光儲聯合發電系統中混合儲能的功率協調控制*

2017-12-20 01:34:04孫芊曾正郭寶甫馬建偉

電測與儀表 2017年6期

關鍵詞：系統

孫芊，曾正，郭寶甫，馬建偉

（1.國網河南省電力公司電力科學研究院，鄭州450052；2.重慶大學電氣工程學院，重慶400044；3.許繼集團有限公司，河南許昌461000）

0 引言

近年來，分布式光伏發電系統得到了越來越多的重視［1］，并朝著密集化和高滲透率的方向發展［2］。為了降低光伏對電網的影響，與光伏集成到一起的混合儲能系統，以其光儲一體的電路結構、功率就地平衡的技術優勢得到了廣泛的關注［3］。然而，在光儲聯合發電系統中，為了保證儲能單元在安全運行的前提下，充分發揮其性能，混合儲能之間的功率分配是其中一個亟待解決的關鍵問題。

已有部分文獻針對混合儲能系統的優化功率配置和協調控制進行了研究。文獻［4-6］提出了基于變時間常數的控制方法，協調不同儲能單元在響應時間、功率密度和能量密度方面的差異。文獻［7］提出了一種新穎的混合儲能控制方法，協調混合儲能對一個寬頻域范圍內功率進行有序響應。文獻［8-9］提出了基于下垂控制的方法來協調多個儲能單元分攤負荷功率?，F有方法大多面向直流或交流母線電壓的穩定，研究混合儲能單元的優化配置和協調控制。從電網的角度來看，光伏聯合發電系統還需要更多地考慮：整個系統的可調度性和光伏出力的可平抑性。如何響應電網需求，確定混合儲能系統的功率指令，對于光儲聯合發電系統具有重要的意義。另一方面，為了保證儲能單元對功率指令的合理分攤，儲能的荷電狀態（State of Charge，SOC）應該作為儲能控制的一個優化約束。

本文針對光儲聯合發電系統的功率協調控制進行研究，以電網調度和光伏輸出功率平滑兩種運行工況為例，建立了混合儲能的功率分配體系和控制方法。利用理論分析和仿真結果驗證了所提方法的有效性，為光儲聯合發電系統提供了一種新的控制方法。

1 基于頻率協調的功率分配控制

圖1給出了一個典型光儲聯合發電系統的整體框圖，為了降低光伏對電網的影響，在其直流側引入儲能單元，平滑光伏的出力，并提升光儲聯合發電系統的可調度性，通常采用混合儲能的結構。

圖1 光儲聯合發電系統的構架Fig.1 Configuration of PV-ES system

如圖2所示的光儲聯合發電系統采用兩層控制的方案。上層控制采用基于頻域協調的控制方法，根據電網調度和光伏出力，給混合儲能單元分配功率指令。下層控制為基于SOC的儲能功率分攤控制，管理各儲能變流器吸收或發出所期望的功率。

圖2 光儲聯合系統功率的頻率協調控制Fig.2 Frequency coordinated control of PV-ESS

當聯合發電系統接受電網調度時，常數Pref為電網調度指令，表示向電網注入所需的有功功率。

可見，電網功率指令由兩部分組成，分別為光伏出力的平滑部分和緊急有功支撐部分P0。儲能所需要平衡的總功率ΔPes為指令功率和光伏出力功率之間的差值，即：

由于混合儲能中，各個單元的響應時間不盡相同，為了實現不平衡功率在儲能中的分擔，采用基于頻域的協調控制方法。其中，電池儲能單元響應速度慢、功率密度低、能量密度高，主要針對低頻的功率波動量進行補償，即其功率指令為：

相反，超級電容儲能響應速度快、功率密度高、能量密度低，主要應對高頻的功率波動量，即：

由式（2）和式（4）、式（5），不難發現：

可以得到圖3（a）所示的功率與頻率分配特性，在整個光伏出力的頻率范圍ωpv內，中頻段（ωes，ωc）由電池承擔，高頻段（ωc，ωpv）為超級電容承擔。以表1所示的一個典型系統的參數為例，得到各頻率段的Bode圖如圖3（b）所示。

表1 光儲聯合發電系統頻率控制參數Tab.1 Frequency control parameters of PV-ESS system

2 基于SOC的儲能功率協調控制

對于圖2所示光儲聯合發電系統的下層控制，變流器根據儲能單元的可用容量分攤指令功率。其電池儲能模塊為例，其控制框圖如圖4所示［10］。

圖3 光儲聯合系統功率的頻率分配特性Fig.3 Output power of PV-ESS in frequency domain

圖4 光儲聯合系統功率的自適應下垂控制Fig.4 Schematic control of PV-ESS by adaptive droop

一般地，儲能的荷電狀態SOC定義為儲能可用容量與其額定容量之比，可以表示為［11］：

式中CN為額定容量；SOC是一個0～1之間的數，0表示完全放電，1表示完全充滿；SOC0為儲能的初始荷電狀態，η為充放電效率，I（V，Z，τ）為與儲能端口電壓U、阻抗Z和在階躍電流下的電壓響應弛豫時間τ有關的充放電電流。

儲能電池的模型可以采用如圖5（a）所示的等效電路模型［13］。

圖5 儲能單體的等效電路模型Fig.5 Equivalent circuitmodel of energy storage cells

電池的內阻為：

式中η為電池效率；Qn為電池額定容量；Un為其額定電壓。電池單體的SOC可以表示為：

式中Np為電池組的并聯支路數；Ibat為電池的放電電流（充電時為負）；電池組的輸出電壓：

式中Ns為電池組的串聯電池單體數；Qr為電池單體的當前容量；E0為電池單體的內電勢，可表示為：

式中Ichg為電池的額定充電電流；參數A、B和K分別為：

一典型電池單體的參數如表2所示。

表2 典型電池的參數Tab.2 Parameters of typical battery

超級電容單體的數學模型用三階RC網絡模擬，以100 F超級電容為例，其等效模型如圖5（b）所示，參數見表 3［11］。

表3 超級電容模型參數Tab.3 Model parameters of super-capacitor.

超級的電容的SOC可以表示為：

當多個儲能單元集成到一起組成混合儲能系統工作時，不同儲能單元的響應時間和能量密度不盡相同，不同儲能單元的容量在運行過程也存在差異，且實時動態變化。為了保證光儲聯合系統的功率需求，在多個儲能單元之間根據其可用容量合理分配，本文提出一種基于SOC的混合儲能系統功率協調控制方法，如圖6所示。

圖6 儲能單元的功率協調控制Fig.6 Coordinated control for power sharing of ESS

在該線性模型中，放電時，SOC大的儲能單元輸出功率更大；相反，在充電時，SOC小的單元充電功率更高。這樣SOC不同的儲能單元盡可能朝著SOC趨同的目標逼近。以一電池組為例，其實際的功率指令為：

3 仿真結果與分析

為了驗證所提光儲聯合發電系統模型和控制策略的可行性和有效性，在PSCAD/EMTDC中建立了如圖1所示的仿真模型，系統參數如表4所示。仿真過程中的擾動設置為：電網調度功率為8 kW；0 s開機，1 s時光照強度從400W/m2階躍到1 200W/m2，2 s時光伏電池的穩定從25℃階躍到50℃。

工況1：電網功率調度

如圖7，光儲聯合發電系統的功率控制接到調度側，電網所預期的功率指令為Pref＝5 kW，圖8給出了光儲聯合發電系統的輸出功率。在儲能單元的配合下，光儲聯合發電系統能響應電網的需求側響應，向電網注入所需的功率，支撐電網運行。

圖8（a）給出了電池儲能單元的指令功率和輸出功率，圖8（b）給出了兩組電池的功率分配系數。電池的響應速度慢，能量密度高，承擔了穩態的功率；超級電容響應速度快，能量密度低，承擔了動態功率，如圖8（c）。電池組1的初始SOC較小，在充電過程中分擔的功率比電池組2要?。幌喾?，在充電過程中吸收的功率更大，也可以從圖8（b）所示兩電池組的功率分配系數中得到。圖8（c）～（d）給出了超級電容的情況，電容組2的初始SOC較小，放電功率更小，充電功率更大。