基于混合儲能荷電狀態的微源并網平滑控制

桂永光

（江蘇安方電力科技有限公司，江蘇 泰州 225300）

0 引 言

實現碳中和目標，清潔能源發電是一條重要途徑。“十四五”期間，中國新增跨區輸電通道以輸送清潔能源為主，各地也將大力支持和保障清潔能源發電能夠及時并網消納。清潔能源輸出功率有較大的波動性，給電力系統的穩定運行、電能質量及調度控制帶來了巨大的挑戰。儲能在清潔能源發電中可以實現電能的存儲、削峰填谷、電能質量治理、平抑新能源出力波動以及緊急備用等功能[1,2]。

清潔能源發電系統中的儲能一般分為能量型和功率型兩類[3-6]。以鋰電池、鈉硫電池、液流電池以及鉛酸電池等為代表的能量型儲能介質的能量密度較大，響應速度較慢，功率密度較小；以超級電容、超導磁儲能和飛輪儲能等為代表的功率型儲能介質能量密度較小，功率密度較大，高倍率充放電不會損害其性能。為了同時發揮儲能的響應速度和能量密度，本文將能量型儲能介質和功率型儲能介質組成混合儲能系統（Hybrid Energy Storage System，HESS）。

獨立微網系統一般與大電網脫離，由于缺少大電網支撐，系統內各類分布式電源對系統的電壓和功率產生較大影響。獨立微網系統中也常會出現風速降低但負荷增加的情況，導致系統功率不平衡，電壓失去穩定，這時儲能系統將發揮重要作用。混合儲能系統中電容保證瞬間電壓和功率不變，超級電容可以抑制環流，緩解電壓頻率偏差的影響，而蓄電池保證中期輸出功率和電壓不變，可以達到恒功率效果[7]。如果讓儲能系統處于傳統的浮充狀態，顯然已經不能解決分布式電源出力突增和負荷突降的問題。分布式電源出力越大，對應的儲能剩余容量（State Of Charge，SOC）越大，則儲能可輸出的能量越大。

為實現分布式電源最大化利用，避免在微網中防止PCC處功率雙向流動過大，系統震蕩，對注入電網的電流造成很大的波動。本文分析混合儲能系統的SOC，采用超級電容和儲能組合，設計儲能系統各個時刻的荷電容量，根據天氣情況和地區統計風速進行調整，使儲能系能夠最大化調節系統功率。

1 混合儲能系統結構及控制策略

1.1 混合儲能結構

根據混合儲能系統特點，既可以將蓄電池和超級電容當成一個整體實現控制，又可以將超級電容和蓄電池當成獨立的分布式電源進行獨立控制[8-11]。

圖1為混合儲能系統的一種典型結構，超級電容和蓄電池分別與DC/AC雙向變流器聯結然后并聯到分布式電源輸出端。分布式電源可以是光伏和風力發電機的多種組合，儲能控制系統通過檢測DG的輸出電壓和電流生成控制指令Osc和Obattery，超級電容和蓄電池的工作狀態信息Sbattery和Ssc實時傳遞給控制器，可以對交流側電壓和頻率作出快速響應。

圖1 電容蓄電池分散控制的儲能系統結構簡圖

該拓撲結構將超級電容和蓄電池分別看成獨立的清潔能源發電裝置，可以對其變流器的參數進行獨立配置。儲能系統控制器可以獨立控制超級電容，實現電能質量治理，也可以綜合控制超級電容和蓄電池，實現對系統綜合調節。此外，該結構還可以獨立控制各個變流器，以滿足各種不同的控制目標，最主要的是這種拓撲結構擴容方便，適合大容量儲能系統，可以實現對超級電容和蓄電池的獨立控制。

根據蓄電池和超級電容的特點，可以將蓄電池和超級電容當成一個整體，甚至可以看成是一個可控的分布式電源。混合儲能系統根據交流母線和分布式電源的出力情況，通過儲能系統控制器分別調節超級電容和蓄電池，實現功率平滑控制。該結構較圖1結構中，用到并網接口較少，但是較難實現對超級電容和蓄電池的單獨控制，具體如圖2所示。

圖2 電容蓄電池集中控制的儲能系統結構簡圖

1.2 混合儲能實現功率平滑控制

考慮到清潔能源功率的波動性，結合蓄電池和超級電容器互補的儲能特性，制定如下適合該混合儲能系統的能量管理策略[4]。為充分發揮超級電容器瞬間功率密度大、可重復利用次數多以及響應及時的優勢，讓超級電容承擔電能質量治理和瞬間功率波動抑制的功能。此外，蓄電池響應速度較慢，但是能量較高，可通過較長時間釋放能量來承擔系統中功率不平衡的調節作用。

為實現分布式能源的并網功率平滑控制，儲能裝置要發揮功率調節作用，恰當管理儲能的荷電狀態剩余容量SOC。通過管理混合儲能的能量，使綠色能源并網接口具有彈簧一樣的功能。例如，當風速達到最大時，風力發電機的儲能對應的應該是最高荷電狀態。因為下一時刻風速是下降的，對應的風力發電機輸出功率降低，需要儲能裝置輸出功率，通過管理荷電狀態，這時儲能裝置恰好可以提供最多的電能來應對風速降低帶來的功率降低，達到并網功率平滑控制效果。然而，當地風速比較低時，如果對應的儲能裝置荷電狀態SOC接近100%，那么下一時刻風速增加，但儲能裝置此時不能再吸收功率，也就失去了功率和電壓的調節效應。因此有必要管理混合儲能裝置的荷電狀態，發揮其調節并網電源輸出功率的功能。

2 風力微源儲能剩余容量的設定

風力微源儲能剩余容量的設定中，平均風速、最大風速、最小風速分別為過去3年的統計平均值。為了防止蓄電池SOC過低影響電池壽命，蓄電池最小剩余容量設定為30%。

根據統計年鑒計算平均風功率為：

式中，Pavg為風力機功率，單位為W；ρ為空氣密度，單位為kg/m3（在一個標準大氣壓下，ρ=1.225 kg/m3）；A是橫截面積，單位為m2；v是垂直吹過截面A的風速，單位為m/s。

由于風力機功率與風速的三次方成正比，因此計算風速對應的蓄電池負荷狀態時以風速的三次方進行比較。得出平均風功率對應的實時風速v—3和年最大風速平均值v3max，年最小風速平均值v3min和現在風功率比較，為了使方法更具有普遍性，用標幺值表示。此外，為了研究方便，本文假定一種理想情況，且不考慮蓄電池充放電壽命，風速在一定時間內保持穩定，蓄電池短期內可釋放或吸收較大能量。

通過該地區歷年數據統計，得出該地區的年最大風速平均值為v3max和年最小風速平均值為v3min。尋求一種SOC管理策略模型，將風速的三次方與儲能系統發出的功率對應起來，滿足在不同的風速下儲能系統發出不同的功率，最大概率地滿足下一時間段儲能系統能夠調整到最合適的SOC狀態來應對風速變化。例如，當風速已經達到年最大平均風速時，其SOC最理想狀態應為90%以上，以應對下一時間段風速降低。可將v3max與v3min之間的風速劃分7個等份，對應的風速分別是v31、v32、v33…，分別對應SOC狀態的30%、40%、50%、60%、70%、80%以及90%。當風速v3為年平均值v3max時，SOC=90%。

通過建立風速與儲能系統SOC的對應關系，發揮儲能系統在平抑功率波動中高效靈活的調節優勢，實現微源并網功率的平滑控制。

3 結 論

儲能系統對維持獨立微網安全穩定運行具有十分重要的作用，本文針對風力發電的微電網系統功率平衡問題，設計了儲能系統SOC管理策略。通過對不同狀態和不同環境下的儲能系統SOC進行管理，實現混合儲能系統能量及容量高效利用，實現分布式風力發電并網點功率平滑輸出及電能質量治理，確保系統運行的安全性及可靠性。