抑制输水工程中风光功率波动的混合储能控制策略研究

王成明 郑坤 熊曼妮

摘 要：【目的】在输水工程中，风电、光伏等新能源具有不稳定性，若直接接入电网会对可靠运行的电能质量造成严重的影响。为了抑制输水工程中的风光功率波动问题，有必要对此进行研究。【方法】提出了一种基于模糊控制的混合储能控制策略，分别利用能量型储能和功率型储能平移不同时间尺度的功率脉动。【结果】考虑将风光功率波动变化态势、储能荷电状态作为模糊控制器的输入，调节功率型储能与能量型储能为系统出力，并考虑储能电池的一致性，有效地保障储能电池的循环使用寿命。【结论】通过算例验证了混合储能控制策略抑制风光功率波动的有效性，充分发挥混合电池储能系统优势，减少能量型储能使用频次，实现价值最大化。

关键词：风光联合发电；混合储能；模糊控制；平滑输出

中图分类号：TU831.2    文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）08-0014-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.08.003

Research on Hybrid Energy Storage Control Strategy for Suppressing Wind and Solar Power Fluctuations in Water Transmission Projects

WANG Chengming ZHENG Kun XIONG Manni

（Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research， Wuhan 430010， China）

Abstract： [Purposes] In water transmission projects， new energy sources such as wind power and photovoltaics pose significant challenges and potential risks to the reliable operation of power quality due to their instability when directly connected to the power grid. In order to suppress the fluctuation of wind and solar power in water transmission projects， it is necessary to conduct research on this issue. [Methods] A hybrid energy storage control strategy based on fuzzy control is proposed.This strategy utilizes both energy-based and power-based energy storage to mitigate power fluctuations across different time scales. [Findings] By considering the trends in wind and solar power fluctuations along with the state of charge of the energy storage， they serve as inputs to the fuzzy controller， regulating the outputs of power-based and energy-based energy storage systems. Furthermore， it extensively considers the consistency of energy storage batteries， effectively ensuring the cyclic lifespan of these batteries. [Conclusions] Validation through case studies demonstrates the efficacy of the hybrid energy storage control strategy in mitigating wind and solar power fluctuations， optimizing the advantages of hybrid battery energy storage systems， reducing the frequency of energy-based storage usage， and maximizing overall value.

Keywords： wind-solar hybrid generation; hybrid energy storage; fuzzy control; smoothed output

0 引言

长距离配水工程中的闸控站、阀控站等供电点，具有供电距离长、数量多、分布零散、持续负载能力小、瞬间负载大的特点［1-2］。采用传统的输电线路供电方案，往往存在可靠性、经济性较低的问题，因此寻找一种可靠、经济且可持续的供电方案至关重要。

风电、光伏等新能源因其具有不稳定性，如果直接接入电网可能会对可靠运行电能质量造成严重影响并存有潜在的风险。储能装置作为新一代电网中最关键的组成部分，它具有能量双向流动、柔性安装和快速响应等特点［3-4］。通过将大容量的储能装置布置在远距离的并网点上，可以在短时大负载和持续小负载之间达到均衡，能够很好地改善上述问题。

因此本研究基于模糊控制方法，将功率型储能和能量型储能相结合，以实现多类型混合储能控制，从而有效地减小风力发电的波动，并防止能量型电池储能系统过充、放电。该系统具有柔性、可调整等特点，能较好地满足供水工程中各种荷载需求的变化［5］。

1 混合储能电池控制策略

1.1 系统结构

在输水工程中，风、光、混合储能系统的结构如图1所示。其发电模块包括风力发电机和光伏电池板；控制模块包括DC/DC电路和控制器；DC模块包括蓄电池和直流负荷；AC模块包括逆变器和交流负载。在此基础上，结合风光发电机组的出力变化，可以实现储能系统的功率动态调节见式（1）。

[Pg（t）=Pst+Pwt+Pbgt+Pbn（t）] （1）

式中：[Pg（t）]为t时刻风光储联合发电系统的并网功率；[Pst]为t时刻光伏电站发电功率；[Pwt]为t时刻风电场发电功率；[Pbgt]为t时刻功率型储能输出功率；[Pbn（t）]为t时刻能量型储能输出功率。

1.2 基于模糊控制的多类型储能控制策略

设定某一时刻t的输出总功率为[Pws（t）]，上一时刻的功率为[Pg（t-1）]，当前时刻功率为[Pg（t）]，发电系统的可接受波动功率为?。功率型储能的额定功率为[Cg]，总容量为[Qg]，t时刻的荷电状态为Soc1（t），输出功率为[Pbg]（t）；能量型储能的额定功率为[Cn]，总容量为[Qn]，t时刻的荷电状态为Soc2（t），输出功率为[Pbn（t）]。

为模糊定义三个输入两个输出：

输入1是风光联合发电系统输出功率的变动情况ΔP，模糊等级为｛N，NB，P｝，赋值为［-1，1］。N表示波动性大幅度减小；NB表明波动性较小；P表明波动性大幅增大。

输入2是功率型电池储能的荷电状态Soc1（t），模糊等级为｛S，SG，G，DG，D｝，赋值为［0，1］。从左到右分别表示电荷存储量极端低压；电荷存储量较低；电荷存储量适中；电荷存储量较高；电荷存储量极端高压。

输入3是能量型电池储能的荷电状态Soc2（t），模糊等级为｛L，LM，M，HM，H｝，赋值为［0，1］。从左到右分别代表电荷存储状态极差；能量型储能电荷存储状态较差；电荷存储状态适中；H电荷存储状态较好；电荷存储状态极好。

输出1是功率型电池储能系统功率调整因子K1（t），定义模糊等级为｛F，FO，O，EO，E｝，赋值为［-1，1］。从左到右代表该类型电池系统充电负荷极重；该类型电池系统充电负荷较重；该类型电池系统充电负荷重；该类型电池系统放电负荷较重；该类型电池系统放电负荷极重。

输出2是能量型储能系统功率调整因子K2（t），定义模糊等级为｛A，AZ，Z，CZ，C｝，赋值为［-1，1］。从左到右分别代表该储能充电负载极重；该储能充电负载较重；该储能充电负载运行维护；该储能放电负较重；该储能放电负载极重。

模糊控制器输入、输出隶属度函数如图2至图5所示。

定义t时刻的联网功率及两类电池的充、放电功率见式（2）。

[Pg（t）=Pgt-1+CgCg+CnK1+CnCg+CnK2ηPb（t）=PWSt-Pg（t）Pbg（t）=K1tCgPbn（t）=Pbt-Pbg（t）Soc1（t）=Soc1t-1+Pbg（t）ΔtQgSoc2（t）=Soc2t-1+Pbn（t）ΔtQn] （2）

按照以上的程序进行评价，获得了功率型和能量型的电池系统的实际有效功率[Pbga（t）]和[Pbna（t）]，与之前给出的功率[Pbga（t）]和[Pbna（t）]相比较，得到一个判别式。若各种类型的电池储能单元所需的电力超过了实际的电力，那么在目前时刻上的电力和各种类型电池的充电和放电功率都根据式（3）来进行计算，否则，则根据式（2）。

[Pbg（t）=Pbgat-1+CgCg+CnK1+CnCg+CnK2ηPbn（t）=Pbnat-Pg（t）Pgt=Pgt-1+Pbgt+Pbn（t）Soc1（t）=Soc1t-1+Pbg（t）ΔtQgSoc2（t）=Soc2t-1+Pbn（t）ΔtQn]      （3）

2 算例分析

本研究以一个典型的闸控站为例，其负载主要由监测仪器、监测设备、闸门控制设备提供电力等组成。闸控站的风电装机为1 000 W、光伏装机为500 W，并配置了多种储能系统：200 W/0.5 kW·h的能量型储能、200 W/0.2 kW·h的功率型储能。假设两种类型的蓄电池的第一时刻电荷量是0.5，最大电荷量是0.9，最小电荷量是0.2。风光并网输出功率的允许波动率为10%，则允许波动值为150 W。

本研究设定两种控制策略进行对比分析。

策略1：无电池储能单元参与平抑的风光联合发电的输出。

策略2：采用本研究所提出的基于模糊控制多类型混合储能平抑输出的风光储联合发电的输出。

策略1与策略2的波动率情况如图6所示。由图6可知，策略1的起始输出波动剧烈，基本都超过了所要求的10%。与之相对的是，策略2可平抑大部分的输出功率波动。

策略2的具体波动性如图7所示。由图7可知，风光储联合发电的输出功率可完美符合低于10%的要求，满足并网要求，验证了本研究所提出的控制策略在抑制风光等能源输出波动方面的可行性，提高了输出电能的质量，增强了新能源的并网安全性。

3 结语

本研究针对输水工程中的风电、光伏等新能源功率波动问题，采用模糊控制技术，提出了一种基于模糊控制的抑制输水工程风光功率波动的混合储能控制策略，并得出以下结论。

以模糊控制为基础，结合风光储联合发电系统出力波动情况和多种储能单元荷电状况，能够有效抑制风电机组出力波动。

本策略既能兼顾功率型电池和能量型电池的工作特点，又能兼顾各种类型电池的一致性，从而有效地保证各种类型电池的循环使用寿命和调控能力。特别是对于长期在役的储能电池，可实现平稳地输出风电功率的波动，具有一定的理论和实际意义。

参考文献：

［1］黄淦成，方平，陈梵.长距离引调水工程软基分类及处理措施：以鄂北水资源配置工程为例［J］.水利水电快报，2022，43（9）：40-43.

［2］张晋锋，崔金秀，李文峰，等.鄂北地区水资源配置工程长距离大口径倒虹吸调压设施选择及水锤分析［J］.水利水电技术，2016，47（7）：32-37，41.

［3］LI X J，MA R，GAN W，et al.Optimal dispatch for battery energy storage station in distribution network considering voltage distribution improvement and peak load shifting［J］.Journal of Modern Power Systems and Clean Energy，2020，10（1）：131-139.

［4］李相俊，贾学翠，董楠，等.北京电网储能电站调控技术研究及应用［J］.供用电，2021，38（6）：2-6，28.

［5］李爽.提高风电功率可调度性的储能配置研究［D］.北京：北京交通大学，2016.

收稿日期：2024-01-08

作者简介：王成明（1983—），男，本科，高级工程师，研究方向：电气二次、水利信息化。