考慮電池荷電狀態(tài)的光伏電站儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)控策略

王敏濤，何小龍，王開(kāi)讓

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100045；2.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045）

近年來(lái)，由于全球化石能源緊張、碳排放等原因，各國(guó)都致力發(fā)展新能源[1]。光伏發(fā)電屬于新能源發(fā)電的一種，其具有可再生、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在全球范圍內(nèi)得到廣泛關(guān)注和大力發(fā)展[2]。但是，光伏發(fā)電受到諸多自然條件的限制，比如光照強(qiáng)度、溫度等，導(dǎo)致光伏發(fā)電出力具有間歇性、波動(dòng)性特點(diǎn)。隨著光伏發(fā)電的容量與規(guī)模的增大，在并網(wǎng)過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成了不可忽視的影響[3-5]。儲(chǔ)能系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)靈活、響應(yīng)速度快，為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以通過(guò)在光伏電站加入儲(chǔ)能系統(tǒng)，平滑光伏輸出的功率波動(dòng)，從而減小并網(wǎng)過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的影響[6-8]。全釩氧化還原液流電池（Vanadium Redox Battery，VRB）的安全性高，響應(yīng)速度快，功率和容量相對(duì)獨(dú)立，符合光伏電站對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間使用要求[9]。

光伏電站儲(chǔ)能系統(tǒng)的平滑控制策略對(duì)光伏的輸出功率波動(dòng)抑制效果有直接的影響[10-11]。目前，國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者在此方面展開(kāi)技術(shù)研究并取得了一定成果。文獻(xiàn)[12-13]提出模糊控制算法平滑出力波動(dòng)，平滑效果較為理想，但是在此過(guò)程中，沒(méi)有對(duì)功率波動(dòng)部分光滑度作進(jìn)一步分析。文獻(xiàn)[14]采用低通濾波器，對(duì)光伏的高頻段波動(dòng)進(jìn)行處理，平滑光伏輸出；文獻(xiàn)[15]將功率輸出期望值設(shè)為恒定值，采用的控制策略較為簡(jiǎn)單，但是需要的儲(chǔ)能容量較大，建設(shè)成本高，難以用于實(shí)際工程當(dāng)中。

光伏電站輸出功率平滑已有控制策略中濾波器時(shí)延、出力突變、電池SOC越限等因素直接影響平滑效果和儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命，針對(duì)此問(wèn)題，本文以VRB為光伏電站陣列的儲(chǔ)能單元，提出一種可同時(shí)兼顧平滑效果和電池SOC調(diào)整的光伏電站儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)控多目標(biāo)優(yōu)化策略。首先建立平滑出力波動(dòng)目標(biāo)，之后采用多輸入模糊控制對(duì)輸出功率波動(dòng)率和電池荷電狀態(tài)進(jìn)行在線優(yōu)化，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證，采用上述控制策略，光伏電站輸出功率的波動(dòng)得到了有效抑制。

1 光伏電站及全釩氧化還原液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

1.1 光伏電站儲(chǔ)能系統(tǒng)

光伏電站儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由光伏陣列、蓄電池、變流器和并網(wǎng)逆變器等裝置組成。

直流側(cè)接入式儲(chǔ)能系統(tǒng)和光伏裝置共用一個(gè)逆變器，具有響應(yīng)速度快、成本低等特點(diǎn)；交流側(cè)接入式儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制要求較高，需要較大的儲(chǔ)能容量。本文采用直流側(cè)接入方式，直流側(cè)光伏電站儲(chǔ)能系統(tǒng)接入方式結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 直流側(cè)接入儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1中光伏模塊盡可能使光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)，儲(chǔ)能模塊可平抑光伏發(fā)電輸出功率，并網(wǎng)逆變器為光伏發(fā)電并網(wǎng)提供必要條件。

1.2 全釩氧化還原液流電池及其荷電狀態(tài)評(píng)估

普通蓄電池功率密度較低，壽命較短，不適應(yīng)頻繁充放電應(yīng)用場(chǎng)景，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本文采用的全釩氧化還原液流電池屬于蓄電池的一種，呈循環(huán)流動(dòng)液態(tài)，電池內(nèi)部的釩離子在不同的氧化狀態(tài)下具有不同的化學(xué)勢(shì)能。此電池的電解液可循環(huán)使用，充放電的速度快，適用于光伏電站儲(chǔ)能系統(tǒng)。電池的荷電狀態(tài)剩余容量用SOC（State of charge）表示，VRB的SOC值計(jì)算可用式（1）表示：

式（1）中，Ere表示電池的剩余容量，Ecap表示電池的額定容量，SOC的值在0%~100%之間。

電池自身最大充放電功率對(duì)電池的使用壽命等有直接關(guān)系，可以用VRB出力強(qiáng)度的狀態(tài)反映此值，表達(dá)式如式（2）所示：

式（2）中，Prate表示電池充放電的上限，Prate表示電池充放電功率的下限；表示VRB有功功率的給定值。

SOCk的獲取可以通過(guò)電量積累法得到，可以用公式（3）表示：

2 基于模糊控制的光伏電站儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)控多目標(biāo)優(yōu)化控制

2.1 平滑出力波動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

波動(dòng)率作為平抑光伏輸出功率的檢驗(yàn)指標(biāo)，可有效對(duì)波動(dòng)效果進(jìn)行驗(yàn)證。

有功功率的波動(dòng)率可用式（4）計(jì)算[16-17]：

其中，

上式（4）、（5）、（6）中，Pmax-pv和Pmin-pv分別表示光伏有功功率的最大值和最小值；Prated-pv表示光伏電站的額定功率；rpv表示其波動(dòng)率；Ppv（t）表示在t時(shí)刻光伏有功功率。

2.2 選取儲(chǔ)能充放電目標(biāo)參考功率

傳統(tǒng)平滑策略中多采用低通濾波器，但低通濾波器有延時(shí)問(wèn)題，而滑動(dòng)平均濾波器能夠有效解決這一問(wèn)題，當(dāng)光伏電站功率驟變時(shí)，滑動(dòng)平均濾波器性能也較穩(wěn)定。

滑動(dòng)平均濾波法的優(yōu)點(diǎn)在于平滑度高，可實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)輸出曲線的平滑。其計(jì)算公式如式（7）所示：

式中，Pref（t）代表在t時(shí)刻目標(biāo)的參考功率；N代表采樣數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度；w=0，1，2，···，N-1。

蓄電池的充電、放電功率指令可用式（8）表示：

式中，Pb（t）表示蓄電池在t時(shí)刻充電、放電指令；當(dāng)Pb（t）＞0時(shí)，蓄電池充電；當(dāng)Pb（t）＜0時(shí)，蓄電池放電。

2.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)模糊控制器結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能系統(tǒng)模糊控制器能夠通過(guò)波動(dòng)率和電荷狀態(tài)值選擇恰當(dāng)?shù)臑V波階數(shù)，從而使光伏電站輸出功率趨于穩(wěn)定，并且能夠穩(wěn)定SOC值。

本文設(shè)計(jì)了三輸入雙輸出的模糊控制器，其調(diào)控策略結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)控策略圖

圖2中，光伏陣列發(fā)出的有功功率Ppv經(jīng)過(guò)平滑出力波動(dòng)指標(biāo)計(jì)算得到差值作為模糊控制器的一個(gè)輸入，另外兩個(gè)輸入分別由SOC反饋處理得到，分別為SOC的偏差值以及對(duì)SOC求導(dǎo)數(shù)值。經(jīng)過(guò)模糊控制器后與Ppv和濾波后的Ppv的差值求和，再進(jìn)行SOC的計(jì)算。PBESS表示儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際的補(bǔ)償功率。

3 多目標(biāo)優(yōu)化模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制器的設(shè)計(jì)主要以電池SOC調(diào)整、平滑效果以及波動(dòng)率大小為目標(biāo)，采用多輸入模糊控制對(duì)輸出功率波動(dòng)率和電池荷電狀態(tài)進(jìn)行在線優(yōu)化。

儲(chǔ)能系統(tǒng)電池荷電狀態(tài)SOC偏差、平滑度以及波動(dòng)率采用的模糊子集均為{NB，ZO，PB}，分別表示當(dāng)前儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)、平滑度和波動(dòng)率的值為{偏低，適中，偏高}。隸屬度函數(shù)分別如圖3所示。

圖3 多目標(biāo)優(yōu)化模糊控制器隸屬度函數(shù)

當(dāng)電池的SOC偏差分別為PB、ZO、NB時(shí)，SOC優(yōu)化控制中模糊調(diào)整量的模糊規(guī)則見(jiàn)表1至表3。

表1 SOC偏差為PB模糊規(guī)則表

表3 SOC偏差為NB模糊規(guī)則表

表2 SOC偏差為ZO模糊規(guī)則表

4 算例分析

為了驗(yàn)證提出的光伏電站儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)控多目標(biāo)優(yōu)化策略，在Matlab/Simulink平臺(tái)上搭建了光伏電站和儲(chǔ)能系統(tǒng)模型，仿真系統(tǒng)中光伏電站的容量為1 000 kW，光伏電站輸出功率的5 min最大波動(dòng)率作為平滑效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

加入優(yōu)化策略與未加入優(yōu)化策略電池SOC值變化如圖4所示，優(yōu)化前后儲(chǔ)能補(bǔ)償功率對(duì)比圖如圖5所示，優(yōu)化前后光儲(chǔ)出力對(duì)比圖如圖6所示。

圖4 優(yōu)化前后SOC對(duì)比圖

由圖4可以看出，優(yōu)化后的電池荷電狀態(tài)響應(yīng)速度更快，更加容易趨于穩(wěn)定，避免其劇烈波動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)差由5.615 7減小到0.799 2。圖5可以看到通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電效果，標(biāo)準(zhǔn)差減小了73.70%。從圖6可以看到，優(yōu)化前后光儲(chǔ)出力標(biāo)準(zhǔn)差減小了61.90%，有效保證了光伏儲(chǔ)能平滑后功率的平抑效果。

圖5 優(yōu)化前后儲(chǔ)能補(bǔ)償功率對(duì)比圖

圖6 優(yōu)化前后光儲(chǔ)出力對(duì)比圖

5 結(jié)束語(yǔ)

儲(chǔ)能系統(tǒng)的平滑出力波動(dòng)和SOC對(duì)電池的使用壽命以及效率有直接影響，是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要衡量指標(biāo)。本文提出的光伏電站儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)控多目標(biāo)優(yōu)化策略有效解決了光伏電站儲(chǔ)能輸出功率平穩(wěn)的問(wèn)題。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證，電池的荷電狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)差由5.615 7減小到0.799 2，優(yōu)化后其值更容易趨于穩(wěn)定，光伏平滑出力度波動(dòng)效果較好。