率偏差在两种储能介质之间进行分配，避免荷电状态出现越限现象。

综上所述，针对混合储能系统平抑风电场波动的问题，平抑目标初步选择的方法各有不同，系统储能元件间的协调控制已有一些研究成果，但考虑各单元使用寿命的协调控制策略还不够完善，本文针对蓄电池和超级电容器组成的混合储能系统，提出一种同时考虑两种储能元件充放电状态的协调控制方法。

将风电场输出功率信号进行多尺度小波包分解，得到的低频部分作为风电并网目标功率，中频部分作为蓄电池充放电参考功率，高频部分作为超级电容器的充放电参考功率。为保证储能系统能够正常工作，通过能量管理系统对蓄电池和超级电容器的充放电参考功率进行优化控制。根据储能元件的SOC对工作区域进行划分，详细讨论两种储能元件相配合时可能出现的各种工作状态，对处于非正常工作状态的情况进行相应的控制，确保SOC在规定的范围内变化。

1 混合储能系统结构

1.1 混合储能系统基本结构

混合储能系统的结构有多种形式，本文所提出的混合储能系统结构如图1所示。

该储能系统中，Pw为风电场输出有功功率，Psys为平抑后送入电网的功率，两者之差PHess为混合储能系统需要平抑的风电功率波动，能量管理系统根据监测蓄电池和超级电容器实时的充放电状态决定各自的充放电参考功率Pbat、Psc。系统中蓄电池与超级电容器通过各自的DC/DC变换器与直流母线相连，再通过统一的DC/AC变流器连接到电网，其中DC/AC变流器用于保持直流母线电压稳定，DC/DC变换器分别跟踪各自的充放电参考功率Pbat、Psc。

1.2 储能元件建模

由于蓄电池具有能量密度大、储能时间长，但功率密度小、循环寿命短的特点，可用其平抑风电波动中的低频波动分量，等效电路模型如图2所示。Us为开路电压，由恒定电压源Uoc与电容Cs组成，与充放电电流、SOC等有关；由Rtrans、Ctrans组成的并联支路模拟充放电过程中的电压动态变化过程；R0为欧姆内阻，受外界因素影响很小，用定值电阻模拟。

式中，Cap为电池的额定容量。

超级电容器具有功率密度大、响应速度快、循环寿命长，但能量密度小，自放电率高的特点，可用其平抑风电波动中的高频波动分量，等效电路模型如图3所示。

该模型包含3条支路，第1个支路为瞬时支路，由一个电压控制电压源uv（t）、等效内阻R0和固定电容C0组成，主要描述超级电容器在充放电过程中的外特性，uv（t）的计算式为

式中：uc为固定电容C0和电压控制电压源uv（t）串联电压；v为超级电容器端电压。

第2个支路为电压自调整支路，由电容C1和电阻R1串联而成，用以描述充放电结束后超级电容器内部的电荷再分配现象；第3个支路为自放电支路，描述超级电容器的自放电过程。

2 小波包分解

小波包分解是对低频信号和高频信号都进行再分解的一种分解方法，并且能根据信号特性和分析要求自适应地选择相应频带与信号频谱相匹配，能很好地分解和表示包含大量细节信息的信号。现以一个3层小波包分解树进行说明，如图4所示。

图4中，A表示低频，D表示高频，末尾的序号数表示小波包分解的层数。

分解算法[15]：

采用DB4小波对某风电场输出功率信号进行6层小波包分解，重构第6层后得到的功率信号有26个，其中P1为并网功率参考值，P2、P3、P4为低频波动分量，Pi（i=4，5，…，64）为高频波动分量。蓄电池在储能过程中自损耗小，储能时间长，但循环寿命小，响应速度慢，适于平抑低频波动分量；超级电容器响应速度快，输出功率大，但成本较高，储能过程中自损耗较大，不适用于大容量储能和长时间储能，适于平抑高频波动分量，蓄电池充放电参考功率记为Pbat_buf，超级电容器充放电参考功率记为Psc_buf，分别表示为

风电功率采用小波包分解后得到的各部分分量如图5所示。

3 能量管理系统

3.1 平抑目标的选择

在混合储能系统中，蓄电池能量密度大，循环寿命短，要尽量避免频繁充放电，主要用于平抑风电波动中的低频波动功率，当蓄电池经常处于过充或者过放状态时，会缩短电池寿命；超级电容器功率密度大，循环寿命长，能频繁快速充放电，适合平抑尖峰及往复性风电功率波动，主要用于平抑风电波动中的高频波动功率，由于超级电容器能量密度小，当波动剧烈时其充放电能量很容易达到最大最小限值，影响充放电效果，甚至会击穿电容[16]。

储能元件的SOC能表征其剩余容量，为避免储能元件出现过充过放的状况，可以通过控制SOC来实现。SOC与储能元件充放电功率的关系为

混合储能系统的能量管理示意如图6所示。风电场输出功率经小波包分解得到风电功率低频波动分量Pbat_buf，高频波动分量Psc_buf，即可得到混合储能系统充放电参考功率PHess=Pbat_buf+Psc_buf，根据蓄电池和超级电容器实时荷电常数SOCbat、SOCsc以及储能元件的充放电状态对Pbat_buf、Psc_buf进行调节，使储能元件工作在正常充放电区域，得到Pbat_ref为蓄电池充放电参考功率，Psc_ref为超级电容器充放电参考功率。

3.2 协调控制策略

根据储能元件的SOC划分出5个工作区域，分别为过充区CO、过充警戒区C、正常区N、过放警戒区D和过放区DO，x表示蓄电池或超级电容器，SOCx_max表示SOCbat_max或者SOCsc_max，如图7所示。

储能参考功率为正表示储能放电，为负表示储能充电。规定储能元件处于以下几种情况时是正常工作状态，不需要对充放电参考功率进行调整。

（1）储能元件工作在过充警戒区C且正在放电，即SOCx_high＜SOCx＜SOCx_max，Px_buf＞0。Px_buf表示Pbat_buf或者Psc_buf。

（2）储能元件工作在正常区N且正在放电或充电，即SOCx_low＜SOCx＜SOCx_high，Px_buf＞0或Px_buf＜0。

（3）储能元件工作在过放警戒区D且正在充电，即SOCx_min＜SOCx＜SOCx_low，Px_buf＜0。

储能元件不处于以上规定的正常工作状态时，需进行相应控制，Px_CO，Px_C，Px_D，Px_DO表示不同工作状态下蓄电池或超级电容器的充放电参考功率。

（1）储能元件工作在过充区CO，此时储能元件只允许放电不能充电，当Px_buf＜0时，Px_ref=0；当Px_buf＞0时，需进行过充保护，增大放电参考功率，使储能元件尽快从过充区过渡到过充警戒区，即

（2）储能元件工作在过充警戒区C，当Px_buf＜0时，需进行过充警戒区调整，减少充电参考功率，使储能元件尽量保持在过充警戒区，即

（3）储能元件工作在过放警戒区D，当Px_buf＞0时，需进行过放警戒区调整，减少放电参考功率，使储能元件尽量保持在过放警戒区，即

（4）储能元件工作在过放区DO，此时储能元件只允许充电不能放电，当Px_buf＜0时，需进行过放保护，增大充电参考功率，使储能元件尽快从过放区过渡到过放警戒区；当Px_buf＞0时，Px_ref=0。因此有

储能元件根据SOC划分为5个工作区域，考虑充电和放电两种状态，每种储能元件有10种工作状态，两种储能元件相配合将会出现100种不同的工作情况，其中处于正常工作状态的情况共有16种，对于这16种情况，储能元件的充放电参考功率保持不变。对于其他84种非正常情况，几种典型的协调控制方法如表1所示。表中，“+”“-”表示储能元件放电和充电，即“-Cbat”表示蓄电池工作在过充警戒区且正在充电。

协调控制规则如下：

（1）当一种储能元件正常工作，另一种储能元件需调整其充放电参考功率时，改变的功率由处于正常工作状态的储能元件承担，此时混合储能系统的充放电参考功率PHess保持不变；

（2）当两种储能元件需同时对充放电参考功率进行调整时，混合储能系统的充放电参考功率PHess可能会发生变化。

对于第2种协调控制方法考虑一种特殊情况，当一种储能元件工作在过充区且正在充电，另一种储能元件工作在过放区且正在放电，分情况讨论：

若PHess＞0，即混合储能系统总体处于放电状态，则调整工作在过充区的储能元件的充放电参考功率为PHess，工作在过放区的储能元件的充放电参考功率为0；若PHess＜0，反之亦然。

具体控制结果如附录A所示。

4 系统仿真分析

仿真所用风电功率数据为张家口1号风电场2012年6月11日24小时实际有功出力数据，如图8所示。在Matlab/Simulink中搭建如图9所示的仿真模型，其中并网变流器DC/AC采用电压外环电流内环的双闭环控制策略，保持直流母线电压稳定，DC/DC变换器采用恒功率控制，设蓄电池和超级电容器的SOC初始值均取0.5，两者的SOC控制限值均取SOCsc_max=0.9，SOCbat_high=0.8，SOCbat_low=0.3，SOCsc_min=0.2。

图10为平抑目标功率与本文所提出的平抑方法和传统低通滤波器-荷电状态优化方法分别平抑风电场输出风电功率波动效果对比，表2为平抑前后输出功率的比较。

由图10和表2可知，平抑后曲线既能很好地跟踪原始功率曲线又变得更加平滑，波动程度明显降低，满足风电场接入电力系统技术规定[17]。以上两种平抑算法都能满足并网要求，但本文算法得到的并网功率曲线更加平滑，且对平抑目标功率跟踪效果更好。

图11～图14为风电场输出功率信号经小波包分解后有无SOC优化的对比。图11和图12为蓄电池和超级电容器充放电功率对比，由这两个图可知蓄电池充放电次数较少，符合其不宜频繁充放电的电化学特性，而超级电容器充放电频繁，符合其循环寿命长、能快速充放电的特点。

图13和图14为蓄电池和超级电容器SOC对比，由这两个图可知，当无SOC优化控制时，储能元件会出现过充过放的情况，甚至超级电容器的SOC多次达到极限值1，这将严重影响储能元件的使用寿命；当蓄电池和超级电容器SOC协调控制时，能保证储能元件SOC在0.2～0.9之间变化，从而避免在过充过放区工作，以延长储能元件寿命。

控制算法着重点在于避免储能元件出现过充过放情况，当两种储能元件同时出现越限趋势时，混合储能的充放电参考功率PHess将达不到期望值，考虑仿真系统各模块的延时性和储能元件充放电不能瞬时完成，实际风电场并网功率与目标功率之间有一定的偏差，如图15所示，储能系统实际输出功率与期望参考功率之间的差值在±0.3MW之间波动，远小于混合储能系统的容量。

综合图10～图15可知，小波包分解的平抑效果优于传统低通滤波器分解方法，有SOC协调控制较无SOC优化能延长储能元件寿命，所以本文提出的荷电状态优化控制策略在平抑风电波动中具有较好的效果。

5 结语

本文在分析蓄电池和超级电容器各自储能特性的基础上，综合考虑两种储能元件的优缺点，提出了一种能够实现两者优势互补的混合储能系统平抑风电波动的协调控制策略。首先利用小波包分解初步得到蓄电池和超级电容器的充放电参考功率，为避免蓄电池和超级电容器出现过充过放的情况，提出基于两种储能元件荷电状态的功率分配方法，通过实时检测储能元件的SOC对其当前参考功率进行调整。

仿真结果表明，本文提出的方法能够有效平抑风电场输出功率波动，并能够控制蓄电池和超级电容器的SOC在正常范围内变化，以延长储能元件的使用寿命。

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[17]GB/T19963—2011，风电场接入电力系统技术规定[S]．

附录A

M ethod of Hybrid Energy Storage to Smooth the Fluctuations for W ind Power Based on Stateof Charge Optim ization

LIPeiqiang1，LIWenying1，TANG Jie2，LIHui1，WANG Jifei1，LIAO Linglong1
（1.CollegeofElectricaland Information Engineering，Hunan University，Changsha410082，China；2.Shaoguan Power Supply Bureau ofGuangdong PowerGrid Corporation，Shaoguan 512026，China）

According to differentenergy storage characteristicsofbatteriesand super capacitors，wind farm outputpow⁃er signals are decomposed by wavelet packet to obtain the reference powers of batteries and super capacitors during charging and discharging.The power allocation optimizationmethods based on the state of charge（SOC）of batteries and super capacitors are proposed，and allworking conditions thatmay occurwhen the two energy storage components operatewith coordination are discussed in detail，With the real-time detection of SOC，the reference powersof theener⁃gy storage elements during charging and discharging are adjusted in abnormalworking conditions，and over-charging/ discharging protection can be taken in time..The proposedmethod is effective to stabilizewind power fluctuations，and it can also stabilize and extend the life of batteries and super capacitors.The simulationmodel built in Matlab/Simu⁃link verifies this controlmethod.

hybrid energy storage system；battery；super capacitor；wavelet packet decomposition；state of charge（SOC）；energymanagement

TM614

A

1003-8930（2017）03-0020-08

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.03.004

李培强（1975—），男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为电力系统稳定性分析与控制。Email：lpqcs@hotmail.com

李文英（1989—），女，硕士研究生，研究方向为新能源并网、储能技术。Email：liwenying0889@163.com

唐捷（1979—），男，博士，高级工程师，研究方向为电力系统运行控制、电力需求侧管理等。Email：tangjiedavid@163.com

2014-12-16；

2016-06-07

国家自然科学基金资助项目（51677059）