基于雙回路SOC調(diào)節(jié)的風(fēng)電場功率平滑控制

針對風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的功率波動(dòng)問題，研究了一種基于雙回路SOC調(diào)節(jié)的混合儲能系統(tǒng)風(fēng)電場功率平滑控制策略。對含有全釩液流電池和鋰電池的混合儲能系統(tǒng)，通過雙回路SOC調(diào)節(jié)控制，合理分配鋰電池和液流電池的實(shí)際輸出功率，并實(shí)時(shí)更新混合儲能的荷電狀態(tài)。

該控制策略實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電有功功率的平滑需求，并且使鋰電池和全釩液流電池的SOC值穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)，可以有效減少鋰電池的充放電次數(shù)，達(dá)到保護(hù)電池的目的。通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了控制方法的有效性。

風(fēng)能已成為世界上主要的清潔能源之一，但風(fēng)力發(fā)電具有間歇性、波動(dòng)性、隨季節(jié)變化等特點(diǎn)，大規(guī)模集中并網(wǎng)會造成電網(wǎng)發(fā)電與負(fù)荷偏差、頻率不穩(wěn)定等問題［1，2］。平滑風(fēng)電場輸出功率以減小大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)造成的問題具有極其重要的意義。

隨著儲能和電力電子技術(shù)的發(fā)展，利用儲能技術(shù)平滑風(fēng)電場輸出功率、減少風(fēng)電波動(dòng)對電力系統(tǒng)的影響成為了近年來的研究熱點(diǎn)［3］。［4］提出了一種移動(dòng)平均法平滑風(fēng)電功率的控制策略。該方法同時(shí)考慮儲能電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）和風(fēng)電功率波動(dòng)率，在平抑風(fēng)電輸出功率波動(dòng)的同時(shí)減小儲能電池使用次數(shù)。

［5］提出了一種利用模型預(yù)測控制（ModelPredictive Control，MPC）平滑風(fēng)電場輸出功率波動(dòng)方法。該方法通過短期功率預(yù)測以并網(wǎng)風(fēng)電功率的波動(dòng)范圍、電池儲能荷電狀態(tài)SOC、儲能出力大小等為約束，滾動(dòng)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)對儲能的優(yōu)化控制。

［6］提出了一種基于實(shí)測電池荷電狀態(tài)的儲能控制方法。該方法根據(jù)實(shí)測的電池荷電狀態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)濾波時(shí)間常數(shù)，使電池的荷電狀態(tài)穩(wěn)定在最優(yōu)工作范圍內(nèi)，提高電池使用壽命。［7］為了平滑風(fēng)電場輸出功率的波動(dòng)，提高風(fēng)能的利用率，提出了基于虛擬理想粒子的多目標(biāo)改進(jìn)粒子群算法（particle swamoptimization algorithm，PSO），并用該算法對模型進(jìn)行了求解。

［8］提出了一種分布式光儲直流供電系統(tǒng)功率平滑控制方法，采用最大功率跟蹤法實(shí)現(xiàn)最大功率輸出。［9］為了合理分配混合儲能輸出功率提出了一種基于電池荷電狀態(tài)SOC的功率分配方法，利用等效時(shí)間常數(shù)作為功率分配效果的評判指標(biāo)。

［10］提出了一種混合儲能平抑風(fēng)電輸出功率波動(dòng)新方法，利用蓄電池穩(wěn)定直流母線電壓，超級電容器快速補(bǔ)償負(fù)載功率波動(dòng)的高頻分量，減小負(fù)載突變情況下對直流母線的沖擊。［11］提出了一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解技術(shù)平抑風(fēng)電功率波動(dòng)的混合儲能功率控制方法，利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法，對非平穩(wěn)風(fēng)功率進(jìn)行分解，并使用超級電容器和蓄電池分別平抑風(fēng)電功率的高頻部分和低頻部分。

［12］提出了基于小波包分解的風(fēng)電功率平滑方法，在分析了風(fēng)電功率的幅頻特性后利用混合儲能裝置對不同頻率的功率進(jìn)行吸收。

鋰電池和全釩液流電池的功率分配是實(shí)現(xiàn)儲能平滑風(fēng)電場輸出功率的重點(diǎn)。在時(shí)域上，一般利用滑動(dòng)平均法來計(jì)算儲能所需的輸出功率和并網(wǎng)功率，再檢測鋰電池和液流電池的荷電狀態(tài)SOC進(jìn)行各儲能功率的分配，，但在分配過程中仍存在如滑動(dòng)平均法的窗口大小選擇困難、儲能在高低電位時(shí)充放電的保護(hù)等問題。

在頻域上，一般利用小波理論分配儲能輸出功率或者利用濾波器分配儲能功率，但存在各頻段的分界頻率難以界定、鋰電池和全釩液流電池出現(xiàn)正負(fù)相反的輸出功率、控制指令延時(shí)等問題。

由于風(fēng)力發(fā)電具有間歇性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，混合儲能系統(tǒng)在對風(fēng)電場輸出功率進(jìn)行平滑時(shí)，充放電的功率及其分布取決于風(fēng)速變化，充放電平衡成為功率控制中必須解決的問題。由于儲能系統(tǒng)的容量是有限的，會使其在平滑風(fēng)電場輸出功率時(shí)，有可能導(dǎo)致儲能設(shè)備的SOC受限或者過充過放，進(jìn)而無法利用儲能設(shè)備的輸出功率進(jìn)行平滑風(fēng)電場有功功率。

為了能夠使混合儲能系統(tǒng)可以長期有效的對風(fēng)電場輸出功率進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)有針對性的控制策略優(yōu)化其SOC是十分必要的。

圖1 基于混合儲能系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電波動(dòng)平抑拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

結(jié)論

針對風(fēng)電并網(wǎng)時(shí)發(fā)電系統(tǒng)的功率波動(dòng)問題，本文提出了一種基于雙回路SOC調(diào)節(jié)的風(fēng)電場功率平滑控制策略。該控制策略可以有效地平滑風(fēng)電場輸出的有功功率，避免了混合儲能系統(tǒng)過度充放電，減小了鋰電池的充放電次數(shù)，延長了鋰電池的使用壽命的同時(shí)，利用儲能系統(tǒng)有效的平滑風(fēng)電輸出功率。