面向配電網(wǎng)優(yōu)化運行的混合儲能系統(tǒng)控制策略

面向配電網(wǎng)優(yōu)化運行的混合儲能系統(tǒng)控制策略

0功率型儲能在能源和環(huán)境的雙重壓力下，以光照為代表的綠色能源發(fā)電得到了前所未有的發(fā)展。然而，高滲透率分布式光伏并網(wǎng)易引起配網(wǎng)電壓越限等問題。隨著我國城市配電網(wǎng)電纜使用率日益提高，線路阻抗比較大，電壓對有功功率的變化較敏感，有功/無功潮流均會對節(jié)點電壓產(chǎn)生較大影響，加劇了光伏高滲透配電網(wǎng)高電壓問題儲能大致可分為能量型儲能和功率型儲能兩大類。能量型儲能的能量密度大、循環(huán)壽命短；功率型儲能的功率密度大、循環(huán)壽命長通過混合儲能系統(tǒng)各儲能單元的協(xié)調(diào)控制，可最大限度地發(fā)揮HESS的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，也是HESS的研究熱點之一。文獻(xiàn)上述文獻(xiàn)的HESS主要用于主網(wǎng)平抑新能源實際功率與預(yù)測功率的差值，保證主網(wǎng)安全可靠運行。配電網(wǎng)潮流調(diào)控手段比主網(wǎng)薄弱，分布式光伏出力波動平抑的相對價值較小，因此解決高滲透率光伏引起的節(jié)點電壓越限和提高配網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行水平的需求更為突出1光伏側(cè)最優(yōu)并網(wǎng)技術(shù)本文所基于的光伏-混合儲能系統(tǒng)（PHESS）結(jié)構(gòu)如圖1所示。蓄電池和超級電容器經(jīng)各自DC/DC變流器并聯(lián)連接組成混合儲能系統(tǒng)，與光伏系統(tǒng)匯流至公共直流母線后，再經(jīng)DC/AC逆變器接入配電系統(tǒng)。公共直流母線結(jié)構(gòu)形式具有光伏與儲能的能量交換級數(shù)少、效率高的優(yōu)點。PHESS柔性并網(wǎng)在配電自動化全覆蓋環(huán)境下，可獲得本饋線內(nèi)所有節(jié)點（包括其他分布式能源并網(wǎng)點）的潮流數(shù)據(jù)；由PHESS自身的上層決策系統(tǒng)完成優(yōu)化運行策略計算，以獲得最優(yōu)并網(wǎng)有功P并網(wǎng)有功功率P并網(wǎng)無功功率Q式中：S光伏單元采用MPPT控制策略，結(jié)合共直流母線儲能的功率調(diào)節(jié)，保證光伏清潔能源的滿額友好消納，ηP蓄電池和超級電容器均有充電、空閑和放電3種狀態(tài)，以放電功率為正。計及損耗功率表達(dá)式分別為式中：P為避免過充和深放，采用式（7)～(10）計算P式（7)～(8）為充電過程，P式（9)～(10）為放電過程，P由式（11)～(14）計算蓄電池和超級電容器的SOC2phes配電網(wǎng)運行策略設(shè)定一個完整的優(yōu)化運行周期為24h，以1min為優(yōu)化時間段，每次優(yōu)化均采用初始時刻的PHESS內(nèi)部參數(shù)值和配網(wǎng)自動化系統(tǒng)提供的配網(wǎng)實時潮流數(shù)據(jù)?？紤]光伏出力的不確定性，PHESS優(yōu)化配電網(wǎng)運行策略基于配電網(wǎng)運行的“源-網(wǎng)”經(jīng)濟(jì)運行和并網(wǎng)節(jié)點電壓越限治理兩個模型（圖2）。優(yōu)化運行首要關(guān)注安全性問題，策略中節(jié)點電壓越限治理優(yōu)先級高于經(jīng)濟(jì)運行。2.1約束條件及約束本文選取“源-網(wǎng)”損耗最小作為目標(biāo)函數(shù)，“源-網(wǎng)”損耗由配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗P式中：N為系統(tǒng)節(jié)點數(shù)；P約束條件如下。(1）系統(tǒng)潮流約束式中：i,j為系統(tǒng)節(jié)點號；U(2）變電站出口功率約束式中：P(3）節(jié)點電壓約束式中：U(4）線路功率約束式中：P(5)PHESS運行約束PHESS運行約束如式（1)～(14）所示。采用動態(tài)規(guī)劃算法求解所建立的模型，得到PHESS最優(yōu)輸出有功/無功功率P2.2節(jié)點電壓越限治理模型配網(wǎng)與主網(wǎng)不同，其阻抗比R/X較大，電壓對有功功率的變化亦較敏感。雖然“源-網(wǎng)”經(jīng)濟(jì)運行優(yōu)化模型通過式（20）已保證了全網(wǎng)節(jié)點電壓運行在約束范圍內(nèi)，但當(dāng)光伏并網(wǎng)功率發(fā)生突變時，并網(wǎng)節(jié)點電壓容易出現(xiàn)越限問題，影響配網(wǎng)運行安全性和供電質(zhì)量。因此，須對電壓進(jìn)行更小時間尺度下的準(zhǔn)實時檢測與控制。當(dāng)檢測到并網(wǎng)節(jié)點電壓越限時，PHESS優(yōu)先采用電壓優(yōu)化調(diào)節(jié)策略，其有功功率和無功功率的設(shè)定如圖3所示。從圖3可以看出，并網(wǎng)點電壓變化量與PHESS注入配電網(wǎng)的有功功率變化量近似呈線性關(guān)系混合儲能HESS根據(jù)有功功率限制P當(dāng)逆變器存在剩余容量時，控制逆變器并網(wǎng)無功可進(jìn)一步優(yōu)化并網(wǎng)點電壓。根據(jù)電壓大小，確定逆變器吸收無功功率的參考值Q3控制策略3.1混合儲能hess控制策略根據(jù)蓄電池和超級電容器的SOC狀態(tài)及其充放電狀態(tài)對HESS的運行狀態(tài)進(jìn)行分類。不同的運行狀態(tài)采用不同類型的HESS控制策略，大致分為多目標(biāo)分頻控制、內(nèi)部能量協(xié)調(diào)控制和停止運行3大類。運行狀態(tài)分類如表1所示。對表1進(jìn)行分析可知，運行狀態(tài)1和2中，蓄電池和超級電容器的SOC均為正常狀態(tài)，HESS采用多目標(biāo)分頻控制策略，可充分發(fā)揮蓄電池和超級電容器技術(shù)優(yōu)勢的互補(bǔ)性，延長HESS的運行壽命；運行狀態(tài)3～16中，蓄電池和超級電容器的SOC只有一方滿足單獨運行條件，HESS采用內(nèi)部能量協(xié)調(diào)控制策略，以保證蓄電池和超級電容器在各自安全范圍內(nèi)運行；運行狀態(tài)17和18中，蓄電池和超級電容器的SOC均不滿足運行條件，此時HESS停止優(yōu)化運行，對HESS進(jìn)行充放電，以盡快返回正常工作狀態(tài)?；旌蟽δ蹾ESS控制策略流程如圖4所示。本文設(shè)置的蓄電池和超級電容器SOC上、下限分別為[0.85,0.15],[0.95,0.05]。HESS控制策略的具體步驟如下：(1)采用PHESS參與配電網(wǎng)優(yōu)化運行策略，計算HESS的輸出功率P(2)根據(jù)表1的HESS狀態(tài)分類，并結(jié)合蓄電池和超級電容器t時刻的SOC，確定HESS相應(yīng)的控制策略；(3)根據(jù)步驟(2)中確定的HESS不同控制策略，分別計算蓄電池和超級電容器的充放電功率。3.2蓄電池和超級電容器的分頻優(yōu)化控制為充分發(fā)揮能量型儲能和功率型儲能各自的優(yōu)勢，HESS多目標(biāo)分頻控制遵循以下原則：超級電容器負(fù)責(zé)輸出HESS功率指令P應(yīng)用一階低通濾波算法，將“源-網(wǎng)”經(jīng)濟(jì)運行模型和節(jié)點電壓越限治理模型優(yōu)化運行策略得到的HESS輸出功率指令P式中：λ（t）為t時刻的濾波系數(shù)，λ（t）=τ/（τ+Δτ）；P蓄電池和超級電容器的功率分配取決于λ（t），通過優(yōu)化方法確定λ（t）的取值。在充分發(fā)揮蓄電池和超級電容器各自優(yōu)勢執(zhí)行分頻控制的基礎(chǔ)上，考慮蓄電池的放電次數(shù)、放電深度對其運行壽命的影響，避免“過充”和“深放”，應(yīng)使蓄電池盡量處于“淺循環(huán)”充放電狀態(tài)。同時，考慮超級電容器的低容量、長壽命特性，為保證超級電容器對高頻功率分量的響應(yīng)性，超級電容器SOC應(yīng)維持在適中狀態(tài)，以滿足下一時段充放電的需求。蓄電池和超級電容器的優(yōu)化控制目標(biāo)為式中：P將上述優(yōu)化目標(biāo)轉(zhuǎn)化為關(guān)于λ（t）的優(yōu)化問題，將式（27）代入式（28），得：式（28）的求解為多目標(biāo)優(yōu)化問題，一般采用Pareto最優(yōu)解集進(jìn)行求解，但求解存在非劣解集的問題式中：ω層次分析法權(quán)重依據(jù)專家知識獲得；熵權(quán)法權(quán)重依據(jù)歷史典型日數(shù)據(jù)的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解獲得。因此，目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式轉(zhuǎn)換為式中：ω約束條件：式中：b求解式（30）單目標(biāo)優(yōu)化問題，采用一種改進(jìn)的粒子群算法3.3內(nèi)部能量協(xié)調(diào)控制策略下蓄電池和超級電容器的功率特性HESS內(nèi)部能量協(xié)調(diào)控制是指蓄電池和超級電容器的SOC只有一方滿足單獨運行條件時的控制。以表1中的5,6,7,9等4種狀態(tài)為例加以分析說明，并給出內(nèi)部能量協(xié)調(diào)控制策略下蓄電池和超級電容器各自的功率。(1）狀態(tài)5當(dāng)SOC(2）狀態(tài)6當(dāng)SOC(3）狀態(tài)7當(dāng)SOC(4）狀態(tài)9當(dāng)SOC同理，可得到其余內(nèi)部能量協(xié)調(diào)控制下蓄電池和超級電容器的功率表達(dá)式。4節(jié)點電壓越限治理算例采用經(jīng)修改的10節(jié)點配電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示為與我國城市配電網(wǎng)多采用電纜線路現(xiàn)狀相符合，取每條線路的并聯(lián)導(dǎo)納為設(shè)定一個完整的優(yōu)化運行周期為24h，優(yōu)化時間間隔為1min。系統(tǒng)負(fù)荷與DG實際出力曲線如圖6所示。本文將PV2和PV3升級改造成光伏混合儲能系統(tǒng)PHESS1和PHESS2。PHESS1中蓄電池及超級電容器容量分別為1MW·h和0.5MW·h；初始電量分別為0.5MW·h和0.25MW·h；額定充放電功率分別為0.2MW和0.5MW。PHESS2中蓄電池和超級電容器容量分別為0.6MW·h和0.4MW·h；初始電量分別為0.3MW·h和0.2MW·h；額定充放電功率分別為0.1MW和0.2MW。儲能充放電狀態(tài)切換損耗一般為額定容量的5%PHESS參與配電網(wǎng)優(yōu)化運行前后的網(wǎng)絡(luò)損耗變化如圖7所示。從圖7可以看出，PHESS參與優(yōu)化運行后，根據(jù)各時段DG的出力情況及負(fù)荷的用電需求釋放或存儲電能，實現(xiàn)削峰填谷，平滑光伏出力波動，并為系統(tǒng)提供無功支撐，顯著降低系統(tǒng)網(wǎng)損。當(dāng)檢測到并網(wǎng)點電壓越限時，PHESS優(yōu)先對節(jié)點電壓越限進(jìn)行治理（圖8）。圖8(a）所示，在0～60s光伏輸出功率突增，導(dǎo)致并網(wǎng)點電壓升高。因此，優(yōu)先進(jìn)行節(jié)點電壓越限治理，以保證光伏并網(wǎng)點電壓滿足運行要求。本文算例以秒為間隔對電壓進(jìn)行檢測。在工程應(yīng)用中，一般根據(jù)通信和計算處理能力的約束進(jìn)行確定。由圖8(b）可見，經(jīng)過治理，并網(wǎng)點電壓均控制在安全運行允許的范圍內(nèi)。這是由于HESS吸收了部分光伏出力，減少了并網(wǎng)有功，同時逆變器剩余容量無功控制進(jìn)一步降低了并網(wǎng)點電壓，從而改善了配電網(wǎng)的供電質(zhì)量，保證了光伏能源的滿額消納。為體現(xiàn)本文所提HESS多目標(biāo)分頻控制的優(yōu)越性，與傳統(tǒng)一階低通濾波方法進(jìn)行了對比。兩種方法的HESS輸出功率如圖9所示。從圖9(a）可以看出，蓄電池和超級電容器的充放電功率出現(xiàn)越限的情況。傳統(tǒng)一階低通濾波算法僅從延長蓄電池運行壽命的角度出發(fā)，分配蓄電池和超級電容器的充電響應(yīng)頻率，難以協(xié)調(diào)HESS在實際運行中可能存在的SOC越限和充放電響應(yīng)能力不足的問題?？梢?，多目標(biāo)分頻控制進(jìn)一步優(yōu)化了HESS內(nèi)部功率分配。從圖9(b）可以看出，本文所提出的HESS優(yōu)化控制方法，不僅使蓄電池輸出功率盡可能小，降低蓄電池放電深度，延長其使用壽命，而且能夠保持超級電容器對功率高頻的響應(yīng)能力。兩種方法的HESS荷電狀態(tài)如圖10所示，本文方法中超級電容器SOC變化幅度較大，蓄電池SOC變化較為平穩(wěn)。說明在滿足混合儲能優(yōu)化出力的前提下，蓄電池的充放電更為合理，延長了使用壽命。5mppt與hess的匹配性本文提出一種面向配電網(wǎng)優(yōu)化運行的柔性并網(wǎng)光儲系統(tǒng)的混合儲能控制策略，并通過算例分析驗證了該策略的正確性和有效性。PHESS參與配電網(wǎng)優(yōu)化運行策略，以光伏MPPT最大功率結(jié)合HESS