分布式新能源發(fā)電中儲(chǔ)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(shù)Advanced Technology of Electrical Engineering and EnergyVol31,No1Jan2012收稿日期:2011-02-21作者簡(jiǎn)介:董博(1983-,黑龍江籍,博士研究生,研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電與儲(chǔ)能系統(tǒng);李永東(1962-,河北籍,教授/博導(dǎo),研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。分布式新能源發(fā)電中儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理董博,李永東,鄭治雪(清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系,北京100084摘要:本文對(duì)蓄電池和超級(jí)電容組成儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理進(jìn)行研究,根據(jù)兩種儲(chǔ)能裝置的特點(diǎn)和剩余容量以及分布式發(fā)電系統(tǒng)的狀態(tài),將儲(chǔ)能系

2、統(tǒng)的工作模式分類,并對(duì)每種工作模式采用不同的控制策略,發(fā)揮蓄電池和超級(jí)電容自身的優(yōu)點(diǎn),保證系統(tǒng)內(nèi)部的功率平衡,減小風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電系統(tǒng)功率波動(dòng)對(duì)外部電網(wǎng)的沖擊,并實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行。最后通過(guò)分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。關(guān)鍵詞:蓄電池;超級(jí)電容;分布式新能源發(fā)電;能量管理中圖分類號(hào):TM912文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1003-3076(201201-0022-041引言隨著風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)展越來(lái)越迅速,在分布式發(fā)電系統(tǒng)中,由于系統(tǒng)需要具有運(yùn)行在孤島條件下的能力,并給本地負(fù)載提供持續(xù)可靠的電能,同時(shí),為了減小新能源輸出功率的波動(dòng)對(duì)外部電網(wǎng)的影響,儲(chǔ)能系統(tǒng)是必不可

3、少的。一種高能量存儲(chǔ)密度、響應(yīng)時(shí)間短、成本低、壽命長(zhǎng)、易維護(hù)的儲(chǔ)能裝置是我們期望的,但是目前任何一種儲(chǔ)能設(shè)備均不能滿足上述所有要求。蓄電池具有存儲(chǔ)容量大,成本低,維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車、微電網(wǎng)等領(lǐng)域1,但是其響應(yīng)速度慢,充放電次數(shù)少等缺點(diǎn)在與風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電系統(tǒng)配合時(shí)顯得尤為明顯。而超級(jí)電容具有能夠快速響應(yīng)、反復(fù)充放電次數(shù)多等特點(diǎn),因此將二者結(jié)合成為一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng),通過(guò)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(gè)儲(chǔ)能裝置能夠發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn),在分布式新能源發(fā)電中將得到廣泛應(yīng)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(fēng)能(2KW 和太陽(yáng)能(1KW 發(fā)

4、電,通常情況下,二者均運(yùn)行在最大功率點(diǎn)跟蹤狀態(tài),由于風(fēng)能和太陽(yáng)能輸出功率會(huì)隨天氣等因素發(fā)生劇烈變化,因此需要超級(jí)電容(72V ,70F 作為快速儲(chǔ)能裝置;為了保持系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間能夠穩(wěn)定運(yùn)行在孤島狀態(tài),采用蓄電池(6節(jié)12V ,65AH 串聯(lián)作為長(zhǎng)期儲(chǔ)能裝置。但是,對(duì)于兩種不同的儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)工作模式超級(jí)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(jí)電容的SOC 與端電壓的平方成正比,因此通過(guò)測(cè)量超級(jí)電容端電壓就可以獲得其剩余容量。但是蓄電池工作時(shí)端電壓與剩余容量沒(méi)有確定的函數(shù)關(guān)系,因此需要間接測(cè)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(jì)算蓄電池SOC ,在文章4中有所論述。根據(jù)超級(jí)電容和蓄電池的特性,設(shè)定超級(jí)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(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)如表1所示的九種模式,我們對(duì)每一個(gè)模式采取一種控制策略,在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過(guò)對(duì)超級(jí)電容和蓄電池SOC 的檢測(cè)和外電網(wǎng)的情況來(lái)確定儲(chǔ)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(jí)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(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同模式下并網(wǎng)和孤島的控制策略進(jìn)行介紹。第1期董博,等:分布式新能源發(fā)電中儲(chǔ)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(dòng)對(duì)外部電網(wǎng)的影響,儲(chǔ)能系統(tǒng)用于吸收或釋放新能源輸出與負(fù)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(chǔ)能系統(tǒng)吸收的總功率,Pbatt為蓄電池吸收的功率,Psc 為超級(jí)電容吸收的功率,Pwind為風(fēng)機(jī)發(fā)出的功率,Psolar為太陽(yáng)能電池板發(fā)出的功率,Pload為負(fù)載吸收的功率。通過(guò)檢測(cè)風(fēng)機(jī)和太陽(yáng)能輸出的功率和負(fù)載吸收的功率可以得到儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)該吸收或釋放的總功率Pstorage,因此需要根據(jù)蓄電池和超級(jí)電容的特點(diǎn)和剩余容量狀態(tài)分配Pbatt 和Psc。 通過(guò)檢測(cè)蓄電池和超級(jí)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(duì)

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

9、限,因此需要蓄電池提供長(zhǎng)時(shí)間可靠、持續(xù)的供電。根據(jù)超級(jí)電容和蓄電池各自的特點(diǎn),采用如圖3所示的控制策略6。在并網(wǎng)或者孤島運(yùn)行時(shí),均可以采用圖3所示的控制框圖將儲(chǔ)能系統(tǒng)需要的總功率按照蓄電池和超級(jí)電容的特點(diǎn)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(yīng)的功率。同時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)增益K,可以改變超級(jí)電容和蓄電池的功率分配,數(shù)值由超級(jí)電容和蓄電池的額定容量24電工電能新技術(shù)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(shí),可以增大K,使得蓄電池承擔(dān)的功率較多。在并網(wǎng)-孤島的過(guò)渡過(guò)程中,通過(guò)超級(jí)電容快速充放電的特點(diǎn)保證過(guò)渡過(guò)程功率平衡也非常重要,因此這種控制方法也適用于

10、過(guò)渡過(guò)程 。圖3儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配控制框圖Fig3Block diagram of power in storage system3.2超級(jí)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(jí)電容剩余容量過(guò)高或過(guò)低,會(huì)導(dǎo)致整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收或釋放高頻功率的能力下降,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)瓜到y(tǒng)喪失對(duì)突然天氣變化或負(fù)載突變的響應(yīng)能力。因此希望這種異常模式能夠快速過(guò)渡到正常模式,保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),可以認(rèn)為外部電網(wǎng)對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是無(wú)窮大電網(wǎng),因此超級(jí)電容可以從外部電網(wǎng)吸收能量或?qū)⑦^(guò)多的能量傳遞給電網(wǎng),直到超級(jí)電容剩余容量達(dá)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(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊,但由于超級(jí)電容存儲(chǔ)能量較小,對(duì)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(yùn)行時(shí),由于沒(méi)有外部電網(wǎng)的支持,必須實(shí)時(shí)保證分布式發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)的功率平衡,因此超級(jí)電容快速響應(yīng)的能力更是不可缺少的,否則會(huì)造成系統(tǒng)失穩(wěn)。而由于風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源輸出功率的不確定性,因此在蓄電池和超級(jí)電容之間的能量傳遞就尤為重要,完成這個(gè)任務(wù)的主要渠道是直流母線。例如,超級(jí)電容剩余容量過(guò)低時(shí),控制蓄電池輸出能量增多,多輸出的部分能量由超級(jí)電容通過(guò)直流母線吸收,直到超級(jí)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(jí)電容剩余容量處于正

12、常區(qū)間,而蓄電池剩余容量過(guò)高或過(guò)低,會(huì)導(dǎo)致整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的能力下降,嚴(yán)重威脅到系統(tǒng)的可靠性,因此需要盡快恢復(fù)到正常模式。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),與超級(jí)電容異常模式類似,通過(guò)與外部電網(wǎng)交換能量的方式使蓄電池剩余容量恢復(fù)到正常區(qū)間。同樣,也會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)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(huì)小很多。孤島運(yùn)行時(shí),需要超級(jí)電容通過(guò)直流母線給蓄電池傳遞能量,不過(guò)由于超級(jí)電容存儲(chǔ)能量有限,很難使蓄電池達(dá)到正常模式,但系統(tǒng)又沒(méi)有多余的能量傳遞給蓄電池,除非切除一定的負(fù)載,這是不希望看到的,因此僅能通過(guò)超級(jí)電容傳遞能量給蓄電池的方式維持,等待外電網(wǎng)恢復(fù)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(jí)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(wú)論在并網(wǎng)還是孤島運(yùn)行時(shí),均可以通過(guò)直流母線互相均衡,進(jìn)入到前面所述的某個(gè)模式下,再按照相應(yīng)的模式進(jìn)行控制。如果出現(xiàn)蓄電池和超級(jí)電容的剩余容量均過(guò)高的情況(MHH模式,在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)將多余的能量傳遞給電網(wǎng);孤島運(yùn)行時(shí),需要風(fēng)機(jī)和太陽(yáng)能的控制器放棄最大功率點(diǎn)跟蹤,控制其輸出功率低于負(fù)載吸收的功率,差值由儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出,直到儲(chǔ)能系統(tǒng)達(dá)到正常模式,風(fēng)機(jī)和太陽(yáng)能重新開(kāi)始工作在MPPT模式下。若蓄電池和超級(jí)電容的剩余容量均過(guò)低(MLL 模式,并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)電網(wǎng)吸收能量,使儲(chǔ)能系統(tǒng)恢復(fù)到正常模

14、式;孤島運(yùn)行時(shí),如果風(fēng)能和太陽(yáng)能在MPPT工作時(shí)仍不能滿足負(fù)載的需求,只能通過(guò)切除不重要負(fù)載來(lái)保證敏感負(fù)荷的正常運(yùn)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(fù)后重新并網(wǎng),這也是最糟糕的一種情況。4仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用圖1所示的分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu),蓄電池(6節(jié)12V,65AH鉛酸蓄電池單體串聯(lián)和超級(jí)電容(72V,70F通過(guò)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(guò)圖3所示的控制策略,高頻功率由超級(jí)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(jié)果和圖5所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為儲(chǔ)能功率輸出之和Pstorage由于負(fù)載變化,在1s時(shí)由800

15、W上升至第1期董博,等:分布式新能源發(fā)電中儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理251800W ,在3.2s 時(shí)下降至800W 過(guò)程中,超級(jí)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(chǔ)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(chǔ)能裝置充放電電流實(shí)驗(yàn)波形Fig5Currents of storage with experiment in M NN圖6超級(jí)電容異常模式下儲(chǔ)能裝置充放電電流Fig6Currents of storage in M LN在超級(jí)電容異常模式下,如果剩余容量過(guò)低,需要超級(jí)電容在有高

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

17、的給過(guò)低的充電。而M HH 、M LL 模式需要采用放棄MPPT 和切除負(fù)載的方式控制。5結(jié)論本文將分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)中,由蓄電池和超級(jí)電容組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)按照剩余容量分成若干工作模式,根據(jù)超級(jí)電容響應(yīng)速度快,蓄電池存儲(chǔ)容量多等特點(diǎn),對(duì)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(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部的功率平衡,減小對(duì)外部電網(wǎng)的沖擊,實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行,并對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向DC-DC 變流器控制方法進(jìn)行介紹,通過(guò)變流器的控制,實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理。最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的有效性。參考文獻(xiàn)(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(dòng)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(yè),conton p9696電工電能新技術(shù)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(yè),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