平抑新能源功率波动的混合储能协调控制策略

(1.江苏沙河抽水蓄能发电有限公司，江苏溧阳，213300； 2.南京四方亿能电力自动化有限公司，江苏南京，211111)

1 引言

储能系统在微电网的构建和运行中起到了十分重要的作用。就目前国内外的研究现状来看，各种储能技术在能量密度、功率密度、响应速度和系统容量等方面均具有不同的表现。因此，需要选择匹配的储能方式与电力系统不同需求相应用。针对不同类型的储能系统的应用场合和目的，混合储能系统在不同时间尺度上的协调运行是目前的研究热点内容之一。

本课题重点研究了蓄电池-超级电容混合储能协调控制在微电网整体运行中的实现方法，针对混合储能系统在微电网不同运行状态下的控制策略提出了相应的解决方案，并在混合实验平台与实际项目中针对所提相关控制策略进行实验验证。

2 混合储能系统控制架构

混合储能系统控制分为中央管理系统控制和本地协调控制两个层次。其中，中央管理系统收集全系统的运行状态，优化计算后给本地协调控制器发出功率输出指令，实现整个微网功率的分配和调度。本地协调控制器接收中央管理单元指令后，基于混合储能单元的输出特性和SOC，通过两级控制策略分配出蓄电池和超级电容的输出功率，同时将混合储能的实际输出与指令值偏差及蓄电池SOC反馈至微网的中央管理系统，中央管理系统重新调整微网功率结构，使微网达到新的功率平衡。微网典型的混合储能结构如图1所示。

该微网包含风力发电系统、光伏发电系统、负荷和混合储能系统，并采用静态切换开关在公共连接点与主网相连。其中，蓄电池组和超级电容组分别通过两套独立的电力电子装置接入微网系统中。两套电力电子装置都由一个双向DC/DC和一个双向DC/AC构成，其中DC/DC用来稳定PWM变流器电压，提高其的输出效率，DC/AC是PWM变流器，采用功率跟踪控制，可按外界指定的功率或自身设定的功率输出。

图1 微网系统的结构

混合储能系统的两级功率分配控制原理图如图2所示。

图2 混合储能功率分配原理图

由图2可知，第1级控制是利用一阶低通滤波器分离出混合储能总功率需求中的高频分量和低频分量，其目的是用超级电容来承担微网的功率的高频波动，从而降低蓄电池充放电环次数，提高蓄电池使用寿命；第2级控制是基于蓄电池和超级电容SOC对第1级分配的功率进行限制和优化，利用蓄电池的能量来优化超级电容SOC，改变微网对储能的功率需求来优化蓄电池SOC，其目的就是将蓄电池和超级电容的SOC调整到合理的工作范围内，第2级控制最终得到二者的最终输出功率目标，同时还得出优化功率偏差，将其与蓄电池SOC一起反馈给中央管理单元，调节微网对混合储能的总输出需求，这样整个储能系统的控制构成一个功率闭环控制系统，从而提高了微网的稳定性和可靠性。

具体实施方式如下：

①第1级控制：

(1)

(2)

其中，T是一阶低通滤波器、惯性时间常数。

②第2级控制：

(3)

3 混合储能平抑风电波动协调优化控制方法

传统方法如图3所示。

(a)系统结构图

(b) 平抑功率波动分配方法图3 传统的混合储能平抑风电功率系统

图3中的分配方法虽然能平抑风电功率波动，但没考虑不周全，在使用过程中会出现过充/放电现象，从而影响系统的响应能力和使用期限。

针对混合储能的两级多时间尺度平抑方法进行了优化改进研究，改进的控制方法的总流程框图如图4所示：

图4 改进的混合储能系统协调优化控制方法框图

2.1 变滤波时间常数的模糊控制方法

采用时间常数T1，以避免系统的过充与过放，从而提高系统的使用时间，其控制目标主要包括平抑后混合储能功率指令的理想值和实时值功率差最小和使蓄电池剩余能量能够有效的平抑下一时刻功率波动。

蓄电池的荷电状态SOCb(t)及混合储能的初始功率指令PHESS_initial(t)是影响滤波时间常数的两个重要因素，对它们进行标准化处理后，可以得到变量X1(t)和X2(t)：

(4)

(5)

式中，PB_max(t)表示蓄电池t时刻最大充放电功率。

输入隶属函数和输出隶属度函数如图 5所示：

根据输入X1(t)和X2(t)所对应的模糊子集，建立如表1所示的模糊控制规则，由此可以得到时间修正系数ΔS的模糊集合。

图5 隶属函数

X1X2NBNSNSSPSSPSPBNBPBPMPSNBNBNBNSPMPMPSNSNMNBZEZEZEZEZEZEZEPSNBNMNSPSPMPMPBNBNBNBPSPMPB

采用重心法计算得到 时刻滤波时间常数的修正系数ΔS(t)：

(6)

变滤波时间常数的基本步骤如下：

①储能系统的功率指令PHESS_initial(t)。

(7)

②计算当前时刻滤波时间常数T1=T0(1+ΔS(t))。

③根据滤波时间常数T1，重新计算出当前时刻最终的风电并网功率及混合储能系统功率指令PHESS(t)。

3.2 混合储能的功率转移协调控制方法

设超级电容SOC模糊子集：{LL, L, M, H, HH}。

(8)

根据上式判断x的隶属度，由下表得到功率转移系数α：

功率转移系数模糊规则表

转移功率ΔPcb(t)的计算公式：

ΔPcb(t)=αPSCN

(9)

式中：PSCN为电容额定功率。当ΔPcb(t)>0时，电容向蓄电池转移功率，当ΔPcb(t)<0时，蓄电池向电容转移功率。

系统功率指令PHESS(t)经过低通滤波器后得到蓄电池初始目标功率PB_initial(t)和超级电容的初始目标功率PC_initial(t)，以此为基础，根据电容的SOC进行功率转移ΔPcb(t)，实现控制目标，基本方法如下：

①SOCsc(t)，根据上式计算ΔPcb(t)，根据SOCsc(t)及PC_initial(t)，进行功率转移：

②经过超级电容实时最大允许充放电功率限制，计算PC_end(t)：

PC_mid(t)>PC_dmax(t)

PC_mid(t)

(30)

PC_mid(t)<-PC_cmax(t)

③计算ΔPcs，计算公式如下：

ΔPcs(t)=PC_initial(t)-PC_end(t)

(41)

此功率差将由蓄电池来承担，让蓄电池来调整超级电容的SOC.

④结合以上方法，算出目标功率PB_mid(t)，计算公式为：

PB_mid=PB_initial(t)+ΔPcs(t)

(12)

考虑蓄电池充放电功率限制，PB_end(t)计算如下：

PB_mid(t)>PB_dmax(t)

PB_mid(t)

(13)

PB_mid(t)<-PB_cmax(t)

4 试点应用

浙江温州某微电网系统共接入风力发电单元1MW和光伏发电单元1MW。由于风光等可再生能源发电都在不同程度上受到气候因素的影响，气候的不确定性和随机性会造成风速和光照强度的多变，从而引起可再生能源发电系统输出功率的波动甚至导致整个系统的功率失衡。传统研究多采用配备单一储能介质储能系统来平抑可再生能源波动并取得一定的效果，但在具体实施过程中还存在很多问题，不能较好达到快速平抑的目标。海岛工程采用了蓄电池-超级电容互补储能系统及其方法，充分利用优势，克服缺陷。海岛供电系统采取双微网结构，如图6所示，可再生能源以集中式与分布式相结合方式接入风力发电与光伏发电单元，使得运行控制模式更加灵活。

海岛工程中631子微网接入1MW光伏发电系统和0.5MW风力发电系统，配置1MW蓄电池储能系统和500kW超级电容储能系统；632子微网接入0.5MW风力发电系统，配置1MW蓄电池储能系统和500kW超级电容储能系统。互补协调控制器在分析处理可再生能源发电系统输出功率数据的基础上，给出针对蓄电池和超级电容的不同动作指令从而达到快速平抑输出波动的目标。

图6 海岛工程示范微网结构

图7 混合储能功率分配控制策略原理图

图7是海岛混合储能系统功率分配控制策略原理图。由图可知，第1级控制是利用一阶低通滤波器分离出混合储能总功率需求中的高频分量和低频分量，其目的是用超级电容来承担微网的功率的高频波动，从而降低蓄电池充放电环次数，提高蓄电池使用寿命；第2级控制是基于蓄电池和超级电容SOC对第1级分配的功率进行限制和优化，利用蓄电池的能量来优化超级电容SOC，改变微网对储能的功率需求来优化蓄电池SOC，其目的就是将蓄电池和超级电容的SOC调整到合理的工作范围内，第2级控制最终得到二者的最终输出功率目标，同时还得出优化功率偏差，将其与蓄电池SOC一起反馈给中央管理单元，调节微网对混合储能的总输出需求，这样整个储能系统的控制构成一个功率闭环控制系统，从而提高了微网的稳定性和可靠性。

以海岛工程631子微网储能系统为例，图8表示工程实际蓄电池的功率与参考功率值存在一定的偏差，主要是因为储能电池响应时间段导致。

图8 混合储能功率(/10kW)

图9 蓄电池参考功率与实际功率(/10kW)

图10验证了超级电容反映快速的特点。

图10 超级电容参考规律与实际功率(/10kW)

5 结论

根据示范工程的投运至今的运行情况来看，课题所提出的混合储能系统协调控制策略，混合储能系统对于风光发电单元输出功率波动平抑效果良好，同时超级电容储能系统的投入运行可以大大减小蓄电池储能系统每天的平均充放电次数，提高了蓄电池储能系统的使用寿命，从而降低了储能系统的使用成本，提高了微电网发用电的经济性。