計及混合儲能SOC的平抑風電功率控制策略

莊雅妮 陳曉光 任海龍 劉成冬

1. 北京首都機場動力能源有限公司，北京 100621；2. 北京信息科技大學自動化學院，北京 100192

0 前言

截至2021年底，全國發電裝機容量約為23.8億千瓦，同比增長7.9%，其中風電裝機容量約32,848萬千瓦，同比增長46.6%。風電發展成為我國清潔能源產業發展的焦點[1]，但風力發電受到自然環境的約束和影響，其隨機性、波動性較大，風電接入電網后會出現較多問題，例如系統的穩定性、電能質量、系統發電計劃和調度等問題。近些年儲能技術的迅猛發展，儲能方式的產業化給平抑隨機性強、波動性大的風電提供了新方案。儲能系統可以快速存儲和釋放電能，利用這部分電能可以減小新能源的波動量，促進新能源消納，緩解高峰負荷壓力等，這種調節方式具有靈活、快速的特點[2]。因此，應用于平抑風電波動的儲能控制策略是一個研究熱點。

一階低通濾波算法（Low Pass Filter，LPF）是最常用的一種控制方法，文獻[3]中，基于LPF算法提出了零相位低通濾波器，其目的是改善無限脈沖響應低通濾波產生延遲的缺點；文獻[4]中，利用小波包分解將風電場風電分解，得到風電場目標功率和儲能系統的補償功率，利用雙層模糊控制優化充放電指令；文獻[5]與上述文獻[4]相似，但是在處理次高頻和高頻部分，采用了高斯分布對其信號做了數理概率統計，量化出最優的混合儲能系統功率和容量，并進行算例仿真驗證其合理性；文獻[6]中，提出了一種滑動平均法和模型預測控制的控制策略，在該控制策略下，利用模型預測控制法對風電出力進行預測，同時把儲能系統的荷電狀態反饋給能量控制系統，避免了儲能系統的過充過放，延長壽命的同時減小了儲能成本；文獻[7]中，通過對不同頻率的風電進行不同儲能類別進行平抑控制，將儲能系統的壽命作為約束條件，求解得到超級電容和電池儲能的混合儲能最優儲能配置方案。目前，在單一儲能介質的儲能控制策略方面的研究已經很成熟，混合儲能的控制策略雖有涉及，但是對于風電-混合儲能系統整體響應和效率方面卻少有研究。二階低通濾波改善了一階低通濾波設計簡單、截止特性差的不足，可以通過不同介質工作特性制定濾波時間常數規則，實現功率的重分配。

基于以上分析，本文提出了計及混合儲能SOC的變濾波時間常數的混合儲能系統控制策略，先由二階濾波算法得到鋰離子電池和超級電容的預補償值，結合不同SOC下超級電容的響應速度，重新定義了高效安全SOC區間，通過SOC功率重分配環節和限制模塊得到實際補償值，不僅延長了鋰離子的工作年限，同時提高了風電-混合儲能系統的整體響應速度，并通過MATLAB進行實例仿真，驗證該方法的有效性。

1 風力發電-混合儲能系統結構

當下儲能技術種類多樣化，表1中例舉了幾種能量型儲能類別。鋰電池優勢在于對建設環境無特殊要求，建設周期短，能量效率高，功率和時間配置靈活；鉛碳電池同樣對環境無特殊要求，充放電性能好，價格相對較低，但循環壽命相比鋰電池較短；液流電池能量密度在各類電池儲能技術中最低，且響應速度相對較慢；鈉硫電池在移動場合下使用條件比較苛刻，受空間及安全性方面的局限。綜上，鋰離子電池兼具了高能量密度和高功率密度，能夠實現可逆，是一種綠色電源，符合當下清潔能源的要求；功率型儲能具有響應速度快的特點，典型的有超級電容器、超導磁等，但后者經濟成本太高，國內應用較少，因此本文采用鋰離子電池-超級電容的混合儲能系統。

表1 不同電池儲能技術特性

圖1為本文的混合儲能系統結構示意圖。混合儲能系統由超級電容和磷酸鋰鐵組成，其中，Pw為風電場發電原始風功率值，Pmix為混合儲能系統輸出功率值，Pref為目標并網功率值。控制系統根據電網并網要求制定合適的控制策略，反饋給風電場和儲能系統，從而得到并網參考值Pref和混合儲能系統補償值Pmix，達到平抑風功率使其安全并網的目的。

2 計及混合儲能SOC的變濾波時間常數的混合儲能系統控制策略

儲能系統平抑風電工作的場合需要快速存儲，釋放電能，其可能會導致系統長時間處于較危險的SOC區間內和頻繁切換充放電狀態下，從而降低使用壽命。為此，本文根據不同儲能類別的充放電特性提出了一種計及電池壽命的變濾波時間常數的混合儲能系統控制策略。控制框圖如圖2所示，風電場原始輸出功率經一階低通濾波和變化率限制模塊后，得到混合儲能系統預補償值，再次濾波后，通過基于SOC功率重分配模塊，根據不同儲能類別充放電的工作特性，對各儲能介質輸出功率進行調整，使其值盡量維持在安全范圍內，最后經約束模塊后得到鋰離子-超級電容的實際補償值。

2.1 二階低通濾波算法

圖3為二階低通濾波算法原理，一階低通濾波器的原理公式如式（1），將式（1）進行離散化，如果輸入和輸出按照Δt的時間采樣，可以將輸入輸出序列化，對式（1）簡化，得到式（2）：

其中，T1——濾波時間常數；

k——第k個采樣點；

Δt——信號采樣時間，此外規定當Pref(t)＞0時，混合儲能系統放電，相反，混合儲能系統充電。

獲得混合儲能系統實際功率Pmix后，選擇合適的濾波時間常數T2，經過二階低通濾波算法后，得到鋰離子電池和超級電容的預充放電功率，如式（3）、（4）：

2.2 基于SOC的功率重分配

本文將電池的荷電狀態劃分為5個區域：過充、電量較高、正常、電量較低、過放。過充與過放屬于不健康區間、電量較高和電量較低屬于亞健康區間、正常屬于健康區間，其對應的SOC值如表2所示。

表2 電池SOC區域值

在功率重分配環節中有兩個標準。標準一其主要目的是為了延長混合儲能系統的工作壽命，在允許的條件下盡可能在合理安全的SOC內，又由于當SOC處于過充、過放區間內也會影響平移策略的效果，本文通過制定電池不同SOC區間內的濾波時間常數來達到標準一的目的，制定規則為：當鋰離子電池SOC在正常區間內，濾波時間常數保持不變；當SOC處于電量較高時，當前環節鋰離子若充電（放電），則濾波時間常數按當前SOC與預設SOC差值的絕對值線性變化使充電（放電）功率低（高）于預補償值；反之亦然，如公式（5）所示。

標準二目的是為了使不同儲能介質能夠高效協同運行，根據超級電容的工作特性可知，對比能量型儲能，功率型儲能更適應頻繁切換充放電狀態，而且當超級電容的SOC較高時，相較于充電信號對放電信號響應速度較快；SOC較低時，對充電信號響應速度較快，因此，設定鋰離子儲能系統充放電時，超級電容預定荷電狀態SOCSC_c和SOCSC_d，與超級電容儲能系統當前環節SOC值進行比較，制定相應的濾波時間常數，制定規則為：鋰離子當前環節處于放電狀態，為了使超級電容較快響應充電信號，當超級電容當前環節SOC大于SOCSC_d，且處于充電（放電）狀態，則濾波時間常數按當前SOC與預設SOC差值的絕對值線性變化使充電（放電）功率低（高）于預補償值，鋰離子充電亦然，如公式（6）所示。為此重新定義超級電容電池區間，如表3所示。

表3 超級電容SOC區域值修正

其中，k、kl、kc——變化量增益，通過大量實驗數據測試選擇較優值；

SOCli(k)、SOCsc(k)——當前環節鋰離子電池的荷電狀態和超級電容的荷電狀態。

由于兩個標準都需要通過改變濾波時間常數達到目標，且標準一優先級高于標準二。因此引入優先級決策系數pl、pc，其值如下公式定義：

綜上，本文基于SOC功率重分配環節流程圖如圖4所示，由變化率模塊和二階濾波算法得到不同儲能介質的預補償值，首先判斷鋰離子電池是否工作在安全區間，再更新濾波時間常數，然后對超級電容的荷電狀態進行判定，更新濾波時間常數，達到兩個標準的要求。

2.3 約束模塊

經過上述模塊和環節后，得到了不同儲能介質的實際功率值，但仍需對儲能系統充放電指令進行極限約束條件的核驗，本文的極限約束有：

（1）儲能系統額定功率約束，任意時刻下不同介質補償值不能超過其額定功率值，即：

其中，Pli_max、Psc_max——鋰離子電池和超級電容的額定功率值。

（2）儲能系統額定容量約束，任意時刻下不同儲能介質的儲能容量不能大于其額定容量，即：

其中，Qli_ca——鋰離子電池的額定容量，且超級電容與鋰離子極限約束相同。

3 算例分析和仿真驗證

算例數據為某風電場一年的歷史數據，額定功率為50 MW，規定鋰離子儲能系統功率和容量分別為7 MW、14 MWh，超級電容儲能系統功率和容量分別為1 MW、1 MWh，對一年的歷史數據進行仿真分析，控制方法采用文獻[4]中模糊控制方法與本文方法，且本文提出的計及混合儲能SOC的平抑風電波動控制方法，a和b分別為0.9和0.8，SOCSC_c和SOCSC_d分別為0.7和0.3，k、kl和kc分別為8、25和110。

3.1 平抑效果評價

目前已有的文獻研究中，為了進一步量化平抑效果，提出了在不同時間尺度下的風電最大波動量、平抑效果標準差，公式如下[3]：

其中，δ——標準差；

μ——采樣數據平均功率值；

N——數據個數；

P(i)——采樣功率值，該值越大說明波動越大。

為了進一步比較儲能系統工作方式和功率重分配環節的有效性，引入兩個評判標準：一是儲能系統因額定容量限制而無法按預補償值工作的百分數N，公式如式（14），該值越小，說明儲能系統輸出功率分配更合理；二是超級電容儲能轉換充放電狀態的百分數D，公式如式（15），該值越大，說明更符合儲能介質的工作特性：

其中，L——選取的時間長度；

t——采樣時間；

NL——時間長度為L時，儲能系統因容量限制而無法按預補償值進行工作的采樣點個數；

ND——時間長度為L時，超級電容儲能系統切換充放電狀態的次數。

3.2 仿真分析

由圖5可知，一年1 min波動量本文方法最大為3.65，對比方法為2.74，對比可以得出兩種方法下的波動均滿足波動限制要求（根據裝機容量49.5 MW，其1 min波動量最大為4.9 MW），且本文方法的最大波動量更小。從圖6、圖7中觀察N值的分布，本文方法一年內各月N值均高于對比方法，說明儲能系統因容量限制而無法完成預補償值的場景更少，輸出分配更合理，為了直觀地表示平抑效果，分別取一年仿真數據中的兩個典型日，結合圖8、圖9可以說明，本文控制方法平滑風電輸出的效果更好。結合圖10、圖11，本文的控制方法在1 min波動量、標準差和N值3個評價指標上均小于模糊控制方法，D值高于模糊控制方法，代表超級電容承擔了更多切換充放電的任務，說明本文的控制方法的可行性。圖8、圖9是典型的平抑效果圖，宏觀上可以得出不同算法均達到了平滑風功率曲線的效果，說明了本文控制方法改變了混合儲能系統的輸出功率，結合圖12可知，模糊控制儲能容量達到上限或下限無法繼續平抑工作，同時本文控制方法合理地重新分配了儲能系統出力，降低了儲能系統因達到滿充或滿放而無法工作的百分數，說明本文控制方法有效地提高了儲能平抑風電作業的百分比，驗證了該方法功能性上的有效性。

至此，分析了本文控制方法的功能性要求。為了驗證控制方法中功率重分配環節的可行性，針對采樣時間為一天定量分析，結合圖13、圖14可知，宏觀上，鋰離子的SOC在本文的控制方法下穩定在0.2～0.8區間內波動，且波動較小，超級電容的SOC在安全高效區間0.2～0.3的比例，本文方法明顯占比更高。另外，與模糊控制方法相比，本文控制方法提高了超級電容切換充放電狀態的次數，更符合不同儲能介質的特點。由此證明了功率重分配環節標準二的可行性。

為了進一步說明本文方法的可行性，圖15、圖16反映了不同算法一年內SOC分布。根據本文控制算法可知，在功率重分配環節中有兩個標準，一是避免儲能系統長時間處于過放過充，并定義了SOC的5個區域；二是考慮不同儲能介質的工作特性，由圖15、圖16可知，鋰離子與超級電容經功率重分配環節前后，在安全SOC區間工作的百分數分別由48%、44%提高至60%、60.1%，有效避免了儲能系統持續工作在不健康區間，達到延長儲能元件壽命的目的。此外，超級電容在安全高效工作區間的值由36.68%增加至50.60%，實現了標準二的要求，提升了超級電容對充放電指令的響應速度，加強了混合儲能系統的協同運行效率，驗證了本文控制方法的有效性。

4 結束語

本文提出了一種計及混合儲能SOC的平抑風電波動的控制策略，該方法在二階低通濾波算法的基礎上添加了變化率限制模塊、基于SOC的功率重分配環節和極限限制模塊，并對一年風電歷史數據進行了MATLAB仿真，驗證了該控制策略的合理性和可行性，同時結合現階段研究得出如下結論：

（1）本文提出的控制策略能夠實現儲能系統的功能性目的，即平抑風電波動，同時提升了混合儲能系統在健康SOC區間的比例，延長該系統的使用年限；

（2）控制策略中的基于SOC的功率重分配環節充分考慮了不同介質的工作特性，優化了混合儲能系統SOC區間分布，提高了該系統響應速度和協同運行效率。

本文采用混合儲能系統進行平抑風電波動，驗證了其有效性，后續的研究會把儲能系統的經濟性考慮進來，根據控制策略探索功能性、經濟性兼優的儲能配置和控制方案。