考虑电池荷电状态的光伏功率分段平滑控制方法

第 38 卷 第 7 期 电 网 技 术 Vol. 38 No. 7 2014 年 7 月 Power System Technology Jul. 2014 文章编号 1000-3673（ 2014） 07-1812-07 中图分类号 TM 615 文献标志码 A 学科代码 470 4051考虑电池荷电状态的光伏功率分段平滑控制方法叶林，陈政，赵永宁（中国农业大学 信息与电气工程学院，北京市 海淀区 100083）A Segmented Smoothing Control Method for Photovoltaic Power Considering Battery ’ s State of Charge YE Lin, CHEN Zheng, ZHAO Yongning College of Information and Electrical Engineering, China Agricultural University, Haidian District, Beijing 100083, China ABSTRACT In allusion to the fluctuation of photovoltaic PV generation output, combining with short-term prediction of PV generation a segmented smooth control method, which is composed of the charging/discharging power control of battery energy storage system BESS based on the feedback of battery’ s state of charge SOC and the double loop control of grid-connected inverters of BESS, for grid-connection of PV generation with BESS is proposed. According to the predicted power and the requirement of the smoothness of grid-connected power the objective values of grid-connected power in each segment are set. On the basis of considering the maximum power constraint of BESS, the constraint of SOC and the constraint of the maximum amplitude variation of grid-connected power within one minute, the real-time adjustment of charging/discharging power of BESS is carried out to achieve a smoother grid-connected power. Simulation results show that comparing with daily scheduling the requirement on the capacity of BESS can be decreased by using the segmented scheduling, and the time exceeding normal working hours of battery ’ s SOC can also be reduced by the adopted feedback control of SOC, thus the over-charging/over-discharging of batteries can be avoided. KEY WORDS photovoltaic generation; power fluctuation; battery model; state of charge; segmented smoothing control 摘要 针对光伏发电系统出力波动问题， 结合光伏功率短期预测技术，提出电池储能的光伏并网功率分段平滑控制方法，包括基于电池荷电状态 state of charge， SOC反馈的储能系统充放电功率控制和储能系统并网变流器的双环控制。根据功率预测值和并网功率平滑度的要求设定各分段并网功率目标值。在考虑储能系统最大功率约束、 SOC 约束和并网功率 1 min 内最大变化幅值约束基础上， 对储能系统的充放电功率进行实时调节，从而 得到较为 平滑的并网功率。仿真 结 果表明 ， 相比 于 日 调度， 分段调度 降低了 对储能系统基金项目 教育部高等学校博士学科点专项科研 基 金 博导类 项 目资助 20110008110042。Project Supported by Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education 20110008110042。容量 的 需 求， 所采用 的 SOC 反馈控制 也减少了 电池 SOC 超出 正常工作区间 的时 间 ， 避免了 电池的 过 充和 过 放。关键词 光伏发电 ； 功率波动 ； 电池 模型； 荷电状态 ； 分段平滑控制DOI 10.13335/j.1000-3673.pst.2014.07.0150 引言太阳 能 凭借其无污染 、 无温室效应 、 无噪声 、可靠 、 寿命长等优点成为了理想 的 可持续 能 源 [1-2] ，但太阳辐射强 度的 随机 波动 性限 制 了 光伏发电的大 规模 发 展 。 随着越来越多 的 兆瓦级 光伏电 站投入电网 运 行， 该 问题对电力系统的调度 管 理 和 运 行 稳定 带 来 诸 多 问题 [3-5] 。 因此 ， 有必 要 采 取 相应 的技术优 化 当前 的光伏发电系统，平滑 其 功率波动，从而提 高 电力系统的 安全 性 和 稳 定 性 。目 前 ，平滑功率波动的方法 主 要 有卸除负 荷、限 制功率和储能 等 技术 [6-8] 。 近 年 来 ， 随着 储能技术的 快速 发 展 ， 利 用 储能系统 抑 制光伏发电功率波动的储能控制方法 得到 众 多学 者 的 青睐 。根据电力调度 部 门 对光伏电 站 并网功率的要求 可 知 ，储能系统的功能定 位有以下 2 种 1） 以 光伏电 站输 出功率波动的变化率 或 变化幅值 为 评价指 标，而 不 限 制电站输 出功率大 小 ； 2） 以给 定光伏电 站 出力 曲线 为目标， 通 过 电 站与 储能系统 配 合 运 行 使 其 满足曲线要求。 文献 [8]提出基于 低 通滤 波 原 理 的储能控制方法， 通 过 储能系统 补偿风 电功率 中 的 高 频 分 量 ， 得到较为 平滑 输 出功率 ；但 此 方法 容 易造 成 电池的 过充 或 过 放， 降低了 电池的 使 用寿命 。 文献 [9]在基 本平滑控制方法的基础上， 引入 电池荷电状态的反馈控制， 减少 电池荷电状态 超 出 正常 范围 的 几 率， 但此 时储能 补偿 效果 有 所减 弱 。 文献 [10]考虑 了 电池使 用寿命等 约束 条件 ，提出基于实测电池荷电状态的 自适 应 变化 滤 波时 间常 数 储能控制方法， 使 荷电第 38 卷 第 7 期 电 网 技 术 1813 状态 保 持 在 限 定 范围 内，从 整体 上对光伏 输 出功率进行平滑， 但 在荷电状态 超限 后 电池 不 能 快速恢复至 正常 状态。 文献 [11] 结合 混 合储能 元件特 性 ，提出 一种 电流 滞 环控制 蓄 电池的充放电、 超 级 电 容 提供差 值功率的能 量 管 理 方 案 ；但 该 方法 只 针对于 独立 光伏 微 网系统，而 且 超 级 电 容 储能 容量 通 常较低 ， 成 本 较高 。 文献 [12] 针对 风 光储 互 补 发电系统的功率波动提出双 层 结 构 控制方法， 通 过 实测功率和 蓄 电池状态对 蓄 电池充放电功率进行 修 正 ， 给 每个 电池储能系统分 配 功率值，实 现 多 能 互 补 发电平滑 输 出 ；但 该 方法对 每个 电池系统 配 备 变流器，控制 较为 复 杂 。 文献 [13] 针对 由 光伏发电系统和 蓄 电池 组 成 的 微 电网， 采用多 种 群 实 编码 的 遗传算 法对动态 经济 调度 模型 进行求 解 ， 得到成 本 最 低 的 运 行方 案 ， 但 没 有 建立 光 蓄 微 电网 详细 模型 。本 文 针 对 光 伏 发 电 系 统 和 电 池 储 能 系 统battery energy storage system， BESS，在电池荷电状态 state of charge， SOC约束、充放电功率约束和并网功率波动约束 下 ，结合光伏短期功率预测技术，提出光伏并网功率的分段平滑控制方法。 该 方法 利 用 预测法 得到 各分段平 均 功率值，根据平滑要求设定光伏电 站 目标 输 出功率， 由 SOC 大 小 实时调 整 BESS 充放电功率， 通 过 变流器控制实 现 BESS和电网 之 间 进行双 向 能 量 传递 ，实 现 光伏并网功率的平滑 输 出。1 功率平滑系统的结构针对光伏发电 输 出功率波动 性 大和 随机性强的 特 点 ，在光伏电 站 附 近配 置 一 定 容量 的储能系统， 可 以 提 高 电网 接纳 光伏发电的能力。储能系统的 安 装 可 以 采用 集 中 和分 散 2 种 接 入 方 式 [10] 。 对于大 规模 光伏电 站 ， 由 于 不 同 光伏 组 件 的 输 出功率 存在 一 定的 随机 互 补 性 ， 有利 于 降低 光伏电 站 的 总 功率波动， 采用 集 中 接 入 方 式 较 分 散接 入 方 式 所需 的容量 更 小 ，而 且便 于 管 理 。 图 1 为 集 中 式 储能的并网光伏电 站 系统结 构 ，储能系统 由 蓄 电池 组 、Boost/Buck 斩 波电 路 和双 向 DC/AC 变流器 组 成 ，该 储能系统 与 光伏电 站 并 联 在 公共母 线 处 ， 经 变 压器 后 接 入 电网。由 能 量 守恒 定 律 知PV BES g 0P P P - 1 式 中 PPV 为 光伏电 站输 出功率 ； PBES 为 电池储能系统 输 出功率 ； Pg 为 光伏电 站 并网功率，各 单 元 功率 正 方 向见图 1。 若 PBES 为正 ， 则 表 示 电池储能系统 处 于放电状态 ； 若 为 负 ， 则 表 示 电池储能系统 处于充电状态。380 V/10 kV光伏电 站蓄 电池PPV PCCPgPBES电网DC/DC DC/ACBoost/Buck图 1 光伏功率平滑系统结构Fig. 1 Structure of PV power smoothing system 2 并网功率的目标输出及约束2.1 并网功率的目标输出平滑功率波动技术的基 本 思路是 通 过 调节光伏电 站 和储能系统的功率 输 出 来 实 现 预设的控制目标。 该 目标的设定方 式决 定 了 平滑控制方法和储能容量 的大 小 ， 当前 采用 的 主 要方法 是 通 过 滑动平 均滤 波 滤除 功率的 高 频 分 量 ，从而 得到 光伏电 站 的并网功率目标 输 出。 虽然 该 方法 所需 储能 容量较 小 ，但 由 于 太阳辐射强 度 存 在的 未 知 性 ，并网功率 仍 有很 大的 不 确 定 性 ， 从而 增加 了 电力系统调度的 难 度。由 于 受 到太阳辐射强 度的 影响 ，光伏 日 输 出功率 整体 呈现单峰 状 或 多 峰 状， 其 波动 范围 较 大，最小 时 无 功率值 输 出，最大时 甚 至 达 到 光伏电 站 的 额定功率值。 若 采用 恒 功率 作为 目标 输 出， 则 系统 需要 较 大 容量 的储能 装置 ， 这 给 电网 经济 运 行 带 来 很大 挑战 。为 保 证 光伏功率的 可 调度 性 和电网 运 行的 经济 性 ， 本文 从 2 方 面 对光伏电 站 的 日 并网功率目标进行设定 1）考虑 到日 调度的目标 输 出值和各时刻 实 际 功率 输 出值的 误 差 偏 大， 采用 分段调度控制方法， 缩 短调度时 间 周 期，从 整体 上 减少 目标值 与实 际 值的 误 差 ； 2）考虑 到 电网对光伏电 站 功率波动的 可 接受程 度，设 置 光伏功率平滑度系 数 ，控制光伏并网功率 保 持 在 某 范围 内 [14] 。 本文以 1 h 为 分段时 间 周 期， 将 小 时光伏功率预测的平 均 值 作为 参考基 准 ，根据光伏功率的平滑度要求 β 设定平滑功率上 下 限 值， 得到 光伏电 站 目标 输 出功率， 见图 2。定 义 平滑度 为smax smin smin[ / ] 100P P Pb - ′ 2 时 间功率PPV时 间 周 期 TPave￡图 2 光伏电站目标输出功率Fig. 2 Target output power of PV station 1814 叶林 等 考虑电池荷电状态的光伏功率分段平滑控制方法 Vol. 38 No. 7 式 中 Psmax 和 Psmin 分 别 为 某 分段目标功率平滑上 下限 值。设 PavePsmaxPsmin/2 为 该 分段的平 均 预测功率， 则smax avesmin ave[1 / 2 ][1 / 2 ]P PP Pb bb b - 3 PSET 为 光伏电 站 并网功率的目标 输 出， 满足,smax PV smaxSET PV smin PV smaxsmin PV smin,,P P PP P P P PP P P 4 当 光伏 输 出功率大于设定平滑功率上 限 值时，对电池充电， 以 平滑功率上 限 值 输 出 ； 当 光伏 输 出功率 小 于设定平滑功率 下 限 值时，对电池放电， 以平滑功率 下 限 值 输 出 ； 否 则 电池 退 出 运 行， 以 实 际功率值 输 出。光伏功率平滑度系 数 的 选 取与 光伏 接 入 电网的调 峰 能力和储能系统 容量 有 关 。平滑度系 数 越小 ，光伏并 入 电网的功率波动 范围 就 越 小 ，电网调峰 能力 也越 小 ， 但所需 的储能系统 容量越 大，反 之亦 然 。 本文 设定平滑度系 数 为 10进行 仿真 验 证 。2.2 并网功率约束在光伏电 站 并网 过 程 中 ，光伏电 站 的并网功率变化 应 当满足 电力系统 安全稳 定 运 行的要求， 因此需 要对并网功率进行约束。考虑 到 蓄 电池的 工作 条件 及 状态， 选择 BESS 最大充放电功率、电池荷电状态和并网功率 1 min 内最大变化幅值 为 约束目标， 具 体 为BES,rated BES BES,ratedSOCg g 1 PV,rated 0 1max 1, min 1, P P t PS tP t t P t t Pl- ￡ ￡ ￡ ￡ - - - ￡5 式 中 PBES,rated为 电池储能系统的 额 定充放电功率 ；SSOCt为 电池 工作 的荷电状态大 小 ； Pgt- 1, t为 1 min 内并网功率值 集 合 ； PPV,rated 为 光伏电 站 额 定功率 ； λ 1 为 爬坡 约束系 数 。 参 考 中 华人民 共 和 国国家标 准 风 电 场 接 入 电力系统技术 规 定 对 风 电 场 输出功率变化率的 规 定， 本文 选 取 在 1 min 内功率最大变化幅值 不 超过 总装 机容量 的 2， 即 λ 12 。3 电池储能系统建模及控制3.1 蓄电池仿真模型电池储能系统 主 要 由 蓄 电池 组 、变流器和控制系统 组 成 ， 由 于 响 应 时 间 短、 单 位体 积 小 、系统设计灵活 性 大、 适 用 范围 广 等 特 点 ， 是 目 前 比较 经济和 容 易 实 现 的储能技术，在 可 再生 能 源 领域获 得 广泛 的 应用 [15] 。根据 研 究 的对 象 和 机理 不 同 ， 蓄 电池 模型 主 要分 为 电化 学模型 、 热 模型 和电 性 能 模型 。电化 学模型 基于电化 学理 论 并 采用 数 学 方法 描述 电池内 部的反 应过 程 ， 应用 于电池 生产 、制 造 等 领域 ； 热 模型 的基 本 理 论 基础 是 电池的电能、化 学 能、 热 能 相互 转 化和能 量 守恒 的 原 理 ， 主 要 研 究 电池的 生热 、传 热 过 程 ； 电 性 能 模型 描述 电池 工作 时的 外 特 性 ，即 电池在 使 用过 程 中 充放电电 压 、电流、 剩余 容量等 的变化， 是 电池 应用 领域 所 广泛 使 用 的 模型 。 文献 [16] 将 电池 模型等效为 受 控电 压 源 和内 阻 的 串联 ， 只 需 根据电池的放电 曲线 就 可 确 定 模型 的 参数 ， 可 适 用 于 多 种 电池 ；但 该 模型 中 容量 计 算 采用简 单 的 安 时 积 分， 精 确 度 不 高 。在 此 基础上， 本文综 合考虑充放电电流、 温 度、 自 放电 等 因 素 对 蓄 电池荷电状态的 影响 ， 建立 了 适 用 于电力系统控制的蓄 电池 通 用仿真模型 。电池 模型 原 理 如 图 3 所 示 ， 模型 中 R 为 蓄 电池内 阻 ， Ub 为 蓄 电池 端 电 压 ， I b 为 蓄 电池充放电电流，以 放电电流方 向 为正 ， Eb 为可 控电 压 源 电 压 。 Eb和 Ub 的 表 达式 为SOC1 b 0 SOC/ eBQ SE E K S A - - - 6 b b bU E RI - 7 式 中 E0 为 电池电 压 常 数 值， V ； K 为 极 化电 压 ，V ； A 为 指数 区间 电 压 降 落 值， V ； B 为 指数 系 数 ；Q 为 电池 额 定 容量 ， A h。 相 关参 数 计 算 在 文献 [16]中有 详细 介绍 ，在 此不 再赘述 。受 控电 压 源RSSOCIbEbU b--SOC1 b 0SOC1 e BQ SE E K AS- - - 图 3 电池模型原理图Fig. 3 Diagram of battery model 电池荷电状态 用来 反 映 电池的 剩余 容量 ， 其 数值上定 义 为 电池 剩余 电 量 占 电池 容量 的 比 值。目 前对 SOC 的 估 算 方法 主 要 有安 时 积 分法、 开 路 电 压法、测 量 内 阻 法、 模 糊推 理 和 神 经 网 络 法、 卡尔曼滤 波法 等 。 本文 采用 修 正 系 数 的 安 时 积 分法对 SOC进行 估计 。0 0SOC SOC,0 1 2 b disd / dt tt tS S K K I t Q k t - - 8 式 中 SSOC,0 为 电池的 初始 荷电状态 ； kdis 为 自 放电系 数 ； K1 为 库伦 效 率系 数 ； K 2 为温 度系 数 。11 B / nK I I - 9 2 T B1/ [1 ]K k T T - 10 第 38 卷 第 7 期 电 网 技 术 1815 式 中 I 为 电池充放电电流的 绝 对值， A； I B 为 标 准充放电电流值， A； n 为 库伦 效 率 相 关 系 数 ； kT 为温 度系 数 ； T 为 蓄 电池 温 度， ℃ ； TB 为 标 准 温 度，25℃ 。以 IFP8081230-10Ah 锂 电池电 芯 为 例 ，根据电池的放电 曲线 求出 模型 的 相 关参 数后 ， 搭 建 上 述 仿真模型 。 不 同 电流放电时的电 压 曲线 见图 4， 其 中C 代 表容量 的 安 时 数 。0 2.81 2 3 4 5 3.03.23.43.63.8时 间 /h 电池电压/V0.2C1C0.5C图 4 不同电流放电仿真结果Fig. 4 Simulation results of different current discharge 3.2 基于 SOC 反馈的 BESS 充放电功率控制储能控制的 关键 问题在于电池的 使 用 和 管 理技术， 也 就 是 对电池的 运 行状态进行动态 监 控， 精确 测 量 电池的 剩余 电 量 ， 同 时对电池进行充放电 保护 ，并 使 电池 工作 在最 佳 状态， 达 到 延 长其 使 用寿命 、 降低成 本 的目的，进 一 步 提 高 电池的 可靠性 。因此 需 要在 SOC 偏 高 或 偏 低 时 采 取 相应 措施 ， 使得 电池 长 期 工作 在 正常区间 范围 内 [17]。图 5 为 基于 SOC 反馈调节的平滑控制 框 图 ，光伏电 站 的 输 出功率 PPV 和目标 输 出功率值 PSET 的差 值 作为 BESS 目标 输 出功率， 根据实测的 SOC 值和电池 工作 状态调 整 功率 增 益 系 数 KSOC， 经 功率 限幅器 后 得到 并网功率 参 考值 Pg,ref， 由 此 求 得 1 min内功率最大变化值， 通 过比 率 限 制器调节 后 得到BESS 输 出功率 参 考值 PBES,ref， 应用 于 蓄 电池 侧 变流器的控制系统。图 6 将 SOC 分 为 5 个 区间 ，分 别 为过 放 区间 、较低区间 、 正常区间 、 较高区间 和 过 充 区间 。 其 中 ，KSOCSSOC计 算限 幅器PPVPBES,ref比 率 限 制器PSET Pg,ref限 幅器图 5 基于 SOC 调节的控制框图Fig. 5 Control method based on SOC adjustment 100SSOC,min SSOC,max0 SSOC,low SSOC,high正常 较高 过 充较低过 放图 6 SOC 限值分类Fig. 6 Limit classification of SOC SSOC,high 和 SSOC,low 分 别 为 电池 正常工作 时的 SOC 上下 限； SSOC,max 为过 充 区间 和 较高区间 的 临界 值 ；SSOC,min 为过 放 区间 和 较低区间 的 临界 值。 当 SOC 处于 正常区间 [SSOC,low, SSOC,high]时，电池 工作 于最 佳 充放电 模 式 ； 当 SOC 处 于 较高区间 SSOC,high， SSOC,max]时，电池 工作 于放电 优 先 ， 限 制充电 模 式 ， 适当 减少 充电功率 避免 SOC 快速 上 升 ； 当 SOC 处 于 过 充区间 SSOC,max, 100]时， 电池 工作 于 只 放电 不 充电 模式 ； 当 SOC 处 于 较低区间 [SSOC,min， SSOC,low时，电池 工作 于充电 优 先 、 限 制放电 模 式 ， 适当 减少 放电功率 避免 SOC 快速下 降； 当 SOC 处 于 过 放 区间 [0，SSOC,min 时，电池 工作 于 只 充电 不 放电 模 式 。图 7 为 充放电状态 下 功率 增 益 系 数 K SOC 变化曲线 。在 过 渡 区间 内， 为了 有 更 好 的平滑 效果 ， 采用 Sigmoid 函 数 对 其 控制，对 SOC 值进行 修 正 。0 SSOC,min SSOC,low SSOC,high SSOC,max 10010KSOC充电 放电SSOC图 7 充放电状态下 KSOC变化曲线Fig. 7 Curve of KSOC under charge and discharge states 充电状态 下 ，chSOC,max SOCSOC,high SOC SOC,maxSOC 10 0.5SOC SOC,high0, 1001 ,1e1, 0xS SK S S SS S- -￡ ￡ ￡ ￡11 SOC SOC, max SOC, high SOC, maxch / x S S S S - - 12 放电状态 下 ，dhSOC SOC,minSOC SOC,min SOC SOC,low10 0.5SOC,low SOC0, 01 ,11, 100xS SK S S SeS S- -￡ ￡ ￡ ￡13 SOC SOC,min SOC, low SOC,mindh / x S S S S - - 14 根据 SOC 大 小 和电池 工作 状态 直 接 调 整 KSOC，从而 间 接 分 配 充放电功率， 有 效减少了 电池 超 出SOC 正常工作区间 的时 间 ， 避免了 电池的 过 充和 过放， 同 时 也 保 证 了 平滑 效果 。3.3 BESS 变流器控制本文 采用 的储能变流器 为 两 级 结 构 ， 蓄 电池 侧DC/DC 直 流变 换 器 将 电池电 压 升 压 至 直 流 母 线 电压 ，电网 侧 DC/AC 变流器 将 直 流 母 线 电 压 逆 变 为三 相 交 流电网电 压 。蓄 电池 侧 控制系统 采用 功率 外 环、电流内环的1816 叶林 等 考虑电池荷电状态的光伏功率分段平滑控制方法 Vol. 38 No. 7 双 闭 环控制结 构 ， 如 图 8 所 示 ， 其 中 ， K P、 K I 为PI 控制器的 比 例 系 数 和 积 分系 数 。 功率 外 环 将 电池输 出功率 参 考值 PBES,ref 和实 际 功率值 PBES 比较 ，经 PI 调节器和 限 幅 后 得到 电池 工作 电流 参 考值I bref。电流内环 作用 是 使 电池实 际 的 工作 电流 I b 跟踪 外 环 给 定的电流 参 考值 I bref。最 后 将 得到 的控制信号 I b,ref 和 载 波 信号 比较得到 PWM 开关 的 驱 动 信号 ，实 现 功率的双 向传递 。IbrefK P sK IPBES,refPBES IbI b,refK P sK I比较器载 波图 8 蓄电侧变流器控制原理Fig. 8 Control principle of BESS-side converter 网 侧 逆 变器 采用 网 侧 电 压 定 向 的电流控制 策略 [18] ， 由 电 压 外 环、电流内环的双 闭 环结 构组 成 ，如 图 9 所 示 。电 压 外 环控制目的 是 保 持 直 流电 压 的稳 定，电流内环对 交 流 侧 输入 进行控制，并实 现 功率 因数 可 控 运 行。 usa、 usb、 usc， isa、 isb、 isc分 别 为逆 变器网 侧 电 压 、电流测 量 值， 经 过 坐 标变 换 得到网 侧 电 压 电流的 d、 q 轴 分 量为 usd、 usq， isd、 isq。其 中 ， 经 过 反 正 切 运 算 得到 网 侧 电 压 矢 量 的 相 位 角θ s。 通 过 对网 侧 电 压 进行 锁 相 ， d 轴 与 网 侧 电 压 矢量 方 向 相 同 ， 则 usq0。u sdusqisdrefisqref KP sKIK P sK Ii sdi sqdqabcarctanusqusducdrefucqrefudcudc,ref KP sK IQgQ g,ref KP sK Iabcdqi sai sbi scusausbusc isqisdSPWMabcdq0αβ αβsqsqg sLwg sLw图 9 网侧变流器控制原理Fig. 9 Control principle of grid-side converter 在 dq 坐 标系 下 ， 逆 变器 交 流 侧 的 数 学模型 [19]可 以 表 示 为sd sd cd s g s sdssq sq cq g s s sqddi u u R L iL i u u L R it- - - - - ww 15 式 中 Rs 和 Ls 为 变 换 器 交 流 侧 电 抗 的电 阻 和电 感 ；ucd 和 ucq 分 别 为 变 换 器 输 出电 压 的 d、 q 轴 分 量； ω g为 系统 角 频 率。网 侧 有 功 无 功功率 可表 示 为g sd sd sq sq sd sdg sd sq sq sd sd sqP u i u i u iQ u i u i u i - 16 设定 无 功功率 参 考值 Qg,ref 为 零 ， 实 现单 位 功率因数 控制。电 压 外 环 通 过 对 比 直 流 母 线 参 考电 压 值udc,ref 和实测电 压 udc， 经 PI 调节器和 限 幅 后 得到 d轴 电流 参 考值 isdref； 比较 实测网 侧 瞬 时 无 功功率 Qg和 参 考 无 功功率 Qg,ref， 计 算 得到 q 轴 电流 参 考值isqref。电流内环 采用 有 功 无 功电流 前 馈 解 耦 控制，将 外 环 得到 d、 q 轴 电流 参 考值和实 际 d、 q 轴 电流分 量 进行 比较 ， 经 PI 调节器 后与 各 自 的 解 耦 补偿 项和电网电 压 扰 动 前 馈 补偿 项 运 算 ， 得到 换 流器网 侧电 压 参 考值 ucdref、 ucqref， 经 dq 反变 换 和 SPWM 即可得到 电网 侧 变流器的 驱 动控制 信号 。4 仿真与验证本文 在 EMTP/ATP 平 台 上 搭 建 如 图 1 所 示 的 仿真模型 。 该 模型 的光伏电 站数 据 来 自 于 我 国 西南 某光伏发电系统， 总装 机容量为 15 MW ， 由 于光伏电站 晚 间 输 出功率 为 零 ， 本文 选择 0600 1800 的光伏 输 出功率波动 为研 究 对 象 。功率预测值根据 文献[20] 所 提 供 方法求 得 ，结 果 满足 国家 电网对光伏功率预测 精 度的要求。 蓄 电池 组由 型 号 为 CF12V80Ah的 锂 电池 50 串 65 并 组 合而 成 ， 容量为 3.12 MW h，最大充放电功率 为 3 MW ，电池 额 定 端 电 压 为600 V ， 直 流 母 线 额 定电 压 为 810 V。 在 本文 研 究 中 ，SOC 限 值 及初始 值 见 表 1 所 示 。表 1 SOC 限值参数表Tab. 1 Parameter of SOC limit 参 数 名称 参 数取 值SSOC,min 0.1 SSOC,low 0.3 SSOC,high 0.7 SSOC,max 0.9 SSOC,0 0.5 图 10 为 光伏电 站 实 际 输 出功率和目标 输 出功率，目标 输 出 又 分 为 1 h 调度目标 输 出和 1 d 调度目标 输 出。 图 11 给 出 了 2 种 调度方 式 的功率平滑 效果 和电池 SOC 曲线 。 1 d 调度的目标 输 出功率和实际 输 出功率的 差 额 普遍 偏 大， 最大值 达 6 952.4 kW ，而 1 h 调度的最大 差 额 只有 2 927.1 kW 。在电池 容量为 3.12 MW h 时， 采用 1 d 调度的光伏并网功率波动 仍 较为明 显 ，而 且 电池 长 期 处 于 超 出 正常工作区间 的状态， 严重 影响 电池的 寿命 和 性 能。 若 想 达到 更 好 的平滑 效果 ， 则 需 增加 电池 容量 ， 不利 于电网的 经济 运 行。对 1 d 采 取 分段调度 来 平滑光伏并网功率， 不 仅 能在 降低 电池 容量 的 同 时 保 证 电池 长期 工作 在最 佳 状态，而 且 还 具 有 较 好 的平滑 效果 。以 1 h 调度 为 例 ， 分 别 对基于 SOC 反馈控制和基 本 控制的平滑方法进行 仿真 ，结 果 如 图 12 所 示 。通 过 对 比可 知 ， 2 种 方法 都 具 有 较 好 的平滑 效果 ，电池充放电功率控制在电池 额 定功率 范围 内。 但 当SOC 值 超过正常工作区间 [0.3, 0.7] 时， SOC 反馈控制 开始 发 挥 作用 ，根据 SOC 值 直 接 调 整 功率 增 益第 38 卷 第 7 期 电 网 技 术 1817 0600 0时 刻功率/MW1 h 目标 输 出 区 域0800 1000 1200 1400 1600 1800 36912151 d 目标 输 出 区 域实 际 输 出功率图 10 不同调度 尺 度的目标输出功率Fig. 10 Target output power of different dispatch scales 06000时 刻平滑后并网功率/MW0800 1000 1200 1400 1600 18006 12 0.00.40.8SOC39 15 1 h调度1 d调度1 d调度1 h调度图 11 不同调度 尺 度的仿真结果Fig. 11 Simulation results under different dispatch scales 图 12 不同控制方法下仿真结果Fig. 12 Simulation results with different methods 系 数 ， 以 减少 电池的充放电功率， 避免 SOC 快速下 降 或 上 升 ， 同 时方 便 SOC 快速 返回 至 正常工作区间 内，大大提 高了 电池的 工作性 能。图 13 为 SOC 反馈控制的电池电流电 压 特 性 和直 流 母 线 电 压 曲线 。 可 以 看 出，电池 可 以 长 期 工作在最 佳 状态， 其 电 压 变化 范围保 持 在 额 定电 压 的 5以 内， 直 流 母 线 电 压 能 够 很 好 的 跟踪 电池电 压 ，具 有 良好 的 稳 定 性 。图 14 为 SOC 反馈控制的并网功率 1 min 最大变化幅值结 果 。 原 始 光伏功率 1 min 内最大波动幅值 为 476.04 kW ，平 均 幅值 为 80.13 kW ； 经 过 平滑 处 理 后 ， 1 min 内最大波动幅值大幅 下 降 ， 为300 kW ， 平 均 幅值 降 至 47.19 kW 。 由 结 果可 知 ， 经过 处 理 后 的并网功率 满足 约束要求。电流/kA端电压/pu直流母线电压/V图 13 电池的电流 、 电 压和直 流 母 线电 压 曲线Fig. 13 Current,voltage of battery and DC bus voltage curves 原始光伏功率波动/kW平滑后光伏功率波动/kW图 14 1 min 内 功率 波动幅 值Fig. 14 Power fluctuation value within 1min scale 用 平滑 处 理 后 的并网功率 Pg 和目标 输 出功率PSET 的 差 值 dP 作为 衡 量 平滑 效果 的 重 要 指 标[21] ，其 概 率分 布直 方 图 如 图 15 所