孫攀，賴曉璐，袁野，朱華靖，孟憲俠，孫鋒

（1.國電南京自動化股份有限公司，南京 210032；2.南京國電南自城鄉(xiāng)電網(wǎng)自動化工程有限公司，南京 210032）

基于電池儲能系統(tǒng)的微電網(wǎng)功率平滑控制研究

孫攀1，2，賴曉璐1，2，袁野1，2，朱華靖1，2，孟憲俠1，2，孫鋒1，2

（1.國電南京自動化股份有限公司，南京 210032；2.南京國電南自城鄉(xiāng)電網(wǎng)自動化工程有限公司，南京 210032）

針對微電網(wǎng)中可再生能源接入導(dǎo)致發(fā)電輸出功率波動大且隨機(jī)性強(qiáng)的問題，提出一種基于電池儲能系統(tǒng)的微電網(wǎng)功率平滑控制方法。該方法利用電池荷電狀態(tài)的實(shí)測值為反饋，調(diào)節(jié)平滑控制方法的時(shí)間系數(shù)，有效避免了可再生能源接入引起的微電網(wǎng)功率波動，同時(shí)使儲能電池的荷電狀態(tài)保持穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，提高電池的使用壽命。建立仿真模型驗(yàn)證了所述控制方法的有效性。

可再生能源；微電網(wǎng)；荷電狀態(tài)；功率平滑控制

0 引言

近年來，太陽能、風(fēng)能等可再生能源得到了越來越多的重視與應(yīng)用，可再生能源發(fā)電技術(shù)越來越成熟，大量由可再生能源發(fā)電構(gòu)成的分布式電源微電網(wǎng)項(xiàng)目得以實(shí)施。由于可再生能源發(fā)電功率波動大、隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn)，微電網(wǎng)項(xiàng)目中80%均配備了儲能系統(tǒng)。微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)可有效抑制可再生能源發(fā)電輸出功率的波動，對微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供一定的支撐。

通常來說，儲能系統(tǒng)按照儲能方式的不同分為電化學(xué)電池儲能，抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等物理儲能，超級電容和超導(dǎo)儲能等電磁儲能，其中電池儲能的工程應(yīng)用最為成熟且經(jīng)濟(jì)性較好。

文獻(xiàn)［1－2］分析了微電網(wǎng)在進(jìn)行并、離網(wǎng)切換時(shí)，采用儲能設(shè)備來使微電網(wǎng)的電壓、頻率保持穩(wěn)定。文獻(xiàn)［3］分析了分布式風(fēng)電利用儲能系統(tǒng)將每時(shí)段風(fēng)電輸出功率控制在定值范圍，有效抑制了對外輸出功率的波動，但該方法需要頻繁地充放電，將大大縮短電池的工作壽命。文獻(xiàn)［4－5］提出了基于混合儲能系統(tǒng)的分布式風(fēng)電功率波動控制方法，但未考慮電池使用壽命以及配置混合儲能系統(tǒng)的成本問題。

本文基于電池儲能系統(tǒng)，利用電池管理系統(tǒng)中電池荷電狀態(tài)（SOC）的數(shù)據(jù)指標(biāo)，提出了一種儲能系統(tǒng)控制方法，在抑制可再生能源接入引起功率波動的同時(shí)，有效抑制了電池的過充過放，延長了電池使用壽命，并通過仿真驗(yàn)證了該控制方法的有效性。

1 微電網(wǎng)功率平滑控制

1.1 典型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

典型的含有多種分布式電源的微電網(wǎng)如圖1所示，它由光伏、風(fēng)力這些可再生能源以及儲能系統(tǒng)、負(fù)荷、開關(guān)、監(jiān)控系統(tǒng)、控制保護(hù)等二次設(shè)備構(gòu)成。光伏、風(fēng)力發(fā)電等均采用最大功率跟蹤控制（MPPT）算法［6］。可再生能源的隨機(jī)波動性與不確定性，導(dǎo)致其無論是并入大電網(wǎng)輸送功率還是獨(dú)立給負(fù)荷供電，都需要配合儲能系統(tǒng)，組成一個完整的、功率穩(wěn)定的系統(tǒng)。

>圖1 多種分布式電源構(gòu)成的微電網(wǎng)

1.2 基于儲能控制的微電網(wǎng)功率平滑控制

為了清晰地說明本文提出的控制方法，把微電網(wǎng)的構(gòu)成加以簡化：微電網(wǎng)系統(tǒng)中可再生能源發(fā)電選用光伏發(fā)電；假設(shè)微電網(wǎng)系統(tǒng)中能源供應(yīng)系統(tǒng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)組成。

1.2.1 未考慮電池SOC的儲能控制方法

儲能系統(tǒng)控制方法采用功率波動平滑控制策略，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)儲能系統(tǒng)的輸出功率，對微電網(wǎng)的凈功率中某一特定頻段的波動分量進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到微電網(wǎng)內(nèi)功率平衡的控制目標(biāo)。

系統(tǒng)中光伏發(fā)電子系統(tǒng)采用最大功率跟蹤控制（MPPT）算法［7］，儲能系統(tǒng)采用給定功率指標(biāo)參數(shù)的PQ控制模式。上層控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集、計(jì)算微電網(wǎng)內(nèi)凈功率，并根據(jù)控制算法對儲能系統(tǒng)下達(dá)功率指標(biāo)參數(shù)。

根據(jù)微電網(wǎng)內(nèi)功率平衡的控制目標(biāo)，微電網(wǎng)內(nèi)各功率指標(biāo)滿足守恒公式

式中：Pload為微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷功率；Ppv為光伏發(fā)電輸出功率；Pbat為儲能電池輸出功率；Pj＝Ppv－Pload為微電網(wǎng)的凈功率，若其值為負(fù)，則說明微電網(wǎng)從電網(wǎng)取電，若其值為正，則說明微電網(wǎng)向電網(wǎng)放電。

通過低通濾波環(huán)節(jié)得出微電網(wǎng)功率參考值Pj－ref，Pj－ref與Pj的差值為儲能輸出有功功率參考值Pbat－ref，若其值為正說明儲能系統(tǒng)對外放電，為負(fù)說明儲能系統(tǒng)吸收功率給電池充電［8］。低通濾波環(huán)節(jié)采用的傳遞函數(shù)如下

式中：s為微分算子；T為濾波周期。

微電網(wǎng)功率平滑儲能控制算法中各變量的關(guān)系如下

將式（3），（4）中的s用來表示，差分后得

式中：Td為計(jì)算周期；Pj－ref（t－1）為微電網(wǎng)的凈功率Pj（t）上一時(shí)刻的參考值。在實(shí)際工程中Td是已知的，所以，最終儲能系統(tǒng)下一時(shí)刻的功率參考值Pbat－ref（t＋1）與控制時(shí)間參數(shù)T和當(dāng)前微電網(wǎng)的凈功率Pj（t）有關(guān)。

1.2.2 考慮電池SOC的儲能控制方法

在1.2.1中描述的微電網(wǎng)儲能控制方法中加入電池SOC這一參數(shù)，用來對平滑控制的控制時(shí)間參數(shù)T進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。SOC是指電池組當(dāng)前剩余電荷量，在實(shí)際的微電網(wǎng)工程項(xiàng)目中，儲能系統(tǒng)的電池組是由多個電池單元串、并聯(lián)組成的［9－12］，本文提及的SOC值均是電池管理系統(tǒng)（BMS）提供的實(shí)測值，其中包含了合理測算整個電池組系統(tǒng)中SOC的算法，這是電池管理系統(tǒng)的研究范疇，本文不做過多介紹。

得到電池管理系統(tǒng)提供的SOC值后，可以將整個儲能系統(tǒng)中的電池組看成一個大的單體電池。將這個單體電池的SOC值分檔（如圖2所示）：電池組實(shí)測SOC值在［SOC1，SOCh］范圍內(nèi)為正常值，當(dāng)SOC值超出這個范圍時(shí)，控制時(shí)間參數(shù)T將發(fā)生變化。SOCmax，SOCmin為電池組工作的極限值：當(dāng)SOC≥SOCmin時(shí)，儲能系統(tǒng)限制充電，只允許放電；當(dāng)SOC≤SOCmin時(shí)，儲能系統(tǒng)限制放電，只允許充電。

圖2 SOC值分檔示意

基于SOC的儲能系統(tǒng)微電網(wǎng)功率平滑控制原理如圖3所示，引入SOC實(shí)測值作為平滑控制時(shí)間參數(shù)的反饋調(diào)節(jié)依據(jù)?？刂茣r(shí)間參數(shù)反饋調(diào)節(jié)量計(jì)算方法如下

圖3 基于SOC的儲能系統(tǒng)微電網(wǎng)功率平滑控制原理框圖

式中：D為平滑控制時(shí)間參數(shù)變化速率。假如微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的可再生能源發(fā)電的構(gòu)成不同，D的選取稍有不同。對于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，D可以選小一些，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中高頻有功波動分量較多；對于光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于其低頻功率波動分量較多，所以D可以選取得大一些。圖4為基于SOC的儲能系統(tǒng)微電網(wǎng)功率平滑控制流程。

圖4 基于SOC的儲能系統(tǒng)微電網(wǎng)功率平滑控制流程

2 仿真驗(yàn)證

仿真驗(yàn)證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為含有分布式光伏與電池儲能的微電網(wǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)80 kW的光伏發(fā)電系統(tǒng)，40 kW的負(fù)荷，儲能雙向變流器額定輸出功率為40 kW，電池額定容量為40 kW·h。仿真的初始條件及參數(shù)為：SOCmax＝1.00，SOCmin＝0.25；SOCh＝0.75，SOCl＝0.45，SOC0＝0.55；T＝10，T∈［2，10］；T0＝10；仿真時(shí)間40 s；Td＝2；D＝0.2。電池SOC等相關(guān)參數(shù)在實(shí)際項(xiàng)目中可以根據(jù)電池介質(zhì)選用的情況自行設(shè)定。

由于仿真時(shí)沒有電池管理系統(tǒng)上傳電池的SOC實(shí)測值，所以本文的SOC值用下式估算

式中：i為電流的瞬時(shí)值；SOC0為電池SOC初始值；Qe為電池組容量。

仿真1中沒有將儲能電池SOC參數(shù)加入控制策略。假設(shè)微電網(wǎng)平滑控制時(shí)間參數(shù)T＝10。從仿真結(jié)果可以明顯看出：仿真開始時(shí)光伏功率小于微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷功率，儲能電池對外釋放功率來彌補(bǔ)功率缺額，當(dāng)SOC達(dá)到SOCmin限值0.25時(shí)，儲能電池停止對外釋放功率，且網(wǎng)點(diǎn)處的有功功率Ppcc聯(lián)絡(luò)線出現(xiàn)明顯振蕩。當(dāng)t＝20s時(shí)，儲能電池SOC達(dá)到SOCmax限值1.00，停止對儲能電池充電，此時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)處的有功功率聯(lián)絡(luò)線亦出現(xiàn)劇烈變化。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 仿真1結(jié)果示意

仿真2中采用了將電池SOC作為反饋來調(diào)節(jié)微電網(wǎng)平滑控制時(shí)間參數(shù)的方法。控制時(shí)間參數(shù)初始值T0＝10，T∈［2，10］。當(dāng)t＝3 s時(shí)，電池SOC達(dá)到SOC1調(diào)節(jié)限值0.45，控制時(shí)間系統(tǒng)將開始調(diào)節(jié)，儲能電池正在對外釋放功率，將控制時(shí)間參數(shù)T減少，降低儲能電池對外釋放功率，以達(dá)到減緩SOC下降速度的目的。當(dāng)t＝10 s時(shí)，微電網(wǎng)內(nèi)光伏功率大于負(fù)荷功率，儲能系統(tǒng)吸收電能對電池充電，電池SOC達(dá)到SOCh調(diào)節(jié)限值0.75，由于此時(shí)儲能電池正在吸收功率對內(nèi)充電，所以增加控制時(shí)間參數(shù)T，加大儲能電池的充電功率，達(dá)到加速SOC上升的目的。同理，當(dāng)t＝16 s時(shí)，儲能電池SOC達(dá)到調(diào)節(jié)SOCh限值0.75，控制時(shí)間參數(shù)T將減小，儲能系統(tǒng)對電池充電功率減小，以達(dá)到減緩SOC增速的目的。通過上述控制算法，可以使電池SOC維持在合理的范圍內(nèi)，有效抑制了并網(wǎng)點(diǎn)處有功功率聯(lián)絡(luò)線的波動，達(dá)到微電網(wǎng)功率平滑的目的。仿真結(jié)果如圖6所示。

以上2個仿真試驗(yàn)表明，采用增加了電池SOC參數(shù)反饋來調(diào)節(jié)可變平滑控制時(shí)間參數(shù)的方法，有效避免了儲能電池過充過放問題，微電網(wǎng)功率平滑效果更佳。

圖6 仿真2結(jié)果示意

3 結(jié)論

本文提出把調(diào)節(jié)控制時(shí)間參數(shù)作為變量，通過采集儲能電池SOC作為反饋環(huán)節(jié)去調(diào)節(jié)該變量增、減的方法，大大優(yōu)于將控制時(shí)間參數(shù)作為固定參考值的控制方法。本文提出的控制方法可在平滑微電網(wǎng)功率的同時(shí)，有效避免儲能電池的過充過放，從而提高儲能電池的使用壽命，在工程項(xiàng)目中具有良好的應(yīng)用前景。

［1］王新剛，顧臻，莊葛巍，等.含多個分布式電源的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制［J］.華東電力，2014，42（11）：2339－2344.

［2］楊勇，張國新.含多微源的混合微電網(wǎng)控制策略與仿真［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2015，28（2）：110－112.

［3］TELEKE S，BARAN M E，HUANG A Q，et al.Control strategies for battery energy storage for wind farm dispatching［J］.IEEE transactions on energy conversion，2009，24（3）：725－732.

［4］張坤，毛承雄，陸繼明.用于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電的復(fù)合儲能系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)，2011，23（4）：1－5，26.

［5］于芃，趙瑜，周瑋，等.基于混合儲能系統(tǒng)的平抑風(fēng)電波動功率方法的研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（24）：35－40.

［6］唐西勝，鄧衛(wèi)，李寧寧，等.基于儲能的可再生能源微網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)［J］.電力自動化設(shè)備，2012，32（3）：99－103.

［7］吳理博，趙爭鳴，劉建政，等.獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)中的能量管理控制［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（22）：68－72.

［8］JIANG Q Y，WANG H J.Two-time-scale coordination control for a battery energy storage system to mitigate wind power fluctuations［J］.IEEE transactions on energy conversion，2013，28（1）：52－61.

［9］殷桂梁，李相男，郭磊，等.混合儲能系統(tǒng)在風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)，2015，27（1）：49－53.

［10］LIU C H，CHAU K T，ZHANG X D.An efficient wind-photovoltaic hybrid generation system using doubly excited permanent-magnet brushless machine［J］.IEEE transactions on industrial electronics，2010，57（3）：831－839.

［11］CULTURA A B，SALAMEH Z M.Performance evaluation of a supercapacitor module for energy storage applications［C］//IEEE.Power and Energy Society General Meeting：Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st.Pittsburgh：IEEE，2008.

［12］ZHANG G J，TANG X S，QI Z P.Research on battery supercapacitor hybrid storage and its application in microgrid［C］//IEEE.Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference.Chengdu：IEEE，2010.

（本文責(zé)編：劉芳）

TM 721

A

1674－1951（2016）10－0001－04

孫攀（1985—），男，江蘇南京人，工程師，工學(xué)碩士，從事微電網(wǎng)控制、保護(hù)技術(shù)研究（E-mail：sunpaninsac＠163.com）。

2016－06－14；

2016－09－01