新能源發電系統中混合儲能系統電路建模及其控制技術

摘" 要：該文主要探究新能源發電系統中混合儲能系統的組成架構，以及蓄電池SOC的估算方法與控制策略?；旌蟽δ芟到y主要由超級電容和蓄電池兩個儲能單元，以及雙向DC/AC變換器組成，可以保證風電和光電的功率穩定輸出，提高新能源并網的安全性。通過建立二階蓄電池模型，提出一種基于卡爾曼濾波的蓄電池SOC估算方法和控制策略，并使用Matlab軟件構建混合儲能系統的仿真模型，對該控制策略進行驗證。結果表明，在蓄電池SOC估算與控制策略下，蓄電池的實際SOC值能始終處于設定的安全閾值內，能夠保證蓄電池的正常運行，延長蓄電池的壽命。

關鍵詞：新能源發電系統;混合儲能系統;蓄電池;SOC控制器;風電;光電

中圖分類號：TM911" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）09-0061-04

Abstract： This paper mainly explores the composition structure of hybrid energy storage system in new energy power generation system， as well as the estimation method and control strategy of battery SOC. The hybrid energy storage system is mainly composed of two energy storage units， super-capacitor and battery， and two-way DC/AC converter， which can ensure the stable power output of wind power and photoelectric power， and improve the safety of new energy grid connection. By establishing a second-order battery model， a battery SOC estimation method and control strategy based on Kalman filter are proposed， and a simulation model of hybrid energy storage system is constructed using Matlab software to verify the control strategy. The results show that under the SOC estimation and control strategy of the battery， the actual SOC value of the battery can always be within the set safety threshold， which ensures the normal operation of the battery and prolonging the life of the battery.

Keywords： new energy generation system; hybrid energy storage system; battery; SOC controller; wind power; photoelectric power

據統計，截至2023年第一季度，我國風電裝機3.8億kW，光伏發電裝機4.4億kW。在新能源發電系統得到廣泛應用的背景下，由于光電和風電的不穩定性，在并網時給電網穩定運行帶來的沖擊影響也更加明顯。儲能系統可以將風機和光伏電池板產生的電力儲存起來，經過調壓、穩壓后保證電壓恒定，然后再并入大電網，從而減少并網沖擊影響。在并網要求日益嚴格和新能源發電總量不斷增加的雙重影響下，傳統儲能裝置已經無法滿足使用需求，混合儲能裝置的應用前景更加廣泛。在這一背景下，本文對蓄電池與超級電容器構成的混合儲能裝置的控制策略和應用效果展開了探究。

1" 混合儲能系統的控制策略

1.1" 新能源發電系統的整體架構

新能源發電系統由風力發電模塊、光伏發電模塊以及混合儲能模塊3大部分構成，其中混合儲能模塊包含了蓄電池儲能單元和超級電容儲能單元，系統整體架構如圖1所示。

圖1中，風力發電模塊的輸出功率用Pwind表示，相應的光伏發電模塊的輸出功率用Ppv表示。混合儲能系統的主要作用是抑制風電和光電輸出功率的波動，從而保證新能源發電系統的并網功率能夠達到國家標準，最終實現順利并網[1]。混合儲能系統平衡風電、光電等發電裝置與負荷之間的功率差額可通過公式表示

Psc+Pbat=PHESS=Pload-Pwind-Ppv 。（1）

實現原理為：混合儲能系統（HESS）的控制器會通過特定的控制策略，改變蓄電池與超級電容的實時功率，并利用前端的DC/AC變換器調節蓄電池與超級電容的充電、放電狀態，進而達到功率平衡的目的。

1.2" 混合儲能系統的控制策略

混合儲能系統控制器的結構組成如圖2所示，ref表示功率參考值，refmod表示參考設定值，利用逆變器向混合儲能系統輸出正弦電壓V0，則V0與V0ref的關系應滿足參考電壓方程式

V0ref=V0sin（2πft+δ） ， （2）

式中：f、t和δ分別表示逆變器輸出電壓的幅值、頻率和相角。

要想獲取需要的差動輸出電壓，選擇變換器左側的電容C1和右側的電容C2作為控制對象，分別疊加一個參考電壓V01ref、V02ref，電壓值可通過下式確定

V01ref=Vdc+V0ref/2 ， （3）

V02ref=Vdc-V0ref/2 。（4）

該系統中包含2個閉環調節控制器，每個環路中又包含了1個內環電流控制和1個外環電壓控制。兩者相互配合，利用電壓控制環輸出可作用于電流控制環的電流參考信號，通過改變電流實現功率調節[2]。

2" 混合儲能系統蓄電池SOC的估算與控制

2.1" 蓄電池電路模型的構建

本文構建了一個二階蓄電池模型用于研究蓄電池SOC（電池剩余容量）的估算與控制，模型如圖3所示。

圖3中，Vbat和ibat分別表示蓄電池的端電壓和端電流，E0表示蓄電池的開路電壓。R0bat、R1bat、R2bat表示電池動態響應參數;C1bat、C2bat表示電池容量參數，兩者的壓降分別為V1bat和V2bat。二階蓄電池的數學模型可表示為

Xk=AXk-1+Bibatk-1 ， （5）

式中：X=[V1batV2bat]2，A和B為矩陣，即

式中：Δt表示采樣時間，Cbat表示蓄電池的最大容量，η為系數。

2.2" 蓄電池模型參數估計

理想情況下，蓄電池的開路電壓（E0）和電池剩余容量（SOC）存在正比例關系，即隨著SOC的增加，E0也表現為單調遞增。但是在蓄電池充電與放電時，電壓曲線隨時間的變化曲線較為復雜，可以用一個七階多項式近似表示充放電的電壓曲線

E0=λ1S7+λ2S6+λ3S5+λ4S4+λ5S3+λ6S2+λ7S1+λ8 。（8）

在此基礎上，利用最小二乘估算法求得蓄電池二階模型的參數，R0bat=0.113 Ω，R1bat=0.074 Ω，R2bat=0.008 Ω，C1bat=1 850 F，C2bat=53.5 F。

2.3" 蓄電池SOC估算

為了進一步提高SOC估算結果的精確度，本文引入了一種自回歸濾波器，即卡爾曼濾波?？柭鼮V波能濾除混合儲能系統輸出功率中的噪聲，提高動態估計系統狀態的便利性，保證SOC估算的實時性和精確性。從適用范圍上來看，基于卡爾曼濾波器的蓄電池SOC估算，既可應用于線性系統，也可應用于非線性系統。在處理非線性函數時，卡爾曼濾波器首先利用Taylor展開式對函數進行一階線性化階段，只保留一階部分，而刪除高階部分，將復雜的非線性問題變成簡單的線性問題[3]。在蓄電池的使用與維護中，提高SOC估算值的準確性，能夠有效解決電池過充導致的電池發熱甚至是爆炸情況，也能預防電池過放導致的壽命衰減問題。本文結合卡爾曼濾波器的特點，提出了用卡爾曼濾波算法估算蓄電池SOC值的方法。假設經過卡爾曼濾波器處理后的蓄電池輸出電壓用Vbatk表示，則蓄電池的狀態空間模型可以用數組（Xk，Yk）表示為

Xk=AXk-1+Bibatk-1 ，" " "（ 9 ）

Yk=Vbatk=E0k-V2batk-ibatkR0bat ，" "（10）

式中：ibat和Vbat分別表示電池電流、電池電壓。

2.4" 蓄電池SOC控制策略

上文介紹了蓄電池SOC值的估算方法，要想延長蓄電池的使用壽命和提高蓄電池的應用效果，需要將SOC值維持在相對安全的范圍內。在混合儲能系統中加入一個SOC控制器，一方面能夠實時采集蓄電池當前的運行數據，以實時數據為基礎估算SOC值;另一方面，又能將估算出來的SOC值與混合儲能系統設定的安全閾值[Smin，Smax]進行對比，如果SOC值超出安全閾值，則執行既定的控制策略，通過調整讓SOC值重新回歸到安全閾值內。假設當前的估算值用S0表示，控制策略如下：

如果蓄電池當前的SOC值小于或等于安全閾值的下限，即存在S0≤Smin，并且此時功率參考信號大于或等于0，則忽略功率參考信號Pref，向SOC控制器發送一個新的有功功率參考信號Prefmod，SOC控制器根據該信號保持蓄電池電流為0，此時蓄電池的控制模式為停止放電。

如果蓄電池當前的SOC值大于或等于安全閾值的上限，即存在S0≥Smax，并且此時功率參考信號小于0，說明蓄電池仍然處于持續充電的狀態。這種情況下SOC控制器會忽略功率參考信號Pref，向SOC控制器發送一個新的有功功率參考信號Prefmod，SOC控制器根據該信號保持蓄電池電流為0，此時蓄電池的控制模式為停止充電。

如果蓄電池當前的SOC值處于安全閾值之內，即存在Sminlt;S0lt;Smax，需要進一步判斷功率參考信號。如果Pref為正或者為0，則蓄電池維持放電狀態;反之，如果Pref為負，則蓄電池維持充電狀態[4]。

蓄電池SOC控制策略見表2。

3" 混合儲能系統蓄電池SOC控制的仿真驗證

3.1" 仿真設計

在確定蓄電池SOC控制策略的基礎上，本文使用Matlab軟件構建了新能源發電系統的仿真模型。在仿真試驗中輸入實際測量得到的風電、光電數據，模擬以階躍變化的功率參考信號，觀察混合儲能系統的電壓值、電流值、SOC值，從而判斷該控制策略的應用效果。風機發電和光伏發電的日運行功率數據如圖4所示。

仿真參數的設定如下：風力發電裝置的輸出功率為60 MW，光伏發電裝置的輸出功率為30 MW，混合儲能系統的功率調節范圍為±4.5 MW。其中，超級電容器組的功率調節范圍為±2.5 MW，額定電壓200 V;蓄電池組的功率調節范圍為±2.0 MW，額定電壓200 V。頻率為50 Hz，電容為5 mF，超級電容側的電感為20 μH，蓄電池側的電感為1 mH。

3.2" 仿真結果

仿真試驗中將蓄電池SOC值的安全閾值設定為[0.65，0.70]，試驗開始后首先判斷蓄電池的SOC值是否達到規定的上限（即0.70）。在沒有達到上限的情況下，混合儲能系統會從電網中吸收一部分電能并向蓄電池充電，此時蓄電池的SOC值開始增加。期間混合儲能系統以特定頻率檢測蓄電池的實時SOC值。在開始充電后的某個時刻，實際SOC值達到規定上限。此時SOC控制器會重新設定功率參考信號，使蓄電池的電流始終為0，避免蓄電池的實際SOC值超過0.70。在蓄電池充滿電后，開始向交流母線放電，隨著放電時間的增加，蓄電池的SOC值也會不斷減小。在混合儲能系統檢測到蓄電池的SOC值接近最小限值（即0.65）時，SOC控制器以同樣的方法重新設定功率參考信號，讓蓄電池的電流保持為0，避免出現過度放電導致SOC值低于限值的情況。該仿真結果證明了本文提出的蓄電池SOC控制策略能夠讓蓄電池的SOC值始終保持在預設的安全閾值內，從而延長了蓄電池的使用壽命[5]。

在本次仿真試驗中，觀察光伏功率曲線發現在0～30 MW范圍之間存在明顯的不規則波動，持續時間在300 min左右。分析其原因，認為是混合儲能系統中的超級電容承擔光伏間歇性所引起的高頻電流波動分量導致的。在發生電流波動后，蓄電池依靠光伏的平均功率分量完成充電。這一試驗現象說明本文提出的蓄電池SOC控制策略能夠增強混合儲能系統的響應能力，對防止蓄電池過充和過放現象有積極幫助。

4" 結論

為了應對新能源發電并網時對電網系統產生的沖擊影響，在發電端需要推廣使用混合儲能裝置，抑制風電和光電的功率波動量。由蓄電池和超級電容器組成的混合儲能系統，能夠充分發揮兩者之間的互補性，一方面利用超級電容器優先抑制高頻的功率波動分量，從而為蓄電池的充電、放電留出足夠的反應時間;另一方面，利用蓄電池SOC控制策略，預防過充、過放問題的發生，提高了混合儲能系統的應用效果和實際壽命。在新能源裝機總量不斷增加的背景下，混合儲能系統的應用前景廣泛。

參考文獻：

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[4] 張宇涵，杜貴平，雷雁雄，等.直流微網混合儲能系統控制策略現狀及展望[J].電力系統保護與控制，2021（4）：61-63.

[5] 程龍，張方華.用于混合儲能系統平抑功率波動的小波變換方法[J].電力自動化設備，2021（3）：100-104.

作者簡介：胡海偉（1982-），男，工程師。研究方向為電氣工程、新能源發電、能源機械。