廣域分布式儲能系統(tǒng)分層控制和SOC均衡控制研究

楊春來,殷 喆,柴秀慧,何 浩,袁曉磊,李劍鋒,張純江

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021;2.燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院,河北 秦皇島 066004)

0 引言

在“雙碳”目標(biāo)下,新能源滲透率不斷提高從而增加了電網(wǎng)壓力[1-2],而分布式儲能系統(tǒng)由于具有削峰填谷、提高能源利用率和改善電能質(zhì)量等優(yōu)勢,可消納新能源發(fā)電帶來的電網(wǎng)壓力[3],被認(rèn)為是一種有效的能源管理,并已逐漸成為現(xiàn)代化電力系統(tǒng)的重要組成部分,而依靠本地系統(tǒng)難以滿足儲能應(yīng)用場景需求[4],因此,以“互聯(lián)網(wǎng)+”為手段[5],對分布式儲能資源實(shí)現(xiàn)智能化管理,將促進(jìn)分布式儲能的靈活調(diào)控和高效利用。

隨著邊緣計算和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,有學(xué)者提出了云邊端協(xié)同架構(gòu)[6-7],其上層為云平臺控制層,中層為邊緣計算終端,該架構(gòu)適用于全國范圍的統(tǒng)一協(xié)調(diào),但對于省級范圍的廣域調(diào)控,投資成本高。解決方法之一是利用節(jié)點(diǎn)控制器代替中層邊緣計算終端[8],構(gòu)成“云平臺+分布式儲能節(jié)點(diǎn)控制器(Distributed energy storage node controller,DESNC)”架構(gòu),在滿足實(shí)時監(jiān)控、全局決策、廣泛參與、安全可靠的電網(wǎng)調(diào)度需求的同時,大大降低投資成本。

上述架構(gòu)通常與分層控制相結(jié)合以滿足運(yùn)行要求,而儲能節(jié)點(diǎn)控制器處于中層,主要是對DESNC下分布式儲能模塊(Distributed energy storage module,DESM)進(jìn)行控制,為了解決由于DESM的荷電狀態(tài)(State of charge,SOC)不同導(dǎo)致的系統(tǒng)穩(wěn)定性降低問題,通常采用SOC均衡控制[9]。對于SOC均衡控制的研究目前多集中于直流微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)的控制,有具有控制簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)的無互聯(lián)通信SOC均衡控制,如兩象限SOC下垂控制[10]和基于SOC自適應(yīng)下垂控制[11]等,也有功率均衡速度快,但成本較高的有互聯(lián)通信控制,如改進(jìn)SOC指數(shù)下垂控制[12]等。而目前交流電網(wǎng)中儲能均衡控制也開展了一定的研究,如文獻(xiàn)[13]提出一種有互聯(lián)通信的分布式下垂控制策略,但存在均衡速度慢的問題。

本文在“云平臺+DESNC”架構(gòu)下,針對底層的分布式儲能模塊,將中層控制與SOC均衡控制相結(jié)合,對傳統(tǒng)均衡控制和基于SOC補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)均衡控制進(jìn)一步改進(jìn),提出一種基于SOC差值反正切函數(shù)的優(yōu)化均衡控制,在滿足上層調(diào)度需求的同時,大大提高了分布式儲能系統(tǒng)電池SOC的均衡速度和可靠性。

1 分布式儲能分層控制結(jié)構(gòu)

為了使儲能參與廣域范圍的電力市場調(diào)控,實(shí)現(xiàn)分布式儲能資源的統(tǒng)一靈活調(diào)控,提高儲能系統(tǒng)利用率,本文采用基于ESCC和DESNC的儲能架構(gòu),如圖1所示,以實(shí)現(xiàn)分布式儲能的分層分區(qū)控制,其中,儲能控制系統(tǒng)分為3層,具體功能如下:

圖1 分布式儲能的分層控制結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of distributed energy storage hierarchical control

1) 上層儲能云端控制層,是通過儲能云平臺實(shí)現(xiàn)控制,是一款用于監(jiān)測和控制DESNC的軟件。該層主要是根據(jù)第三方調(diào)度信息、電價、可再生能源的發(fā)電信息、本地負(fù)荷信息、DESNC信息等,以DESNC為聚合單體,對各個DESNC的實(shí)時功率、SOC和容量等參數(shù)特性進(jìn)行聚合調(diào)控,從而得到中層DESNC的功率調(diào)度信息,以實(shí)現(xiàn)廣域范圍內(nèi)分布式儲能資源的統(tǒng)一調(diào)控。圖1中DESNCi的下標(biāo)表示第i臺。

2) 中層分布式儲能節(jié)點(diǎn)控制層,由DESNC構(gòu)成,不同的DESNC可以處于不同區(qū)域中,主要是根據(jù)上層給定的功率調(diào)控信息及底層分布式儲能模塊(Distributed energy storage module,DESM)輸出功率、容量、SOC等信息,得到DESM的功率參考信息以實(shí)現(xiàn)對該節(jié)點(diǎn)下DESM的協(xié)調(diào)控制。DESMij中的下標(biāo)表示第j臺DESM。

3) 底層分布式儲能設(shè)備控制層,主要是根據(jù)中層給定的功率調(diào)控信息及儲能設(shè)備本身信息,控制DESM的輸出功率Pij,并實(shí)現(xiàn)該儲能模塊的獨(dú)立/并網(wǎng)運(yùn)行,通常DESM采用虛擬同步控制技術(shù)以提高電網(wǎng)調(diào)頻能力。

由于上層聚合控制和底層虛擬同步控制已有較多學(xué)者進(jìn)行研究,且由于篇幅限制,本文不再對其進(jìn)行詳述,本文的研究重點(diǎn)是中層分布式儲能節(jié)點(diǎn)控制層,其起承上啟下的作用,對廣域范圍分布式儲能資源的調(diào)控性有直接的影響。

2 DESNC架構(gòu)及工作原理

DESNC布置于分布式儲能云平臺與儲能模塊之間,是具有通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集上送、接收并執(zhí)行控制指令、局部控制策略實(shí)現(xiàn)等功能的控制裝置。DESNC為核心環(huán)節(jié),起承上啟下作用,以第i臺分布式儲能節(jié)點(diǎn)控制器DESNCi為例,等效結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中,假設(shè)該節(jié)點(diǎn)下的DESM總數(shù)為m,則DESNC主要實(shí)現(xiàn)功能如下:

圖2 分布式儲能節(jié)點(diǎn)控制器的等效結(jié)構(gòu)Fig.2 Equivalent structure of distributed energy storage node controller

1) 數(shù)據(jù)的采集及上傳。DESNC應(yīng)具備RS485、以太網(wǎng)等通訊接口能夠適配市場上大部分儲能系統(tǒng)的通訊協(xié)議,通過該通信將DESM采集的信息Sij上傳至DESNCi,其中,Sij包括儲能模塊額定有功功率Prateij、儲能模塊實(shí)時輸出功率Pij、SOCij等信息。DESNCi根據(jù)Sij信息計算得到上傳信息Si,并通過4G通訊模塊上傳至ESCC以進(jìn)行聚合控制運(yùn)算。

2) 數(shù)據(jù)的下傳及DESM的管控。根據(jù)從ESCC獲取的功率調(diào)度信息i和儲能模塊相關(guān)信息,對下層實(shí)現(xiàn)DESM的管控以提高儲能系統(tǒng)利用率,控制原理為

式中,Kscc_ij為DESMij的功率系數(shù),是本文研究重點(diǎn)。

3 DESNC的SOC均衡控制策略

為了防止DESNC下儲能模塊由于SOC不均衡引起的過充/過充現(xiàn)象,在DESNC中,通常采用SOC均衡控制以實(shí)現(xiàn)DESNC下儲能模塊之間的SOC均衡。由于充電和放電狀態(tài)下儲能調(diào)控原理類似,為了簡化分析過程,以DESMij的放電狀態(tài)為例進(jìn)行分析。

3.1 傳統(tǒng)SOC均衡控制

傳統(tǒng)SOC均衡控制策略下,DESMij系數(shù)為

式中,Cij為DESMij的荷電狀態(tài),Prateij為DESMij的額定容量,m為該節(jié)點(diǎn)下儲能模塊總個數(shù)。

通常SOC均衡速度用該節(jié)點(diǎn)下SOC差值ΔCi趨于零的速度來衡量,而ΔCi表達(dá)式為

式中,ΔCij為DESMij的SOC與DESNCi下所有儲能模塊SOC平均值A(chǔ)SOCi的差值,其表達(dá)式為

該方法按額定功率和SOC進(jìn)行分配,額定功率與SOC乘積大DESM放電功率大,乘積小的模塊放電功率小。為了簡化分析過程,以兩臺容量相等的儲能模塊為例進(jìn)行分析,則Kscc_ij表達(dá)式為

假設(shè)SOC最大閾值Cmax=0.9,SOC最小閾值Cmin=0.1。為了簡化過程,令Ci2為固定值,則不同Ci2下Kscc_ij與Ci1的特性曲線如圖3所示。從圖中可知,當(dāng)Ci1＞Ci2時,Kscc_i1＞Kscc_i2,DESMi1放電功率大于DESMi2,SOC逐漸趨于一致。當(dāng)Ci1＜Ci2時,Kscc_i1＜Kscc_i2,DESMi1放電功率小于DESMi2,SOC逐漸趨于一致。

圖3 不同Ci2下Kscc_ij與Ci1的特性曲線Fig.3 Characteristic curves of Kscc_i1 and Ci1 with different Ci2

傳統(tǒng)SOC均衡控中Kscc_ij的變化范圍為[0.1,0.9],變化幅度較小,導(dǎo)致其均衡速度慢。

3.2 SOC補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)均衡控制

為了提高均衡速度,本文提出一種基于SOC補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)均衡控制,在傳統(tǒng)控制基礎(chǔ)上,增加SOC差值調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)用以修正Kscc_ij,控制原理為

式中,a為調(diào)節(jié)因子,是固定常數(shù)。ΔCimax為DESNCi下SOC最大差值,與該節(jié)點(diǎn)下儲能模塊總個數(shù)m相關(guān),如下式所示

以兩臺容量相等的儲能模塊為例進(jìn)行分析,假設(shè)Cmax=0.9,Cmin=0.1,則Kscc_ij為

特性曲線變化趨勢類似,以Ci2=0.5為例進(jìn)行分析,則不同a下Kscc_ij與ΔCi1的特性曲線如圖4所示。

圖4 Kscc_ij與ΔSOCi1的特性曲線Fig.4 Characteristic curves of Kscc_ij and ΔCi1

當(dāng)Ci1＞Ci2,即ΔCi1＞0時,與傳統(tǒng)均衡控制相比,改進(jìn)控制Kscc_i1增大(Kscc_i2減小),a值越大Kscc_i1增大(Kscc_i2減小)比值越大,同時,Pi1增大而Pi2減小,即SOC值小的輸出功率更少,而SOC值大的輸出功率更多,從而加快了SOC均衡速度,且a值越大均衡速度越快。ΔCi1＜0的調(diào)節(jié)過程同上類似,不再贅述。

與DESMij功率系數(shù)成正比。

將式(8)代入式(9),可得不同a下功率比值與ΔCi1的特性曲線如圖5所示。隨著ΔCi1的增大,Pi1/Pi2比值增大,同時,a值越大Pi1/Pi2比值越大,這將導(dǎo)致DESM輸出功率越限,即其輸出功率超過其允許值(1.2倍的額定容量Prateij),從而燒毀儲能模塊,降低了儲能系統(tǒng)的可靠性。

圖5 Pi1/Pi2與ΔCi1的特性曲線Fig.5 Characteristic curves of Pi1/Pi2 and ΔCi1

與傳統(tǒng)均衡控制相比,基于SOC補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)均衡控制加快了SOC和功率均衡速度,且a值越大均衡速度越快,但同時Pi1/Pi2比值越大可能會燒毀儲能模塊,即該改進(jìn)控制存在均衡速度和運(yùn)行可靠性不可兼容的問題。

3.3 SOC差值反正切函數(shù)均衡控制

為了解決DESM的均衡速度和運(yùn)行可靠性兼容性問題,加大SOC差值因子的作用,本文提出一種基于SOC差值反正切函數(shù)的優(yōu)化均衡控制策略,DESM輸出功率按額定功率Prateij和SOC差值ΔCij進(jìn)行分配,其控制原理為

式中,b和d為調(diào)節(jié)因子,均為固定常數(shù)。

以兩臺容量相等儲能模塊為例,則Kscc_ij為根據(jù)式(9)及式(11),b、d不同取值的情況下,Kscc_ij和Pi1/Pi2與ΔCi1的特性曲線如圖6所示。

圖6 優(yōu)化均衡控制的特性曲線Fig.6 Characteristic curves of optimizing balance control

與改進(jìn)控制(SOC補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)均衡控制)相比,優(yōu)化控制(SOC差值反正切函數(shù)的優(yōu)化均衡控制)在ΔCi1值較大時,Pi1/Pi2趨于恒定,在兩種控制的相交點(diǎn)(如A點(diǎn))的右側(cè),其均衡控制速度小于改進(jìn)控制,但在相交點(diǎn)左側(cè),其均衡控制速度大于改進(jìn)控制,但整體均衡速度得以提升。調(diào)節(jié)因子b和d會對均衡速和Pi1/Pi2產(chǎn)生影響,具體如下:

1)b值越大,SOC均衡速度越快,Pi1/Pi2越大,而為了防止輸出功率越限,b值要求不超過其約束條件。由于反正切函數(shù)的最大值為0.5π,因此,根據(jù)式(11)可知,Kscc_ij的最大值為0.5(1+b),當(dāng)功率調(diào)度信息為兩臺儲能模塊容量之和時,為了有效防止功率越限,要求b≤0.2。

2)d值越大,靠近ΔCi1零點(diǎn)處的均衡速度越快,但d太大會引起功率的快速變化,從而引起功率抖動,因此,需要綜合考慮,本文取d=500。

綜合而言,基于SOC差值反正切函數(shù)的優(yōu)化均衡控制策略,在提高SOC均衡速度的同時,可有效防止輸出功率越限問題,從而提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述SOC均衡控制理論分析的正確性,根據(jù)圖1建立基于MATLAB的系統(tǒng)仿真模型,該控制方法適用于不同儲能類型,本文以鋰電池為主進(jìn)行驗(yàn)證。為了充分驗(yàn)證均衡控制方法的有效性,分別對兩臺相同容量、兩臺不同容量以及十臺不同容量的DESM進(jìn)行仿真驗(yàn)證,在仿真模型初始運(yùn)行階段,由于可再生能源發(fā)電功率小于本地負(fù)荷,儲能系統(tǒng)工作于放電狀態(tài),1 000 s時由于可再生能源發(fā)電功率增大或本地負(fù)荷減小導(dǎo)致儲能系統(tǒng)由放電狀態(tài)切換到充電狀態(tài)。

4.1 兩臺相同容量DESM仿真

為驗(yàn)證理論分析的正確性,以含有兩臺容量相同DESM的儲能節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行系統(tǒng)仿真,仿真參數(shù):Pratei1=Pratei2=10 kW,=20 kW,DESMi1初始SOC為0.9,DESMi2初始SOC為0.7。傳統(tǒng)均衡控制的仿真波形如圖7所示。運(yùn)行狀態(tài)由放電狀態(tài)切換到充電狀態(tài)時,SOC均衡控制自動切換,無沖擊,證明該方法對充電狀態(tài)的控制有效。從仿真波形中可以看出,該方法雖然可以實(shí)現(xiàn)SOC均衡,但均衡速度較慢,可能出現(xiàn)部分DESM超過SOC允許值而退出工作的現(xiàn)象,導(dǎo)致儲能節(jié)點(diǎn)實(shí)際輸出功率小于調(diào)度功率,不能滿足上層調(diào)度需求。

基于SOC補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)均衡控制仿真波形如圖8所示,其中,調(diào)節(jié)因子a分別采用0.5和1。與傳統(tǒng)控制(圖7)相比,改進(jìn)控制加快了均衡速度。與采用a=0.5的系統(tǒng)相比,采用a=1的儲能系統(tǒng)進(jìn)一步加快了均衡速度,但同時儲能模塊輸出功率比例增大從而導(dǎo)致Pi1越過12 kW,在實(shí)際運(yùn)行中會燒毀儲能模塊,從而降低系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

圖8 改進(jìn)均衡控制下仿真波形Fig.8 Simulation waveform under improved balance control

在b=0.2,d=500時,基于SOC差值反正切函數(shù)的優(yōu)化均衡控制仿真波形如圖9所示。與a=1的改進(jìn)均衡控制相比,優(yōu)化均衡控制進(jìn)一步提高了均衡速度,同時DESM的輸出功率在整個調(diào)節(jié)過程始終不超過允許值12 kW,可見此控制方法有效避免了儲能過充/過放問題,同時并提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖9 優(yōu)化均衡控制下仿真波形Fig.9 Simulation waveform under optimized balance control

4.2 兩臺不同容量DESM仿真

為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論的有效性,以含有兩臺容量不同DESM的儲能節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行系統(tǒng)仿真,仿真參數(shù)為Pratei1=20 kW,Pratei2=10 kW,=30 kW,DESMi1初始SOC為0.9,DESMi2初始SOC為0.7,仿真波形如圖10所示。DESM輸出功率按額定功率Prateij和SOC差值ΔCij進(jìn)行分配,則Kscc_ij表達(dá)式為

從式(12)和圖10可知,DESMi1輸出功率約為功率調(diào)度的2/3且不超過其允許值24 kW,DESMi2輸出功率約為功率調(diào)度P*i的1/3且不超過其允許值12 kW,即在整個調(diào)節(jié)過程中兩臺DESM輸出功率在允許范圍內(nèi),且具有較快的均衡速度,證明該優(yōu)化均衡控制方法同樣適用于不同容量的分布式儲能模式。

4.3 多臺不同容量DESM仿真

為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論的有效性圖11給出了含有十臺不同容量DESM的儲能系統(tǒng)仿真結(jié)果,仿真參數(shù):從DESMi1到DESMi10的初始SOC依次為0.9、0.88、0.86、0.84、0.82、0.8、0.78、0.76、0.74、0.72,從DESMi1到DESMi10的額定功率依次為10 kW、20 kW、20 kW、30 kW、30 kW、30 kW、20 kW、20 kW、10 kW、10 kW,=200 kW。DESMi1、DESMi9和DESMi10輸出功率不超過12 kW,DESMi2、DESMi3、DESMi7和DESMi8輸出功率不超過24 kW,DESMi4、DESMi5和DESMi6輸出功率不超過36 kW,且由于有10 kW、20 kW、30 kW三個功率等級,因此,SOC快速達(dá)到均衡之后對應(yīng)有3個功率穩(wěn)定點(diǎn)。該仿真結(jié)果證明優(yōu)化均衡控制方法不僅適用于2臺,對于不同容量的多臺DESM同樣適用。

5 結(jié)論

本文主要研究中間層即儲能節(jié)點(diǎn)控制層對底層多臺儲能設(shè)備電池的SOC均衡控制,首先研究了基于SOC補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)型均衡控制方法,與傳統(tǒng)均衡SOC均衡控制控制相比較,該方法具有提高SOC均衡速度的優(yōu)點(diǎn),且a值越大均衡速度越快,Pi1/Pi2比值越大,但此方法存在DESM輸出功率越限問題。因此,本文又提出一種基于SOC差值反正切函數(shù)的儲能電池荷電狀態(tài)優(yōu)化均衡控制策略,可顯著提高SOC均衡速度。在相同條件下傳統(tǒng)均衡方法在2 000 s時完成SOC均衡,而提出的反正切函數(shù)均衡方法在800 s時完成了SOC均衡,顯著加快了SOC的均衡速度,并且該策略能夠防止儲能電池過度充/放電,因此,所提出的SOC均衡策略有利于在新能源高滲透率情況下海量儲能裝置接入電網(wǎng)。