光储联合发电系统中混合储能的功率协调控制*

2017-12-20孙芊曾正郭宝甫马建伟

电测与仪表 2017年6期

孙芊，曾正，郭宝甫，马建伟

（1.国网河南省电力公司电力科学研究院，郑州450052；2.重庆大学电气工程学院，重庆400044；3.许继集团有限公司，河南许昌461000）

0 引言

近年来，分布式光伏发电系统得到了越来越多的重视［1］，并朝着密集化和高渗透率的方向发展［2］。为了降低光伏对电网的影响，与光伏集成到一起的混合储能系统，以其光储一体的电路结构、功率就地平衡的技术优势得到了广泛的关注［3］。然而，在光储联合发电系统中，为了保证储能单元在安全运行的前提下，充分发挥其性能，混合储能之间的功率分配是其中一个亟待解决的关键问题。

已有部分文献针对混合储能系统的优化功率配置和协调控制进行了研究。文献［4-6］提出了基于变时间常数的控制方法，协调不同储能单元在响应时间、功率密度和能量密度方面的差异。文献［7］提出了一种新颖的混合储能控制方法，协调混合储能对一个宽频域范围内功率进行有序响应。文献［8-9］提出了基于下垂控制的方法来协调多个储能单元分摊负荷功率。现有方法大多面向直流或交流母线电压的稳定，研究混合储能单元的优化配置和协调控制。从电网的角度来看，光伏联合发电系统还需要更多地考虑：整个系统的可调度性和光伏出力的可平抑性。如何响应电网需求，确定混合储能系统的功率指令，对于光储联合发电系统具有重要的意义。另一方面，为了保证储能单元对功率指令的合理分摊，储能的荷电状态（State of Charge，SOC）应该作为储能控制的一个优化约束。

本文针对光储联合发电系统的功率协调控制进行研究，以电网调度和光伏输出功率平滑两种运行工况为例，建立了混合储能的功率分配体系和控制方法。利用理论分析和仿真结果验证了所提方法的有效性，为光储联合发电系统提供了一种新的控制方法。

1 基于频率协调的功率分配控制

图1给出了一个典型光储联合发电系统的整体框图，为了降低光伏对电网的影响，在其直流侧引入储能单元，平滑光伏的出力，并提升光储联合发电系统的可调度性，通常采用混合储能的结构。

图1 光储联合发电系统的构架Fig.1 Configuration of PV-ES system

如图2所示的光储联合发电系统采用两层控制的方案。上层控制采用基于频域协调的控制方法，根据电网调度和光伏出力，给混合储能单元分配功率指令。下层控制为基于SOC的储能功率分摊控制，管理各储能变流器吸收或发出所期望的功率。

图2 光储联合系统功率的频率协调控制Fig.2 Frequency coordinated control of PV-ESS

当联合发电系统接受电网调度时，常数Pref为电网调度指令，表示向电网注入所需的有功功率。

可见，电网功率指令由两部分组成，分别为光伏出力的平滑部分和紧急有功支撑部分P0。储能所需要平衡的总功率ΔPes为指令功率和光伏出力功率之间的差值，即：

由于混合储能中，各个单元的响应时间不尽相同，为了实现不平衡功率在储能中的分担，采用基于频域的协调控制方法。其中，电池储能单元响应速度慢、功率密度低、能量密度高，主要针对低频的功率波动量进行补偿，即其功率指令为：

相反，超级电容储能响应速度快、功率密度高、能量密度低，主要应对高频的功率波动量，即：

由式（2）和式（4）、式（5），不难发现：

可以得到图3（a）所示的功率与频率分配特性，在整个光伏出力的频率范围ωpv内，中频段（ωes，ωc）由电池承担，高频段（ωc，ωpv）为超级电容承担。以表1所示的一个典型系统的参数为例，得到各频率段的Bode图如图3（b）所示。

表1 光储联合发电系统频率控制参数Tab.1 Frequency control parameters of PV-ESS system

2 基于SOC的储能功率协调控制

对于图2所示光储联合发电系统的下层控制，变流器根据储能单元的可用容量分摊指令功率。其电池储能模块为例，其控制框图如图4所示［10］。

图3 光储联合系统功率的频率分配特性Fig.3 Output power of PV-ESS in frequency domain

图4 光储联合系统功率的自适应下垂控制Fig.4 Schematic control of PV-ESS by adaptive droop

一般地，储能的荷电状态SOC定义为储能可用容量与其额定容量之比，可以表示为［11］：

式中CN为额定容量；SOC是一个0～1之间的数，0表示完全放电，1表示完全充满；SOC0为储能的初始荷电状态，η为充放电效率，I（V，Z，τ）为与储能端口电压U、阻抗Z和在阶跃电流下的电压响应弛豫时间τ有关的充放电电流。

储能电池的模型可以采用如图5（a）所示的等效电路模型［13］。

图5 储能单体的等效电路模型Fig.5 Equivalent circuitmodel of energy storage cells

电池的内阻为：

式中η为电池效率；Qn为电池额定容量；Un为其额定电压。电池单体的SOC可以表示为：

式中Np为电池组的并联支路数；Ibat为电池的放电电流（充电时为负）；电池组的输出电压：

式中Ns为电池组的串联电池单体数；Qr为电池单体的当前容量；E0为电池单体的内电势，可表示为：

式中Ichg为电池的额定充电电流；参数A、B和K分别为：

一典型电池单体的参数如表2所示。

表2 典型电池的参数Tab.2 Parameters of typical battery

超级电容单体的数学模型用三阶RC网络模拟，以100 F超级电容为例，其等效模型如图5（b）所示，参数见表 3［11］。

表3 超级电容模型参数Tab.3 Model parameters of super-capacitor.

超级的电容的SOC可以表示为：

当多个储能单元集成到一起组成混合储能系统工作时，不同储能单元的响应时间和能量密度不尽相同，不同储能单元的容量在运行过程也存在差异，且实时动态变化。为了保证光储联合系统的功率需求，在多个储能单元之间根据其可用容量合理分配，本文提出一种基于SOC的混合储能系统功率协调控制方法，如图6所示。

图6 储能单元的功率协调控制Fig.6 Coordinated control for power sharing of ESS

在该线性模型中，放电时，SOC大的储能单元输出功率更大；相反，在充电时，SOC小的单元充电功率更高。这样SOC不同的储能单元尽可能朝着SOC趋同的目标逼近。以一电池组为例，其实际的功率指令为：

3 仿真结果与分析

为了验证所提光储联合发电系统模型和控制策略的可行性和有效性，在PSCAD/EMTDC中建立了如图1所示的仿真模型，系统参数如表4所示。仿真过程中的扰动设置为：电网调度功率为8 kW；0 s开机，1 s时光照强度从400W/m2阶跃到1 200W/m2，2 s时光伏电池的稳定从25℃阶跃到50℃。

工况1：电网功率调度

如图7，光储联合发电系统的功率控制接到调度侧，电网所预期的功率指令为Pref＝5 kW，图8给出了光储联合发电系统的输出功率。在储能单元的配合下，光储联合发电系统能响应电网的需求侧响应，向电网注入所需的功率，支撑电网运行。

图8（a）给出了电池储能单元的指令功率和输出功率，图8（b）给出了两组电池的功率分配系数。电池的响应速度慢，能量密度高，承担了稳态的功率；超级电容响应速度快，能量密度低，承担了动态功率，如图8（c）。电池组1的初始SOC较小，在充电过程中分担的功率比电池组2要小；相反，在充电过程中吸收的功率更大，也可以从图8（b）所示两电池组的功率分配系数中得到。图8（c）～（d）给出了超级电容的情况，电容组2的初始SOC较小，放电功率更小，充电功率更大。