基于SOC反饋調節的儲能平抑光伏功率應用

劉　青，樊世通，付　超，王　慧，李春來

（1.華北電力大學新能源國家重點實驗室，保定 071003；2.青海省光伏發電并網技術重點實驗室，西寧 810000）

基于SOC反饋調節的儲能平抑光伏功率應用

劉青1，樊世通1，付超1，王慧1，李春來2

（1.華北電力大學新能源國家重點實驗室，保定 071003；2.青海省光伏發電并網技術重點實驗室，西寧 810000）

儲能系統對平抑光伏功率波動具有重要的作用。采用蓄電池與超級電容器混合儲能，并根據蓄電池與超級電容器性能特點的不同，提出了基于低通濾波的混合儲能協調控制方案及平抑光伏功率波動的控制策略。為防止蓄電池過度充放電，提出了SOC反饋調節蓄電池充放電濾波參數的方案，在保證混合儲能能夠平抑光伏功率的同時，延長蓄電池的使用壽命。實驗表明，當光伏功率增加或突降時，混合儲能可及時調整輸出功率，補償光伏功率缺額；當蓄電池SOC過高時，蓄電池可減少出力，防止蓄電池過充。實驗驗證了所提策略的可行性。

混合儲能；光伏發電；低通濾波；協調控制；反饋調節；荷電狀態

隨著傳統能源的消耗日益增加，資源緊缺與環境污染問題成為了世界關注的焦點問題［1-3］。光伏發電為解決資源與環境問題提供了有效途徑。由于光伏發電的間歇性與不確定性，為其配置儲能裝置，對穩定光伏功率輸出具有重要的意義［4-5］。考慮蓄電池具有容量大，能量密度高，造價低等特點，同時超級電容器功率響應速度快，大功率輸出能力強，循環壽命長的特點，采用蓄電池與超級電容器混合儲能方式，可大幅度提高儲能裝置的峰值功率輸出和輸入能力，降低內部損耗，是平抑光伏功率波動的有效手段［6-8］。

文獻［9］根據光伏功率特性，通過低通濾波將光伏功率波動分為低頻波動和高頻波動，以此設計蓄電池與超級電容器容量，并采用蓄電池補償低頻功率波動達到平滑光伏功率的目的。文獻［10］在混合儲能的光儲微電網基礎上，提出了基于分頻作用的協調控制策略，進而完成蓄電池與超級電容器的分頻協調控制。文獻［11］中，蓄電池采用功率外環方式，平抑低頻光伏功率波動，同時，超級電容器采用電壓外環，維持直流母線電壓穩定，從而平抑高頻風電功率波動。文獻［12］提出了基于蓄電池荷電狀態SOC（state of charge）實時調整濾波時間常數方法，但只考慮了蓄電池對光伏的平抑作用，當蓄電池能量過高或過低時，平抑光伏功率波動效果明顯降低。文獻［13］中，為延長蓄電池的使用壽命，設計了蓄電池滯環電流控制器。

本文在已有研究的基礎上，根據蓄電池與超級電容器性能特點的不同［14-17］，提出了基于低通濾波的混合儲能協調控制方案及平抑光伏功率波動的控制策略。同時為防止蓄電池過度充放電，提出了SOC反饋調節蓄電池充放電濾波參數的方案，在保證混合儲能能夠平抑光伏功率的同時，延長蓄電池的使用壽命。

1　混合儲能接入方式

儲能接入光伏發電系統可采用直流側接入和交流側接入，本文采用直流側接入方式。圖1為混合儲能接入光伏系統結構，Ppv為光伏在最大功率跟蹤策略下輸出的功率，PB為蓄電池功率，PC為超級電容器功率。其中，光伏側DC/DC變換器用作最大功率點跟蹤控制，保證對光照資源的最大利用，并網逆變器DC/AC采用定電壓控制，維持直流母線電壓穩定，保證光儲系統能夠穩定地輸出功率。混合儲能由鉛酸蓄電池、超級電容器組成，各自通過雙向DC/DC變換器接入直流母線，根據直流母線功率變化，調節混合儲能功率輸出，從而平抑光伏發電的功率波動。

圖1　混合儲能接入光伏系統結構Fig.1　Hybrid energy storage connected to photovoltaic system structure

2　混合儲能控制策略

2.1混合儲能平抑光伏功率波動控制方法

蓄電池和超級電容器兩者在性能特點上相互補充，蓄電池是長時儲能裝置，功率密度小，能量密度高，在控制時宜采用較長的時間尺度，用于平抑低頻光伏功率波動；超級電容器是快速儲能裝置，功率密度高，能量密度低，在控制時宜采用較小的時間尺度，用于平抑高頻光伏功率波動。

本文基于低通濾波對混合儲能進行控制。當光伏功率Ppv經過低通濾波器輸出光伏發電功率的參考值Ppv_ref，如式（1）所示，Ppv_ref與Ppv的差值為混合儲能的功率參考值Psto_ref，如式（2）所示。

分別取τ1=100，τ2=70，τ3=50，由圖2可知，τ越大截止頻率ω越小，混合儲能系統所補償的頻率范圍就越大，其輸出功率就越大，經濾波器的輸出信號越平滑，但對混合儲能容量要求更高。

圖2　不同時間常數下的波特圖Fig.2　Bode curve with different time constants

將式（1）中的s用d/dt來表示，經過差分后可以將其離散化為

式中：Ts為計算周期，在實際計算過程中，Ts是固定的。由式（5）可知，下一時刻的混合儲能輸出功率參考值Psto_ref（k+1）與當前時刻的儲能輸出功率的參考值Psto_ref（k）、下一時刻光伏輸出功率與當前時刻的光伏功率的差值ΔPpv和τ有關。

根據蓄電池與超級電容器的控制時間尺度不同，蓄電池的控制周期TBs大于超級電容器的控制周期TCs，并根據各自的容量，選擇不同的時間常數τB與τC，從而達到蓄電池平抑低頻功率波動，超級電容器平抑高頻功率波動的目的。

基于低通濾波器的混合儲能控制策略如圖3所示。當光伏功率波動時，由于蓄電池控制周期TBs大于超級電容器控制周期TCs，且蓄電池功率響應速度較慢，超級電容器首先檢測蓄電池與光伏功率之和，根據Δ（Ppv+PB）與τC計算超級電容器功率參考值PC_ref，然后與超級電容器端壓相除得到電流的給定值IC_ref，與超級電容器反饋電流經過PI調節器輸出調制波，經過PWM生成單元輸出PWM波驅動IGBT的導通與關斷，使超級電容器輸出給定功率。當達到蓄電池控制周期TBs時，蓄電池開始對光伏功率波動響應，根據ΔPpv與τB計算得到蓄電池功率參考值PB_ref并產生PWM脈沖，使蓄電池逐漸達到PB_ref，此時，由于蓄電池對光伏功率波動的平抑作用逐漸增大，使Δ（Ppv+PB）減小，故超級電容器對光伏功率波動的平抑作用逐漸減小，從而達到超級電容器快速響應光伏功率波動，蓄電池平抑低頻功率波動的目的。根據式（5），蓄電池與超級電容器的功率參考值分別由式（6）和式（7）得到。

圖3　基于低通濾波器的控制策略Fig.3　Control strategy based on low-pass filter

2.2SOC反饋調節充放電濾波時間常數控制算法

由于蓄電池的額定充放電次數遠小于超級電容器，在運用低通濾波器控制算法對蓄電池進行充放電控制時，應考慮保護蓄電池，延長蓄電池的使用壽命，減少過充過放。此時引入蓄電池的荷電狀態，在不同SOC下調節濾波時間常數τB，適當地增減蓄電池的出力能力，具體時間常數變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，當SOC范圍在（b，c）時，蓄電池工作在正常工作區，濾波時間常數為τ2，蓄電池的輸出功率不受SOC的影響；當SOC大于c時，蓄電池以多放少充為基本原則，盡量減緩SOC的增加，根據蓄電池功率參考值PB_ref的方向，調整充放電的濾波時間常數；當SOC小于b時，蓄電池以多充少放為基本原則，盡量減緩SOC的減小，根據蓄電池功率參考值PB_ref的方向，調整充放電的濾波時間常數。

圖4　蓄電池SOC與濾波時間常數的關系Fig.4　Relationship between battery SOC and filtering time constant

因此蓄電池在基于低通濾波器控制基礎上，根據圖4引入SOC反饋來及時調整充放電濾波時間常數。將蓄電池時間常數τB分為τch、τdis兩部分，分別表示充電時間常數與放電時間常數，并分別調整。由圖4得時間常數的調整策略，如圖5所示。

圖5　SOC反饋調節充放電濾波時間常數控制策略Fig.5　Control strategy of SOC feedback to adjust the filtering time constants during charging and discharging

3　實驗分析

實驗平臺采用10 kW多晶固定光伏系統、25塊25 Ah、12 V卷繞式鉛酸蓄電池串聯、3個90 V、3.2 F超級電容器串聯對所提控制策略進行實驗驗證，主控板采用DSP28335。實驗系統如圖6所示。

圖7為某日19：30—第二日19：30光伏功率輸出曲線。光伏系統在早上6：00開始輸出功率，隨著光照強度的增大，光伏功率逐漸上升，在12：00功率達到最大值，此后功率逐漸下降，18：00時降為0。在6：00—18：00間，光伏功率具有明顯的波動性，需要儲能系統平抑光伏功率波動。

圖6　實驗系統Fig.6　Photo of experimental system

圖7　連續24 h光伏功率曲線Fig.7　Photovoltaic power curve for continuous 24 h

在選取濾波常數τB與τC時，應根據實際光伏功率波動及蓄電池、超級電容器容量選取。τ選取過大時，儲能可補償的頻率范圍較大，但對儲能的容量要求更高，并且當光伏功率由波動狀態轉為平穩狀態時，儲能降低對光伏的平抑作用、減小功率輸出的速度較慢，并會造成儲能容量的過度使用；τ選取過小時，儲能可補償的頻率范圍較小，濾波效果較差。考慮實驗系統中蓄電池與超級電容器容量有限，在光伏功率由突變轉為平穩的一個完整周期內混合儲能由足夠容量平抑功率波動，經多次實驗，取τB=20，τC=40。

圖8（a）、（b）為混合儲能功率響應曲線。t1時刻，光伏功率突增，此時蓄電池未達到控制周期TBs，仍處于放電狀態，功率為正；超級電容器則迅速轉入充電狀態，吸收光伏功率，功率為負。當蓄電池達到控制周期TBs時，轉入充電狀態。隨著光伏功率波動逐漸減小，t2時刻，蓄電池可滿足光伏功率波動值，超級電容器功率逐漸降低，此時光伏功率波動主要由蓄電池承擔，但蓄電池控制周期內光伏功率波動仍由超級電容器承擔。t3時刻，光伏功率達到穩定值，蓄電池功率逐漸降低，最終蓄電池與超級電容器功率均以小功率運行。

圖9（a）、（b）分別為光照增加和突降時，光伏功率輸出曲線與光儲系統輸出曲線。圖中，Pout為光儲系統輸出總功率。

圖8　混合儲能功率曲線Fig.8　Power curve of hybrid energy storage

圖9　光儲系統功率曲線Fig.9　Power curve of photovoltaic and energy storage system

由圖9（a）可得，光伏功率快速增加，t4時刻，混合儲能系統投入，吸收部分光伏功率，使光儲系統輸出總功率Pout平滑上升；由圖9（b）可得，開始時刻，光伏功率輸出平穩，t5時刻，光伏功率突降，此時蓄電池與超級電容器迅速進入放電狀態，使Pout平滑下降，最終使Pout與實際光伏功率輸出相等。

圖10（a）、（b）分別為當蓄電池SOC過高時，根據SOC反饋調節蓄電池濾波時間常數，得到的混合儲能功率曲線與光儲系統功率曲線。

由圖10（a）可得，t6時刻，混合儲能開始吸收功率，此時蓄電池SOC過高，根據SOC反饋調節蓄電池濾波常數，可有效限制蓄電池出力，防止蓄電池過充；由圖10（b）可得，當蓄電池SOC過高時，t7時刻，光伏功率快速增加，在蓄電池出力受限制的制約下，系統短時功率缺額主要由超級電容器承擔，此時仍可有效平抑光伏功率波動。

圖10　蓄電池SOC過高時系統功率曲線Fig.10　Power curve with high battery SOC

由實驗可得，儲能側，蓄電池與超級電容器可分別以不同的控制周期平滑光伏功率波動，并滿足蓄電池補低頻，超級電容器補高頻功率波動的要求；同時，當蓄電池SOC過高時，根據SOC反饋調節蓄電池濾波常數，可有效限制蓄電池出力，防止蓄電池過充。光伏側，當光伏功率升高或突降時，混合儲能可很好地補償光伏功率缺額，對平抑光伏功率波動有顯著作用，驗證了本文所提控制策略的可行性。

4　結語

本文提出了基于低通濾波的混合儲能平抑光伏功率波動控制策略，并根據蓄電池SOC反饋調節充放電濾波時間常數，達到延長蓄電池使用壽命的目的。實驗結果表明，當光伏功率增加或突降時，混合儲能可及時調整輸出功率，補償光伏功率缺額，對平抑光伏功率波動具有顯著作用；可根據SOC反饋調節蓄電池濾波常數，限制蓄電池出力，防止蓄電池過充，驗證了所提策略的可行性。

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Application of Energy Storage to Restraining Photovoltaic Power Fluctuation Based on SOC Feedback

LIU Qing1，FAN Shitong1，FU Chao1，WANG Hui1，LI Chunlai2
（1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，North China Electricity Power University，Baoding 071003，China；2.Qinghai Province Key Laboratory of Photovoltaic Grid Connected Power Generation Technology，Xining 810000，China）

Energy storage is of great significance to restraining photovoltaic power fluctuations.Using hybrid energy storage including battery and super capacitor and considering their different characteristics，a hybrid energy storage coordinated control scheme based on low-pass filter and a control strategy for restraining photovoltaic power fluctuations are proposed.In order to prevent the over-charge and over-discharge of battery，a state of charge（SOC）feedback scheme is put forward to adjust filter parameters，ensure that the hybrid energy storage can smooth photovoltaic power fluctuations and prolong the service life of battery.Experiments show that when photovoltaic power increases or suddenly drops，the hybrid energy storage can adjust the output power to make up photovoltaic power gaps；when the battery SOC is too high，the battery power decreases to prevent the over-charge of battery.Experiments verify the feasibility of the proposed strategy.

hybrid energy storage；photovoltaic power generation；low-pass filter；coordinated control scheme；feedback adjustment；state of charge（SOC）

TM71

A

1003-8930（2016）09-0063-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.09.010

劉青（1974—），女，博士，副教授，研究方向為電力系統微機繼電保護、新能源發電技術。Email：liuqing0816@yahoo.com.cn

樊世通（1990—），男，碩士研究生，研究方向為新能源發電技術。Email：fst001@139.com

付超（1979—），男，博士，講師，研究方向為電力電子技術在電力系統中的應用。Email：5917820@qq.com

2015-09-10；

2016-04-11

國家電網公司資助項目（DG71-15-039）；青海省光伏發電并網技術重點實驗室（2014-Z-Y34A）