基于荷电状态的混合储能系统协调控制策略

基于荷电状态的混合储能系统协调控制策略

李辉1，黄瑶妹1，马飞2

【摘 要】为优化混合储能系统运行状态，提出了一种新型混合储能分层协调控制策略，包括上层能量管理与下层混合储能控制。上层能量管理层根据微电网母线电压、频率以及混合储能系统综合荷电状态（SOCHESS），利用模糊逻辑算法优化混合储能系统的充放电功率，使得储能设备的荷电状态维持在合理范围。下层混合储能控制层在低通滤波器的基础上根据磷酸铁锂电池和超级电容器各自的SOC，建立分配功率修正算法，优化储能单元的SOC状态。仿真实验证明，所提出的基于荷电状态SOC的分层协调控制，有效地降低了混合储能的SOC的变化范围，防止储能设备的过充或过放。 【期刊名称】中国电力 【年(卷),期】2017(050)001 【总页数】6

【关键词】微电网；储能系统；混合储能；分层协调控制；模糊控制；荷电状态

0 引言

为了改善微网系统中的功率平衡、稳定性和电能质量等问题，配备输出功率更为稳定的储能装置是抑制功率脉动的有效手段之一， 储能系统具有在短时间内快速吸收和释放能量的特点，因此可以有效克服可再生能源输出功率间歇性、波动性的缺点[1-2]。为了弥补传统单一储能设备的不足，采用功率型超级电容器和能量型电池的混合储能系统是目前储能技术的发展方向之一，超级电容器具有响应速度快、大功率输出能力强、能量转换效率高、循环寿命长等特点[3]，

是典型的功率型储能器件。超级电容器与锂电池协调运行可以大幅度提高储能装置的峰值功率输入输出能力，降低内部损耗，减小锂电池的充放电次数而提高设备的使用寿命[4]。

文献[5-6]采用低通滤波的方法补偿风电功率中的特定频段分量，但由于未考虑储能设备的荷电状态（SOC），容易造成设备过充过放。文献[7]提出通过高功率密度特性的超级电容器稳定直流母线，优化蓄电池充放电过程；文献[8-9]根据蓄电池荷电状态合理工作范围、柴油机最小运行功率/时间限值，制定混合储能和柴油机协调控制策略，确定负荷主要跟随单元。文献[10]采用粒子群算法建立电池寿命量化模型优化控制参数，减少锂电池寿命损耗；文献[11]在低通滤波原理的基础上，根据电池储能的SOC实时调整滤波时间常数，优化电池充放功率，延长寿命。文献[12-13]为改善混合储能系统功率调节能力，将超级电容储能电量维持在安全范围以内。综上所述，对于储能系统抑制微网功率脉动、储能单元的过充过放保护和最大功率限制等，已有一些研究成果，而对于系统内部各单元之间的协调优化控制和系统整体性能的优化方面，还鲜见报道。本文在混合储能系统已有研究成果的基础上，提出基于荷电状态的分层协调控制策略，该方法分为上层能量管理层和下层混合储能控制层，上层通过微电网母线电压、频率和混合储能系统综合荷电状态SOCHESS，利用模糊逻辑算法优化混合储能系统的充放功率。下层根据磷酸铁锂电池和超级电容器各自的SOC，建立分配功率修正算法，优化储能单元的SOC。最后通过仿真实例验证方法的有效性。

1 混合储能的结构

本文采用的混合储能拓扑结构如图1所示，主要由发电单元、超级电容器、磷

酸铁锂电池和相应的变换器组成，该发电单元的输出功率具有较大的波动性。磷酸铁锂电池能量密度大，充放电较慢，功率密度小，超级电容器功率密度大，充放电效率高，因此本文利用各自的特性，采用磷酸铁锂电池和超级电容器构成HESS，该2种储能设备分别通过双向DC/DC变换器连接在直流母线上，并通过充放电对输出功率的脉动进行补偿，保证微网功率平衡。

2 基于荷电状态的混合储能系统协调控制策略

图2为混合储能分层协调控制系统结构原理图，上层控制中混合储能系统充放电功率优化控制模块和下层控制中磷酸铁锂电池和超级电容器充放电功率优化分配模块是整个混合储能控制系统中的核心。 2.1 上层协调混合储能SOC和充放电功率控制器设计 2.1.1 上层协调控制原理

由于微电网中微电源出力具有随机性和间歇性的特点，负载波动频繁，当使用混合储能系统平衡微电网功率时，混合储能系统无法有规律的吸收与释放能量，极易造成储能设备的过充或过放，或是由于混合储能系统SOC的限制无法平抑微电网功率波动。为了改善上述情况，提出上层协调控制策略，该策略根据混合储能系统的SOC状态和微电网视在功率缺额，优化混合储能系统的充放功率，其控制原理如图3所示。

图3中U和f分别为微电网母线电压和频率；Uref和fref为微电网的额定电压和额定频率；SOCHESS为混合储能系统的综合荷电状态。

综合磷酸铁锂电池和超级电容器的荷电状态，计算混合储能系统综合荷电状态SOCHESS，其计算公式[17]如式（1）所示：

式中：QBAT和QSC分别为磷酸铁锂电池和超级电容器的额定容量。