分布式新能源發(fā)電中儲能系統(tǒng)能量管理

1、第31卷第1期2012年1月電工電能新技術Advanced Technology of Electrical Engineering and EnergyVol31,No1Jan2012收稿日期:2011-02-21作者簡介:董博(1983-,黑龍江籍,博士研究生,研究方向為分布式發(fā)電與儲能系統(tǒng);李永東(1962-,河北籍,教授/博導,研究方向為電力電子與電力傳動。分布式新能源發(fā)電中儲能系統(tǒng)能量管理董博,李永東,鄭治雪(清華大學電機工程與應用電子技術系,北京100084摘要:本文對蓄電池和超級電容組成儲能系統(tǒng)的能量管理進行研究,根據(jù)兩種儲能裝置的特點和剩余容量以及分布式發(fā)電系統(tǒng)的狀態(tài),將儲能系

2、統(tǒng)的工作模式分類,并對每種工作模式采用不同的控制策略,發(fā)揮蓄電池和超級電容自身的優(yōu)點,保證系統(tǒng)內(nèi)部的功率平衡,減小風能、太陽能等新能源發(fā)電系統(tǒng)功率波動對外部電網(wǎng)的沖擊,并實現(xiàn)孤島運行。最后通過分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)仿真和實驗平臺對控制策略進行了驗證。關鍵詞:蓄電池;超級電容;分布式新能源發(fā)電;能量管理中圖分類號:TM912文獻標識碼:A文章編號:1003-3076(201201-0022-041引言隨著風能、太陽能等新能源發(fā)展越來越迅速,在分布式發(fā)電系統(tǒng)中,由于系統(tǒng)需要具有運行在孤島條件下的能力,并給本地負載提供持續(xù)可靠的電能,同時,為了減小新能源輸出功率的波動對外部電網(wǎng)的影響,儲能系統(tǒng)是必不可

3、少的。一種高能量存儲密度、響應時間短、成本低、壽命長、易維護的儲能裝置是我們期望的,但是目前任何一種儲能設備均不能滿足上述所有要求。蓄電池具有存儲容量大,成本低,維護簡單等優(yōu)點,目前已經(jīng)廣泛應用于電動車、微電網(wǎng)等領域1,但是其響應速度慢,充放電次數(shù)少等缺點在與風能、太陽能等新能源發(fā)電系統(tǒng)配合時顯得尤為明顯。而超級電容具有能夠快速響應、反復充放電次數(shù)多等特點,因此將二者結合成為一個儲能系統(tǒng),通過電力電子變流器和能量管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制,使得兩個儲能裝置能夠發(fā)揮各自的優(yōu)點,在分布式新能源發(fā)電中將得到廣泛應用2,3。在如圖1所示的交直流母線混合型分布式發(fā)電系統(tǒng)中,采用風能(2KW 和太陽能(1KW 發(fā)

4、電,通常情況下,二者均運行在最大功率點跟蹤狀態(tài),由于風能和太陽能輸出功率會隨天氣等因素發(fā)生劇烈變化,因此需要超級電容(72V ,70F 作為快速儲能裝置;為了保持系統(tǒng)長時間能夠穩(wěn)定運行在孤島狀態(tài),采用蓄電池(6節(jié)12V ,65AH 串聯(lián)作為長期儲能裝置。但是,對于兩種不同的儲能單元,需要根據(jù)自身的特性和剩余容量狀態(tài)以及外電網(wǎng)的情況采取不同控制策略。2儲能系統(tǒng)工作模式超級電容和蓄電池的剩余容量(SOC 是決定系統(tǒng)能量管理的主要參考數(shù)據(jù)。超級電容的SOC 與端電壓的平方成正比,因此通過測量超級電容端電壓就可以獲得其剩余容量。但是蓄電池工作時端電壓與剩余容量沒有確定的函數(shù)關系,因此需要間接測量,本系

5、統(tǒng)采用卡爾曼濾波和系統(tǒng)參數(shù)集成的方法在線計算蓄電池SOC ,在文章4中有所論述。根據(jù)超級電容和蓄電池的特性,設定超級電容SOC 在20% 90%間是正常狀態(tài),低于20%為低容量狀態(tài),高于90%為高容量狀態(tài);蓄電池SOC 在30% 90%間是正常狀態(tài),低于30%為低容量狀態(tài),高于90%為高容量狀態(tài)。因此,在實際應用中可能出現(xiàn)如表1所示的九種模式,我們對每一個模式采取一種控制策略,在系統(tǒng)運行時通過對超級電容和蓄電池SOC 的檢測和外電網(wǎng)的情況來確定儲能的控制策略。為了描述方便,將這九種模式分為四類:均正常(模式M NN 、超級電容異常(模式M LN 、M HN 、蓄電池異常(模式M NL 、M N

6、H 、均異常(模式M LH 、M HL 、M LL 、M HH 5。本文將對儲能系統(tǒng)在不同模式下并網(wǎng)和孤島的控制策略進行介紹。第1期董博,等:分布式新能源發(fā)電中儲能系統(tǒng)能量管理 23Tab1Modes based on SOC of storage systemSOCbatt SOCsc低30%正常30% 90%高90%低20%MLLMLNMLH正常20%90%MNLMNNMNH高90%MHLMHNMHH3不同工作模式的控制策略為了保證系統(tǒng)內(nèi)的功率平衡,減少功率波動對外部電網(wǎng)的影響,儲能系統(tǒng)用于吸收或釋放新能源輸出與負載消耗的功率差,在忽略變流器損耗等情況下,可以得到等式(1:Pstorage

7、 =Pbatt+Psc=Pwind +PsolarPload(1其中Pstorage 為儲能系統(tǒng)吸收的總功率,Pbatt為蓄電池吸收的功率,Psc 為超級電容吸收的功率,Pwind為風機發(fā)出的功率,Psolar為太陽能電池板發(fā)出的功率,Pload為負載吸收的功率。通過檢測風機和太陽能輸出的功率和負載吸收的功率可以得到儲能系統(tǒng)應該吸收或釋放的總功率Pstorage,因此需要根據(jù)蓄電池和超級電容的特點和剩余容量狀態(tài)分配Pbatt 和Psc。 通過檢測蓄電池和超級電容的端電壓,可以分別得到充放電電流的參考值Ibatt-ref =Pbatt/Vbatt和Iscref=Psc/Vsc。根據(jù)電流參考值,對

8、圖1中儲能系統(tǒng)雙向DC-DC變流器采用恒流控制,使儲能系統(tǒng)按照要求輸出相應的功率,超級電容控制框圖如圖2所示,蓄電池電流控制與超級電容一致。圖2雙向DC-DC恒流控制框圖Fig2Control strategy of Bi-DC-DC converter3.1儲能系統(tǒng)正常模式(MNN這是最常見的工作模式,超級電容和蓄電池的剩余容量均處于正常的區(qū)間。由于風能、太陽能具有間歇性特點,而且分布式發(fā)電系統(tǒng)中本地負載的增加或減少也是很突然的,因此會產(chǎn)生瞬時的功率變化,即高頻功率波動,而由于蓄電池充放電時間常數(shù)較大,不能夠快速響應高頻功率波動,因此需要超級電容吸收或釋放這部分功率;而超級電容由于存儲能量有

9、限,因此需要蓄電池提供長時間可靠、持續(xù)的供電。根據(jù)超級電容和蓄電池各自的特點,采用如圖3所示的控制策略6。在并網(wǎng)或者孤島運行時,均可以采用圖3所示的控制框圖將儲能系統(tǒng)需要的總功率按照蓄電池和超級電容的特點分配,并分別得到充放電電流的參考值,再根據(jù)圖2所示的控制策略產(chǎn)生相應的功率。同時,通過調(diào)節(jié)增益K,可以改變超級電容和蓄電池的功率分配,數(shù)值由超級電容和蓄電池的額定容量24電工電能新技術第31卷和剩余容量確定,例如蓄電池的額定容量和剩余容量均較高時,可以增大K,使得蓄電池承擔的功率較多。在并網(wǎng)-孤島的過渡過程中,通過超級電容快速充放電的特點保證過渡過程功率平衡也非常重要,因此這種控制方法也適用于

10、過渡過程 。圖3儲能系統(tǒng)功率分配控制框圖Fig3Block diagram of power in storage system3.2超級電容異常模式(MLN 、MHN這種模式下,蓄電池剩余容量處于正常區(qū)間,而超級電容剩余容量過高或過低,會導致整個儲能系統(tǒng)吸收或釋放高頻功率的能力下降,嚴重時甚至會使系統(tǒng)喪失對突然天氣變化或負載突變的響應能力。因此希望這種異常模式能夠快速過渡到正常模式,保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。并網(wǎng)運行時,可以認為外部電網(wǎng)對分布式發(fā)電系統(tǒng)來說是無窮大電網(wǎng),因此超級電容可以從外部電網(wǎng)吸收能量或?qū)⑦^多的能量傳遞給電網(wǎng),直到超級電容剩余容量達到正常狀態(tài),然后控制策略切換到正常模式。雖然這種控制

11、方法會對電網(wǎng)造成沖擊,但由于超級電容存儲能量較小,對電網(wǎng)的沖擊非常有限,為了保證分布式發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定,這種做法是值得的。孤島運行時,由于沒有外部電網(wǎng)的支持,必須實時保證分布式發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)的功率平衡,因此超級電容快速響應的能力更是不可缺少的,否則會造成系統(tǒng)失穩(wěn)。而由于風能、太陽能等新能源輸出功率的不確定性,因此在蓄電池和超級電容之間的能量傳遞就尤為重要,完成這個任務的主要渠道是直流母線。例如,超級電容剩余容量過低時,控制蓄電池輸出能量增多,多輸出的部分能量由超級電容通過直流母線吸收,直到超級電容剩余容量回歸到正常區(qū)間。3.3蓄電池異常模式(MNL 、MNH在蓄電池異常模式下,超級電容剩余容量處于正

12、常區(qū)間,而蓄電池剩余容量過高或過低,會導致整個微電網(wǎng)系統(tǒng)長時間穩(wěn)定工作的能力下降,嚴重威脅到系統(tǒng)的可靠性,因此需要盡快恢復到正常模式。并網(wǎng)運行時,與超級電容異常模式類似,通過與外部電網(wǎng)交換能量的方式使蓄電池剩余容量恢復到正常區(qū)間。同樣,也會對電網(wǎng)運行產(chǎn)生一定的沖擊,但與新能源發(fā)電系統(tǒng)直接并網(wǎng)相比影響會小很多。孤島運行時,需要超級電容通過直流母線給蓄電池傳遞能量,不過由于超級電容存儲能量有限,很難使蓄電池達到正常模式,但系統(tǒng)又沒有多余的能量傳遞給蓄電池,除非切除一定的負載,這是不希望看到的,因此僅能通過超級電容傳遞能量給蓄電池的方式維持,等待外電網(wǎng)恢復后并網(wǎng)再將蓄電池充電至正常剩余容量狀態(tài)。3.

13、4超級電容、蓄電池均異常模式(MLH,MHL,MHH,MLL首先考慮前兩種情況MLH和MHL模式,無論在并網(wǎng)還是孤島運行時,均可以通過直流母線互相均衡,進入到前面所述的某個模式下,再按照相應的模式進行控制。如果出現(xiàn)蓄電池和超級電容的剩余容量均過高的情況(MHH模式,在并網(wǎng)運行時,儲能系統(tǒng)將多余的能量傳遞給電網(wǎng);孤島運行時,需要風機和太陽能的控制器放棄最大功率點跟蹤,控制其輸出功率低于負載吸收的功率,差值由儲能系統(tǒng)輸出,直到儲能系統(tǒng)達到正常模式,風機和太陽能重新開始工作在MPPT模式下。若蓄電池和超級電容的剩余容量均過低(MLL 模式,并網(wǎng)運行時,儲能系統(tǒng)通過電網(wǎng)吸收能量,使儲能系統(tǒng)恢復到正常模

14、式;孤島運行時,如果風能和太陽能在MPPT工作時仍不能滿足負載的需求,只能通過切除不重要負載來保證敏感負荷的正常運行,維持分布式發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定,等待新能源輸出更大的能量或外部電網(wǎng)恢復后重新并網(wǎng),這也是最糟糕的一種情況。4仿真和實驗結果采用圖1所示的分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)結構,蓄電池(6節(jié)12V,65AH鉛酸蓄電池單體串聯(lián)和超級電容(72V,70F通過雙向DCDC變流器與直流母線相連。若二者的剩余容量均處于正常狀態(tài),通過圖3所示的控制策略,高頻功率由超級電容釋放或吸收,低頻功率由蓄電池釋放或吸收。圖4所示的仿真結果和圖5所示的實驗結果為儲能功率輸出之和Pstorage由于負載變化,在1s時由800

15、W上升至第1期董博,等:分布式新能源發(fā)電中儲能系統(tǒng)能量管理251800W ,在3.2s 時下降至800W 過程中,超級電容和蓄電池放電電流的變化曲線,其中取K =0.9。 圖4正常模式下儲能裝置充放電電流仿真波形Fig4Currents of storage with simulation in MNN 圖5正常模式下儲能裝置充放電電流實驗波形Fig5Currents of storage with experiment in M NN圖6超級電容異常模式下儲能裝置充放電電流Fig6Currents of storage in M LN在超級電容異常模式下,如果剩余容量過低,需要超級電容在有高

16、頻功率變化時繼續(xù)為系統(tǒng)提供支持,在空閑時由蓄電池通過直流母線傳遞能量至超級電容,使其剩余容量恢復至正常區(qū)間。圖6和圖7所示超級電容初始SOC 為17%,處于剩余容量過低狀態(tài),此時蓄電池在提供系統(tǒng)所需功率的同時還將多釋放部分能量并將這部分能量通過直流母線傳遞給超級電容,在t =5s 時,系統(tǒng)產(chǎn)生功率波動,控制策略切換到如圖3所示情況,在波動結束后,蓄電池繼續(xù)給超級電容充電直至正常狀態(tài)。圖7超級電容異常模式下儲能裝置剩余容量Fig7SOC of storage in M LN蓄電池異常模式下仿真結果類似超級電容異常模式。儲能系統(tǒng)均異常模式中M LH 、M HL 的亦類似于超級電容異常模式,都是過高

17、的給過低的充電。而M HH 、M LL 模式需要采用放棄MPPT 和切除負載的方式控制。5結論本文將分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)中,由蓄電池和超級電容組成的混合儲能系統(tǒng)按照剩余容量分成若干工作模式,根據(jù)超級電容響應速度快,蓄電池存儲容量多等特點,對每種工作模式提出了不同的控制策略,根據(jù)這些控制策略可以實現(xiàn)分布式發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部的功率平衡,減小對外部電網(wǎng)的沖擊,實現(xiàn)孤島運行,并對儲能系統(tǒng)雙向DC-DC 變流器控制方法進行介紹,通過變流器的控制,實現(xiàn)混合儲能系統(tǒng)的能量管理。最后通過仿真和實驗驗證了控制策略的有效性。參考文獻(References :1魯宗相,王彩霞(Lu Zongxiang ,Wang Cai

18、xia 微電網(wǎng)研究綜述(Overview on microgrid research J 電力系統(tǒng)自動化(Automation of ElecPower Systems ,2007,31(19:100-1072Jiang Zhenhua ,Yu XunweiHybrid DC-and AC-Linkedmicrogrids :towards integration of distributed energy(下轉(zhuǎn)第96頁,conton p9696電工電能新技術第31卷Application of expert system and visualization in grid maintenan

19、ce schedulingZHANG Xiao-min1,WANG Wei-zhou2,LIANG Feng2,LIU Wen-ying2,ZHOU Hai-yang2(1.Gansu Electric Power Corporation,Lanzhou730050,China;2.North China Electric Power University,Beijing102206,ChinaAbstract:Expert system and visualization technology are both used in grid maintenance schedulingThe n

20、ormative maintenance data,from grid maintenance database,is inherited from the grid structural knowledge of EMS systemAt the same time the knowledge-base can be constructed on the basis of constraint requirement which is closely re-lated to maintenance,forming maintenance scheduling arrangement expe

21、rt systemIn addition,according to the ac-tive rule model,the maintenance data can be analyzed and adjusted,with“changing color”or“flashing”ways for alarmFinally,a scientific and practical grid maintenance scheduling is compiled automaticallyThe proposed method is proved to be valid and practical by

22、the monthly maintenance scheduling of Lanzhou power gridKey words:maintenance scheduling;production rule;constraint condition;櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆active rule model(上接第25頁,contfrom p25resourcesAEnergy2030Conference IEEEC2008.1-83H Nikkhajoei,R H LasseterDistributed genera

23、tion inter-face to the CERTS microgridJIEEE Transon PowerDelivery,2009,24(3:1598-16084L Juang,P KollmeyerSystem identification-based lead-acid battery online monitoring systemAEnergy Con-version Congress and Exposition(ECCEC2010.3903-39105Z Tao,L Peng,B FrancoisPower management strategiesof a DC-cou

24、pled hybrid power system in a microgrid fordecentralized generationA13th European Conferenceon EPE'09C2009.1-106Haihua Zhou,Bhattacharya,TranComposite energystorage system with flexible energy management capabilityfor micro-grid applicationsAEnergy Conversion Con-gress and Exposition(ECCEC2010.2

25、558-2563.Energy management of hybrid storage in distributed generation systemDONG Bo,LI Yong-dong,ZHENG Zhi-xue(Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,ChinaAbstract:This paper focuses on energy management of hybrid storage system which consists of batteries and super-capacitor in a distribu