基于高通濾波控制的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)優(yōu)化研究

基于高通濾波控制的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)優(yōu)化研究

0混合儲(chǔ)能系統(tǒng)近年來，為了穩(wěn)定電網(wǎng)的運(yùn)行，充分利用可支配能源，滿足智能電網(wǎng)的需要，電力儲(chǔ)存技術(shù)被用作新興的調(diào)節(jié)手段。由于其靈活的控制和高度重視用戶。電力儲(chǔ)能有多種形式,通常可分為能量型儲(chǔ)能和功率型儲(chǔ)能2類。能量型儲(chǔ)能以鉛酸蓄電池、鋰電池等為代表,能量密度大、儲(chǔ)能時(shí)間長,但功率密度小、循環(huán)壽命短;功率型儲(chǔ)能以超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能等為代表,功率密度大、響應(yīng)速度快、循環(huán)壽命長,但能量密度小、自放電率高。目前,單一儲(chǔ)能技術(shù)還很難做到同時(shí)具備以上所有優(yōu)點(diǎn)而滿足所有應(yīng)用模式的需求。而混合儲(chǔ)能可以充分利用能量型儲(chǔ)能和功率型儲(chǔ)能在技術(shù)特性上的互補(bǔ)性,來滿足不同層次的技術(shù)需求,目前已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一?；旌蟽?chǔ)能技術(shù)就是將具有快速響應(yīng)特性、循環(huán)周期壽命長的功率型儲(chǔ)能和具有大容量儲(chǔ)能特性的能量型儲(chǔ)能聯(lián)合使用、協(xié)調(diào)控制,最大限度地發(fā)揮各種儲(chǔ)能技術(shù)的長處,提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中,利用超級(jí)電容降低蓄電池的放電深度;文獻(xiàn)通過多滯環(huán)調(diào)節(jié)控制策略,以超級(jí)電容高功率密度特性穩(wěn)定直流母線電壓,實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)瞬時(shí)功率平衡,優(yōu)化蓄電池充放電過程;文獻(xiàn)在風(fēng)電波動(dòng)功率平抑中,采用超級(jí)電容優(yōu)先響應(yīng)、蓄電池實(shí)時(shí)調(diào)整超級(jí)電容荷電狀態(tài)(stateofcharge,SOC)的方式,減少蓄電池的充放電響應(yīng)頻率;文獻(xiàn)在平滑可再生能源輸出功率波動(dòng)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中,采用模糊控制理論進(jìn)行功率分配,當(dāng)超級(jí)電容電量充足時(shí),由其獨(dú)立補(bǔ)償平滑所需功率,從而減少蓄電池充放電次數(shù);文獻(xiàn)[7-12]采用滑動(dòng)平均濾波控制、低通或高通濾波控制,使功率型儲(chǔ)能和能量型儲(chǔ)能分別承擔(dān)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率指令或電流指令的高頻波動(dòng)部分和中頻波動(dòng)部分,發(fā)揮儲(chǔ)能介質(zhì)各自的優(yōu)勢(shì)。除了以上混合儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部能量分配問題,文獻(xiàn)通過調(diào)整滑動(dòng)窗口寬度和蓄電池功率給定值補(bǔ)償系數(shù)的大小,使超級(jí)電容器儲(chǔ)能電量處于合理范圍;文獻(xiàn)[6,9-10]采用模糊控制以及文獻(xiàn)采用直接功率調(diào)節(jié)方式,防止儲(chǔ)能過充過放和功率越限;文獻(xiàn)控制超級(jí)電容儲(chǔ)能電量穩(wěn)定在SOC中值附近,優(yōu)化混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)能力。綜上所述,針對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本問題,例如,根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)特性和功率波動(dòng)情況進(jìn)行能量分配、各單元獨(dú)立的過充過放保護(hù)和最大功率限制等,已有一些研究成果;而對(duì)于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的深入研究,例如,系統(tǒng)內(nèi)部各單元之間的協(xié)調(diào)控制和系統(tǒng)整體性能的優(yōu)化方面,還鮮見報(bào)道。本文在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)已有研究成果和進(jìn)一步深入分析的基礎(chǔ)上,提出含儲(chǔ)能單元協(xié)調(diào)控制和儲(chǔ)能系統(tǒng)性能優(yōu)化的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)整體控制策略,并通過PSCAD仿真算例分析驗(yàn)證該策略的正確性。1儲(chǔ)能系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)存在多種系統(tǒng)結(jié)構(gòu),適合交流應(yīng)用模式的結(jié)構(gòu)有利于儲(chǔ)能的大規(guī)模使用,典型結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。以超級(jí)電容和鋰電池構(gòu)成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)為例,2種儲(chǔ)能系統(tǒng)通過交流側(cè)并聯(lián),根據(jù)功率型儲(chǔ)能和能量型儲(chǔ)能的不同特性,分別用于響應(yīng)高頻功率波動(dòng)和低頻功率波動(dòng),充分發(fā)揮超級(jí)電容響應(yīng)速度快、循環(huán)壽命長和鋰電池能量密度大的優(yōu)點(diǎn)。因此,針對(duì)功率波動(dòng)較大的超級(jí)電容儲(chǔ)能,由于組串電壓范圍寬,采用由三重化雙向DC/DC變換器和雙向并網(wǎng)變流器組成的兩級(jí)式控制結(jié)構(gòu);而對(duì)于所承擔(dān)功率波動(dòng)較慢變化的鋰電池儲(chǔ)能,由于組串電壓范圍較窄,采用單級(jí)式控制結(jié)構(gòu)。2種儲(chǔ)能系統(tǒng)本身的控制如附錄A所示。2作為主電源時(shí)維持總功率平衡在具體應(yīng)用中,混合儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)的功率指令PHESS可根據(jù)不同需求確定,例如,在平滑風(fēng)電出力中補(bǔ)償其中高頻分量、或在獨(dú)立微電網(wǎng)中作為主電源時(shí)維持系統(tǒng)功率平衡。為了盡可能滿足外界對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率需求,應(yīng)在高通濾波功率分配基礎(chǔ)上,基于鋰電池充放電狀態(tài)進(jìn)行超級(jí)電容儲(chǔ)能SOC調(diào)整以優(yōu)化整體調(diào)節(jié)能力,并進(jìn)行過充過放保護(hù)配合和最大功率限制配合,實(shí)現(xiàn)最大程度跟蹤PHESS指令,提高混合儲(chǔ)能系統(tǒng)整體性能,其整體控制流程和協(xié)調(diào)控制策略如圖2所示。2.1超級(jí)電容儲(chǔ)能的功率指令在混合儲(chǔ)能控制技術(shù)中,能量型儲(chǔ)能與功率型儲(chǔ)能的實(shí)時(shí)功率分配是首要問題,采用高通濾波器對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率指令PHESS進(jìn)行濾波得到其高頻波動(dòng)分量作為超級(jí)電容儲(chǔ)能的有功指令Pref_sc,再將高通濾波后的功率指令剩余部分作為鋰電池儲(chǔ)能的有功指令Pref_b。規(guī)定功率大于0表示放電,小于0表示充電,則混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配如式(1)和式(2)所示。式中:Tf為濾波時(shí)間常數(shù),根據(jù)超級(jí)電容需要平抑的功率波動(dòng)頻帶確定,常為秒級(jí)到分鐘級(jí)。從式(1)和式(2)可知,Pref_sc因PHESS的變化而快速變化,呈高頻波動(dòng),Pref_b則隨PHESS緩慢變化。2.2混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中,鋰電池由于循環(huán)壽命相對(duì)較短,要求其避免頻繁充放電切換,主要承擔(dān)系統(tǒng)功率指令中緩慢變化的非高頻波動(dòng)部分;超級(jí)電容雖可發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)承擔(dān)系統(tǒng)功率指令的高頻波動(dòng)部分,但能量密度低的缺點(diǎn)可能使其很快接近儲(chǔ)能電量上下限,從而影響控制效果。因此需2個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制,才能充分發(fā)揮混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能。當(dāng)超級(jí)電容儲(chǔ)能電量接近上限時(shí),放電能力強(qiáng),充電能力弱,對(duì)正向較大或驟增的PHESS響應(yīng)能力強(qiáng),但對(duì)負(fù)向較大或驟減的PHESS響應(yīng)能力較弱;同理,接近下限時(shí),充電能力強(qiáng),放電能力弱,對(duì)負(fù)向較大或驟減的PHESS響應(yīng)能力強(qiáng),但對(duì)正向較大或驟增的PHESS響應(yīng)能力較弱。2種情況下均可能需要以鋰電池輸出功率大幅度變化甚至切換充放電狀態(tài)為代價(jià)完成響應(yīng)。此外,若通過控制使超級(jí)電容儲(chǔ)能電量始終穩(wěn)定在中間點(diǎn),雖既能吸收能量,也能釋放能量,但相當(dāng)于容量減半。因此,提出基于鋰電池充放電狀態(tài)的協(xié)調(diào)控制策略:當(dāng)鋰電池放電(Pb>0)時(shí),使超級(jí)電容儲(chǔ)能電量保持在較低水平,即圖3(a)所示目標(biāo)區(qū)域[QSOCmin_sc,QSOCbd_sc],對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電需求響應(yīng)以鋰電池為主、超級(jí)電容為輔,對(duì)充電需求響應(yīng)以超級(jí)電容為主、鋰電池為輔;同理,當(dāng)鋰電池充電(Pb<0)時(shí),使超級(jí)電容儲(chǔ)能電量保持在較高水平,即圖3(b)所示目標(biāo)區(qū)域[QSOCbc_sc,QSOCmax_sc],對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電需求響應(yīng)以鋰電池為主、超級(jí)電容為輔,對(duì)放電需求響應(yīng)以超級(jí)電容為主、鋰電池為輔。采用該協(xié)調(diào)控制策略,進(jìn)行2種儲(chǔ)能之間的狀態(tài)配合,可以進(jìn)一步發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。結(jié)合式(1)分析可知,具體實(shí)現(xiàn)方式如下。(1)當(dāng)Pref_b>0且QSOCsc>QSOCbd_sc時(shí),判斷Pref_sc是否大于0,若Pref_sc>0,則Tf=Tf+ΔTf;若Pref_sc<0,則Tf=Tf-ΔTf。(2)當(dāng)Pref_b<0且QSOCsc<QSOCbd_sc時(shí),判斷Pref_sc是否大于0,若Pref_sc>0,則Tf=Tf-ΔTf;若Pref_sc<0,則Tf=Tf+ΔTf。在Tf允許范圍內(nèi)采用以上方法進(jìn)行多次調(diào)整以使超級(jí)電容處于目標(biāo)區(qū)域,優(yōu)化混合儲(chǔ)能系統(tǒng)整體調(diào)節(jié)能力。2.3過充保護(hù)協(xié)調(diào)控制過充過放會(huì)對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備造成很大的傷害,為了保護(hù)儲(chǔ)能設(shè)備,在儲(chǔ)能電量較少時(shí)限制其放電功率,達(dá)到電量下限時(shí)不再放電,而在儲(chǔ)能電量較多時(shí)限制其充電功率,達(dá)到電量上限時(shí)不再充電。設(shè)置防止過充過放SOC保護(hù)閾值,如圖4所示。表1為過充過放保護(hù)協(xié)調(diào)控制結(jié)果,為了便于分析,規(guī)定“+”“-”分別代表放電和充電,“C”“N”和“D”分別代表過充警戒區(qū)域、正常區(qū)域和過放警戒區(qū)域。分析可知:若處于“+Db”或“+Dsc”狀態(tài)時(shí),需進(jìn)行過放保護(hù)控制,功率調(diào)整如式(3)所示;若處于“-Cb”或“-Csc”狀態(tài)時(shí),需進(jìn)行過充保護(hù)控制,功率調(diào)整如式(4)所示。表1中,對(duì)于第5,6組,狀態(tài)為“+D”的儲(chǔ)能元件輸出功率為正,且進(jìn)行保護(hù)控制后功率數(shù)值減小(即放電功率減小),可表示為PD=PD0-|ΔPD|;狀態(tài)為“-C”的儲(chǔ)能元件輸出功率為負(fù),且進(jìn)行保護(hù)控制后功率數(shù)值增大(即充電功率減小),可表示為PC=PC0+|ΔPC|。為保持混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)能力,取2個(gè)儲(chǔ)能元件功率調(diào)整量的絕對(duì)值相同,均為|ΔP|=0.5(|ΔPD|+|ΔPC|)。結(jié)合圖4可知,混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中鋰電池和超級(jí)電容的SOC所處區(qū)域有9種不同的可能,再考慮2種儲(chǔ)能的充放電狀態(tài),則混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的過充過放保護(hù)協(xié)調(diào)控制將面臨36種不同的情況。通過分類簡化處理,可將需進(jìn)行過充過放保護(hù)協(xié)調(diào)控制的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)所處狀態(tài)分為:(1)僅需過放保護(hù)控制,如表1中的第1,2組;(2)僅需過充保護(hù)控制,如表1中的第3,4組;(3)同時(shí)進(jìn)行過充過放保護(hù),如表1中的第5,6組;(4)同時(shí)進(jìn)行過充保護(hù)控制或同時(shí)進(jìn)行過放保護(hù)控制,如表1中的第7,8組。當(dāng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)沒有處于表1所含狀態(tài)時(shí),無需進(jìn)行過充過放保護(hù);否則,根據(jù)表1中相應(yīng)的公式對(duì)2種儲(chǔ)能進(jìn)行功率指令調(diào)整,實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的過充過放保護(hù)協(xié)調(diào)控制。2.4功率指令混合儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)盡可能滿足外部系統(tǒng)對(duì)它的功率需求,僅在蓄電池和超級(jí)電容同時(shí)達(dá)到充電功率限值或放電功率限值時(shí),混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)要求承擔(dān)的功率的響應(yīng)能力不足,需修改混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率指令,即按混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大充電功率或最大放電功率進(jìn)行。否則,鋰電池或超級(jí)電容功率越限時(shí),則固定在限值處,越限部分可由另一儲(chǔ)能分擔(dān)(分擔(dān)后容量和功率需在允許范圍內(nèi),否則不協(xié)助承擔(dān)或降額),輸出功率控制結(jié)果如表2所示。3pscad仿真在PSCAD/EMTDC中搭建混合儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真模型,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,鋰電池模型采用通用等效模型,超級(jí)電容模型采用一階線性RC模型。仿真中,超級(jí)電容狀態(tài)調(diào)整控制閾值QSOCbd_sc=0.4,QSOCbc_sc=0.7,鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要參數(shù)如表3所示。設(shè)定高通濾波時(shí)間常數(shù)初值Tf0=50,Tf可在20~80范圍內(nèi)變化,鋰電池和超級(jí)電容的SOC初始值均為0.8,通過充放電功率實(shí)時(shí)計(jì)算SOC:在仿真研究中,設(shè)定2個(gè)對(duì)比方案:方案1為基本控制方案,采用高通濾波功率分配,對(duì)鋰電池和超級(jí)電容分別獨(dú)立地進(jìn)行過充過放保護(hù)控制和最大充放電功率限制控制;方案2為本文所提出的控制方案,即綜合考慮高通濾波功率分配、狀態(tài)調(diào)整、過充過放保護(hù)配合和最大功率限制保護(hù)配合;其他條件均相同。采用上述2種控制方案進(jìn)行PSCAD仿真,相關(guān)仿真波形如圖5—圖7所示。由圖5分析可知,與方案1相比,通過改變?yōu)V波時(shí)間常數(shù)(如附錄B圖B1)調(diào)整超級(jí)電容SOC,以及進(jìn)行過充過放保護(hù)配合與最大功率限制保護(hù)配合,方案2中混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)能力更佳,能更好地完成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率指令。方案1中混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率指令跟蹤較差主要緣于控制策略本身的問題;同時(shí),參數(shù)設(shè)置也有一定的影響,但相對(duì)于控制策略其影響非常小(分析見附錄B)。結(jié)合圖6、圖7進(jìn)一步分析可知,超級(jí)電容和鋰電池在2種方案中均分別承擔(dān)功率指令的高頻波動(dòng)分量和非高頻波動(dòng)分量,符合其各自的儲(chǔ)能特性。但方案1中超級(jí)電容由于沒有采用有序控制并與鋰電池進(jìn)行配合,從而導(dǎo)致其SOC經(jīng)常性處于上下限,使得其參與系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)的能力大幅下降。相比之下,采用方案2對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行狀態(tài)調(diào)整以及2種儲(chǔ)能配合,使超級(jí)電容始終保持一定的功率調(diào)節(jié)能力,從而提高混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體性能。同時(shí),采用方案2后,由于鋰電池需要在狀態(tài)調(diào)整、過充過放保護(hù)和最大功率限制控制時(shí)與超級(jí)電容進(jìn)行協(xié)調(diào)配合,導(dǎo)致鋰電池充放電功率不如基本控制時(shí)平滑。結(jié)合附錄B圖B2可知,超級(jí)電容調(diào)節(jié)能力和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)整體性能的提高,需要鋰電池承擔(dān)混合儲(chǔ)能