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=[( ) / ] 100%P 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 Pave=(Psmax+Psmin)/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= + +ìí = - +?(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>ì?= < <í?