中國儲能網(wǎng)訊：哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動化學(xué)院、中國石油裝備制造分公司的研究人員王煒信、段建東等，在2015年第23期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，基于下垂控制策略的蓄電池儲能量管理方案被廣泛應(yīng)用于孤島電網(wǎng)，但在放電過程中并聯(lián)蓄電池儲能設(shè)備相互間將出現(xiàn)電荷狀態(tài)(State of Charge，SOC)差異，使某些儲能設(shè)備提前退出運(yùn)行，顯著削弱了系統(tǒng)穩(wěn)定性。
針對上述問題，提出了一種適用于多儲能設(shè)備的SOC一致性控制策略并進(jìn)行優(yōu)化。將SOC作為下垂控制器輸入量，根據(jù)SOC實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)儲能設(shè)備的輸出功率，使并聯(lián)儲能設(shè)備的SOC在放電過程中逐漸趨于一致;進(jìn)而在孤島電網(wǎng)頻率偏移約束以及逆變器最大輸出有功功率限制下對加速因子進(jìn)行在線優(yōu)化，顯著減小了并聯(lián)蓄電池儲能設(shè)備間SOC最終差值，達(dá)到更佳的均衡效果。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了SOC一致性優(yōu)化控制策略理論分析的正確性和實(shí)現(xiàn)方案的有效性。
隨著可再生能源構(gòu)建的孤島電網(wǎng)逐漸增多，針對其核心技術(shù)的研究不斷深入。在孤島電網(wǎng)運(yùn)行中，由于可再生能源的輸出功率具有間歇性與隨機(jī)性特征，其安全性與可靠性較弱[1-6]。
因此，孤島電網(wǎng)除發(fā)電系統(tǒng)外還需配置一定容量的儲能環(huán)節(jié)，以協(xié)調(diào)發(fā)電與用電之間的功率平衡，維持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。蓄電池因其可靠性高，成本低，技術(shù)成熟，能量密度大的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于儲能環(huán)節(jié)[7-10]，成為孤島電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的首選。
國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者在蓄電池儲能設(shè)備(Battery Energy Storage Device, BESD)的容量規(guī)劃[5]、配置方式[6-8]、控制策略[9,10]等方面進(jìn)行了大量研究工作并取得了一些成果。
上述研究成果主要針對儲能環(huán)節(jié)總體能量規(guī)劃與全系統(tǒng)控制，對于儲能環(huán)節(jié)內(nèi)分布式并聯(lián)儲能設(shè)備的功率負(fù)荷平衡分配與協(xié)調(diào)控制目前研究較少。為提升孤島電網(wǎng)儲能環(huán)節(jié)有效容量與補(bǔ)償能力，將可靠性高、易于擴(kuò)容、系統(tǒng)控制簡單的無連線下垂控制策略引入到孤島電網(wǎng)并聯(lián)儲能設(shè)備的協(xié)調(diào)控制中[11-16]。
在理想放電過程中，下垂控制應(yīng)可使各并聯(lián)BESD中SOC時(shí)刻處于均衡狀態(tài)。但下垂控制器中功率環(huán)只對有功功率低頻分量加以調(diào)節(jié)，無法精確控制各儲能設(shè)備輸出的瞬時(shí)功率。同時(shí)，不同BESD內(nèi)蓄電池特性、硬件參數(shù)、控制器精度等不一致，也造成在放電過程中并聯(lián)儲能設(shè)備間出現(xiàn)SOC差異。
由于傳統(tǒng)下垂控制策略并未對SOC均衡問題采取措施，導(dǎo)致其中部分儲能設(shè)備因其SOC過低而先退出工作，電網(wǎng)負(fù)荷功率在剩余BESD間重新平衡，引起孤島電網(wǎng)頻率波動。
同時(shí)，若剩余的BESD受接口逆變器容量限制，無法足量的滿足負(fù)荷功率平衡需求，孤島電網(wǎng)只能甩掉部分負(fù)荷，以維持基本運(yùn)行。因此，如能在下垂控制中引入具有改善多儲能設(shè)備SOC一致性功能的控制環(huán)節(jié)，可以充分利用所配置的BESD容量，擴(kuò)展功率平衡的時(shí)間和提升功率平衡的能力，對保證孤島電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。
為了實(shí)現(xiàn)各儲能設(shè)備間協(xié)調(diào)控制，文獻(xiàn)[15、16]通過儲能環(huán)節(jié)多層通信進(jìn)行下垂控制，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)儲能設(shè)備間SOC均衡控制，使儲能設(shè)備在放電過程中SOC趨于一致，但這些通信組件必然降低設(shè)備整體可靠性。
文獻(xiàn)[17]采用無通信環(huán)節(jié)的下垂控制策略，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)蓄電池儲能設(shè)備間SOC均衡控制。但該方案控制參數(shù)需在固定的負(fù)荷功率與蓄電池初始SOC誤差下求取，因此在運(yùn)行狀態(tài)具有顯著隨機(jī)性與不確定性的孤島電網(wǎng)中的適用性有所欠缺。
本文針對孤島電網(wǎng)中采用傳統(tǒng)下垂控制的并聯(lián)BESD放電過程中SOC不均問題，提出一種多儲能設(shè)備SOC一致性控制策略并進(jìn)行優(yōu)化。首先，將BESD中SOC作為下垂控制器輸入之一，協(xié)調(diào)控制并聯(lián)BESD間SOC，在放電過程中實(shí)現(xiàn)動態(tài)均衡;在此基礎(chǔ)上，提出一種納入系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的加速因子在線優(yōu)化方法，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)有功下垂因子指數(shù)項(xiàng)，在約束條件下提升了下垂控制器均衡并聯(lián)BESD間SOC的能力;最后通過仿真與實(shí)驗(yàn)對控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。
圖2 多儲能系統(tǒng)SOC一致性優(yōu)化控制策略框圖
結(jié)論
為了進(jìn)一步提升并聯(lián)BESD的補(bǔ)償能力，本文提出一種基于蓄電池能量存儲設(shè)備中SOC構(gòu)建的多儲能設(shè)備SOC一致性優(yōu)化控制策略，使并聯(lián)BESD在滿足孤島電網(wǎng)負(fù)荷需求的前提下，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)BESD間SOC動態(tài)均衡;在結(jié)合下垂控制器約束及逆變器運(yùn)行參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，提出一種實(shí)時(shí)在線優(yōu)化加速因子n的控制方案，進(jìn)一步改善本文所提下垂控制器在約束條件下SOC均衡效果。
仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提控制算法能夠有效降低并聯(lián)BESD間SOC差異，顯著提升剩余能量均衡度。(本文有縮減)
原標(biāo)題:孤島電網(wǎng)中多儲能設(shè)備SOC一致性優(yōu)化策略
