變?yōu)V波時(shí)間常數(shù)儲能控制方法

變?yōu)V波時(shí)間常數(shù)儲能控制方法

0鋰離子儲能控制研究可能源發(fā)電技術(shù)（如發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電）以其簡單的污染、可再生和廣泛的優(yōu)勢而聞名。然而,可再生能源發(fā)電具有波動性大、隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn)。因此,就地配置一定容量的儲能系統(tǒng),可以有效抑制可再生能源發(fā)電輸出功率的波動,提高電網(wǎng)接納可再生能源發(fā)電的能力。按照存儲形式的不同,儲能可分為物理儲能(包括飛輪儲能、壓縮空氣儲能和抽水蓄能)、電化學(xué)儲能(包括鉛酸、鎳鎘、鎳氫、鋰離子、鈉硫和液流等電池儲能)和電磁儲能(包括超導(dǎo)儲能和超級電容儲能)。其中經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、工程應(yīng)用技術(shù)最成熟的是電池儲能。鉛酸蓄電池價(jià)格便宜且技術(shù)成熟,但其制造和回收過程中會造成一定的環(huán)境污染。鋰離子儲能以其體積小、能量密度高、綜合效率高、無記憶、無污染、自放電小、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn),逐漸受到業(yè)界的關(guān)注和重視。目前,工程界和學(xué)術(shù)界已經(jīng)提出了多種利用儲能系統(tǒng)抑制可再生能源發(fā)電功率波動的儲能控制方法。文獻(xiàn)提出的基于風(fēng)電預(yù)測的定功率控制方法,在考慮電池荷電狀態(tài)、充放電功率限制、使用壽命等約束條件的基礎(chǔ)上,將每小時(shí)風(fēng)電輸出功率控制為定值,有效地抑制了風(fēng)電的波動;但該方法要求儲能裝置及其控制系統(tǒng)具有較高的充放電響應(yīng)速率,以補(bǔ)償風(fēng)電波動的高頻分量,而且頻繁的充放電將縮短電池的使用壽命。文獻(xiàn)比較了在多個(gè)分布式電源的情況下,儲能裝置分別以分散和集中2種接入方式接入電網(wǎng)時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)果表明:相對于分散接入方式,集中接入方式所需的儲能系統(tǒng)容量小、可靠性高,且便于集中管理。文獻(xiàn)建立了電池儲能系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整體動態(tài)數(shù)學(xué)模型,采用風(fēng)電場低壓側(cè)母線有功功率和電壓作為控制信號,仿真結(jié)果表明:電池儲能系統(tǒng)可以很好地改善風(fēng)電場的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性;但此方法將風(fēng)電場輸出功率控制為單一定值,所需的儲能系統(tǒng)容量較大、成本過高。文獻(xiàn)利用超導(dǎo)儲能系統(tǒng)對風(fēng)電場輸出功率中某一特定頻段的波動成分進(jìn)行吸收,并通過控制使風(fēng)電場母線電壓穩(wěn)定,仿真結(jié)果表明:此方法不僅有效地平滑了注入電網(wǎng)的有功功率,同時(shí)起到了抑制電網(wǎng)電壓波動的作用,但超導(dǎo)儲能的容量通常較低、成本太高。文獻(xiàn)提出了基于低通濾波原理的風(fēng)電功率波動平抑控制策略,利用儲能系統(tǒng)補(bǔ)償風(fēng)電功率中的高頻分量,構(gòu)建了評價(jià)風(fēng)電功率波動平抑效能的指標(biāo);但此方法未考慮電池荷電狀態(tài),易造成電池的過充/放電。文獻(xiàn)介紹了電池荷電狀態(tài)反饋濾波控制方法,有效避免了電池的深充/放電;但利用荷電狀態(tài)反饋控制,直接對由濾波控制計(jì)算出的儲能系統(tǒng)輸出功率值進(jìn)行修改,其整體的濾波效果較差。本文針對鋰離子儲能系統(tǒng),在基于低通濾波原理的儲能控制方法基礎(chǔ)上,提出了基于實(shí)測電池荷電狀態(tài)的可變?yōu)V波時(shí)間常數(shù)儲能用逆變器控制方法,并以光儲系統(tǒng)為例,在PSCAD中搭建仿真模型,驗(yàn)證了所述方法的有效性。1光伏發(fā)電功率模型基于低通濾波原理的儲能控制方法是指通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)儲能系統(tǒng)的輸出功率,對可再生能源輸出功率中某一特定頻段的波動成分進(jìn)行補(bǔ)償,以達(dá)到平滑可再生能源輸出功率的目的。光伏發(fā)電與儲能組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中:Ppv為光伏發(fā)電輸出功率;Pbat為電池輸出功率;Pbat_ref為電池輸出功率的參考值;Pline為聯(lián)絡(luò)線功率,若為正,則表示向電網(wǎng)放電,若為負(fù),則表示從電網(wǎng)取電。光伏陣列與電池組通過各自的逆變器接到交流母線上。光伏并網(wǎng)逆變器采用最大功率跟蹤控制,Ppv受光照強(qiáng)度等自然因素的影響。電池雙向逆變器采用恒功率控制,Pbat隨著Pbat_ref的變化而變化。監(jiān)控系統(tǒng)采集光伏發(fā)電功率信號,計(jì)算得到Pbat_ref,再將控制指令下達(dá)到儲能逆變器中。由能量守恒定律,可得上述系統(tǒng)各進(jìn)線功率之間的關(guān)系為:波動的Ppv通過低通濾波器后,得到光伏發(fā)電功率參考值Ppv_ref;Ppv_ref-Ppv=Pbat_ref。若Pbat_ref>0,則表示電池放電;若Pbat_ref<0,則表示電池充電。低通環(huán)節(jié)采用一階巴特沃茲低通濾波器,其傳遞函數(shù)H(s)為:式中:s為微分算子;T為濾波時(shí)間常數(shù)。式(2)的波特圖如圖2所示。由圖2可以看出:一階巴特沃茲低通濾波器的幅頻函數(shù)是一個(gè)單調(diào)遞減的函數(shù),當(dāng)ω=0時(shí),幅值取到最大值1;當(dāng)ω=ωc(ωc為截止頻率)時(shí),幅值為0.707。濾波控制方法中各個(gè)變量的關(guān)系如下:電池儲能系統(tǒng)輸出功率傳遞函數(shù)的波特圖如圖3所示。由圖3可以看出:對于濾波時(shí)間常數(shù)為T1的曲線,儲能系統(tǒng)輸出功率的傳遞函數(shù)對大于ω1的波動分量輸出的功率幅值為1,即理論上儲能系統(tǒng)可以補(bǔ)償大于ω1的所有波動分量。T1>T2>T3,ω1<ω2<ω3,即時(shí)間常數(shù)越大,其對應(yīng)的ω越小,儲能系統(tǒng)所能補(bǔ)償?shù)念l率范圍就越大,儲能系統(tǒng)的輸出功率值也越大。將式(3)和式(4)中的s用d/dt來表示,差分后得到:式中:Td為計(jì)算周期。實(shí)際系統(tǒng)中Td是確定的,因此,由式(6)可知,下一時(shí)刻的電池輸出功率的參考信號Pbat_ref(t+1)只與Ppv(t)和T有關(guān)。2荷電狀態(tài)分類電池的荷電狀態(tài)是指電池當(dāng)前的剩余電量。實(shí)際工程中,由于單體鋰電池存儲容量和工作電壓較低,大容量鋰離子儲能系統(tǒng)均由多個(gè)電池組串并聯(lián)組成。電池管理系統(tǒng)(BMS)對各個(gè)電池組的荷電狀態(tài)值進(jìn)行估算,通過比較得到整個(gè)儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)值。通常情況下,充電時(shí),取各個(gè)電池組中的荷電狀態(tài)最大值作為整個(gè)儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)值;放電時(shí),取各個(gè)電池組中的荷電狀態(tài)最小值作為整個(gè)儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)值。采用這種方法可以有效防止單個(gè)電池出現(xiàn)過充/放電的現(xiàn)象?；趯?shí)測電池荷電狀態(tài)的可變?yōu)V波時(shí)間常數(shù)控制方法是指儲能系統(tǒng)在對可再生能源輸出功率中某一頻段的波動成分進(jìn)行抑制的同時(shí),根據(jù)電池荷電狀態(tài)的大小對濾波時(shí)間常數(shù)進(jìn)行修正,以使電池的荷電狀態(tài)始終穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi),從而避免電池的過充/放電。電池儲能采用基本濾波控制方法時(shí),未考慮電池的荷電狀態(tài),這樣一方面會影響電池的使用壽命,另一方面會導(dǎo)致注入電網(wǎng)的功率出現(xiàn)劇烈波動,影響電網(wǎng)穩(wěn)定性。因此,本文在基本濾波控制方法的基礎(chǔ)上,加入荷電狀態(tài)反饋控制。當(dāng)電池荷電狀態(tài)在限定范圍內(nèi)時(shí),儲能系統(tǒng)采用預(yù)先設(shè)定的濾波時(shí)間常數(shù)值進(jìn)行控制;當(dāng)電池荷電狀態(tài)超過限定值時(shí),通過改變?yōu)V波時(shí)間常數(shù)的大小,逐漸改變電池輸出功率,從而使荷電狀態(tài)穩(wěn)定在限定范圍內(nèi),有效避免了電池的過充/放電。基于上述分析,將電池的荷電狀態(tài)進(jìn)行分類,如圖4所示。圖4中,SSOChigh和SSOClow分別為電池正常工作(濾波時(shí)間常數(shù)不變)時(shí)的荷電狀態(tài)上、下限。當(dāng)電池荷電狀態(tài)SSOC超過這2個(gè)限值時(shí),濾波時(shí)間常數(shù)開始變化。當(dāng)SSOC≥SSOCmax時(shí),儲能逆變器限制充電,只允許放電;當(dāng)SSOC≤SSOCmin時(shí),儲能逆變器限制放電,只允許充電?？勺儠r(shí)間常數(shù)控制在基本濾波控制的基礎(chǔ)上,加入荷電狀態(tài)反饋環(huán)節(jié),對時(shí)間常數(shù)進(jìn)行修正,其控制框圖如圖5所示。濾波時(shí)間常數(shù)的調(diào)整方法如圖6所示。圖6中:T(t)和T(t+1)分別為當(dāng)前時(shí)刻和下一時(shí)刻的濾波時(shí)間常數(shù);Tmax和Tmin分別為濾波時(shí)間常數(shù)的上、下限;C為濾波時(shí)間常數(shù)的變化率;濾波時(shí)間常數(shù)的修正量ΔT=CTd。儲能系統(tǒng)整體的控制步驟如下。2)若SSOC>SSOCmax,則儲能逆變器限制充電,只允許放電,轉(zhuǎn)到步驟4。3)若SSOC<SSOCmin,則儲能逆變器限制放電,只允許充電。4)若SSOClow<SSOC<SSOChigh,則電池以初始濾波時(shí)間常數(shù)進(jìn)行定時(shí)間常數(shù)控制。若SSOC>SSOChigh,則判斷Pbat是否大于0,若Pbat>0,則T=T+ΔT;若Pbat<0,則T=T-ΔT。若SSOC<SSOClow,則判斷Pbat是否大于0,若Pbat>0,則T=T-ΔT;若Pbat<0,則T=T+ΔT。5)由式(5)計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻光伏發(fā)電功率經(jīng)過濾波后的參考值Ppv_ref(t)。6)由式(6)計(jì)算出下一時(shí)刻電池發(fā)電功率的參考值Pbat_ref(t+1),并將控制指令下達(dá)到儲能逆變器,返回步驟1。3濾波時(shí)間常數(shù)濾波時(shí)間常數(shù)的大小與整體的控制效果、儲能系統(tǒng)容量、可再生能源輸出功率波動頻率、蓄電池響應(yīng)速度和監(jiān)控系統(tǒng)通信延遲等因素有關(guān)。風(fēng)電輸出功率波動劇烈,高頻的功率波動所占比例較高,因此濾波時(shí)間常數(shù)通常要取較小值;光伏輸出功率波動緩慢,中、低頻功率波動所占的比例較高,因此濾波時(shí)間常數(shù)通常取較大值。南方某地的日光伏輸出功率實(shí)測數(shù)據(jù)曲線如圖7所示。通過快速傅里葉變換,對圖7中的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析和局部放大后,得到的曲線如圖8所示。由圖8可以看出,由于光伏輸出功率波動較緩慢,其波動成分的頻率主要集中在0.05Hz以下;高頻波動的幅值很小,可以忽略不計(jì)。由此,可設(shè)計(jì)濾波時(shí)間常數(shù),使電池儲能系統(tǒng)主要用于補(bǔ)償從給定頻率f至0.05Hz之間的波動成分,從整體上平滑光伏輸出功率曲線。而且濾波時(shí)間常數(shù)越大,給定頻率f越小,電池儲能補(bǔ)償?shù)念l率范圍就越大,整體的平滑效果越好。4電池荷電狀態(tài)的優(yōu)化在PSCAD中搭建仿真模型,利用30s的模擬光伏出力曲線表示日實(shí)際光伏出力變化。仿真中,光伏系統(tǒng)容量與實(shí)際系統(tǒng)容量均為160kW,且日最大輸出功率均為120kW;儲能用雙向逆變器容量為60kW。蓄電池模型采用恒壓源與電池內(nèi)阻串聯(lián)的模型,光伏模型采用模擬光伏出力的電流源模型。系統(tǒng)組成如圖1所示。光伏、電池逆變器均采用單級式三相并網(wǎng)逆變器;儲能用逆變器與光伏用逆變器均采用單級式結(jié)構(gòu),由直流母線電容、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)逆變電路和LCL濾波器組成。在本文研究中,SSOCmax=1,SSOChigh=0.85,SSOClow=0.50,SSOCmin=0.45。在實(shí)際應(yīng)用中,可根據(jù)實(shí)際需要對上述限值進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)定電池荷電狀態(tài)的初始值為0.55,通過電池的充/放電電流i,可實(shí)時(shí)計(jì)算出電池的SSOC為:式中:Qe為電池組容量;SSOC0為電池荷電狀態(tài)的初始值。仿真中,設(shè)定2個(gè)對比試驗(yàn):試驗(yàn)1采用基本濾波控制T=7;試驗(yàn)2采用可變?yōu)V波時(shí)間常數(shù)控制,初始值To=7,T可在3~7的范圍內(nèi)變化;其他實(shí)驗(yàn)條件相同,儲能系統(tǒng)容量均為1.2MW·h。試驗(yàn)1中電池輸出、光伏發(fā)電、聯(lián)絡(luò)線功率波形和SSOC波形分別如圖9、圖10所示。試驗(yàn)2中電池輸出、光伏發(fā)電、聯(lián)絡(luò)線功率波形和SSOC波形分別如圖11、圖12所示。試驗(yàn)1中,仿真開始時(shí),Ppv不斷升高,儲能系統(tǒng)采用基本濾波控制,吸收電能,減緩了Ppv的上升速度,Pline較為平滑。當(dāng)t=14s時(shí),電池的SSOC達(dá)到最大值,電池已不能再存儲能量,即限制充電、允許放電,電池充電功率(Pbat<0的部分)立即變?yōu)?。因此,Pline在14s時(shí)出現(xiàn)劇烈波動。此后,Ppv下降,電池采用基本濾波控制,濾波時(shí)間常數(shù)不變,電池放電,減緩了Ppv的下降速度。試驗(yàn)2中,當(dāng)t=11s時(shí),SSOC>0.85且Pbat>0,根據(jù)可變?yōu)V波時(shí)間常數(shù)原理,T開始逐漸變小,以降低電池的充電功率,并使SSOC的增長速率減慢。當(dāng)t=15s時(shí),SSOC>0.85且Pbat<0,因此,T逐漸增大,電池的放電功率(Pbat<0的部分)變大。試驗(yàn)2中采用基于荷電狀態(tài)的可變時(shí)間常數(shù)控制方法有如下優(yōu)點(diǎn)。1)相對于試驗(yàn)1,采用基于電池荷電狀態(tài)的可變時(shí)間常數(shù)控制方法,可以使電池的荷電狀態(tài)穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi),有效避免了電池的過充/放電,維持了電池的正常工作,同時(shí)避免聯(lián)絡(luò)線功率出現(xiàn)劇烈波動。2)此方法可以起到削峰填谷的作用。因?yàn)楣夥l(fā)電功率隨著太陽輻射、氣溫等自然因素的變化而變化,其峰值一般出現(xiàn)在12:00至14:00時(shí)之間,到了晚上光伏發(fā)電功率變?yōu)?。而典型居民用電負(fù)荷的峰值,往往出現(xiàn)在下午和傍晚,要晚于光伏發(fā)電的峰值。電池儲能系統(tǒng)可以在光伏輸出功率較大時(shí)吸收能量,并且在光伏發(fā)電功率為0時(shí),依然使系統(tǒng)輸出電能,使其在負(fù)荷高峰時(shí)仍能提供一定的電力,起到減小負(fù)荷峰值的作用。5pscad仿真模型由于光伏等可再生能源輸出功率具有波動性大、隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn),因此需要就地