魏 煒，陳 晗，朱 潔，徐 弢，趙 賀，李子衿

（1.天津大學(xué)智能電網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031）

以分布式光伏為代表的可再生能源發(fā)電技術(shù)具有可靠、清潔環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)。但其固有的隨機(jī)波動(dòng)性以及可控性差的問(wèn)題，大量接入將對(duì)配網(wǎng)安全運(yùn)行帶來(lái)巨大威脅[1]。在配網(wǎng)中通過(guò)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)減少可再生能源高比例接入帶來(lái)的不利影響，已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛認(rèn)可的技術(shù)手段。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有可快速雙向調(diào)節(jié)功率、充放電模式切換靈活等優(yōu)勢(shì)，在促進(jìn)可再生能源消納、提高配網(wǎng)安全性等方面發(fā)揮積極作用[2?3]，但目前電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的造價(jià)成本依舊偏高，限制了其在配網(wǎng)中的推廣應(yīng)用。研究合理的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行控制策略，在實(shí)現(xiàn)對(duì)可再生能源功率波動(dòng)有效平抑的同時(shí)提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的利用效率，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

風(fēng)、光等可再生能源發(fā)電在不同頻段有不同的波動(dòng)特性，對(duì)電力系統(tǒng)的影響也有所不同。現(xiàn)有研究主要是通過(guò)配置混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)不同頻段的波動(dòng)分量予以平抑。文獻(xiàn)[4]提出了一種可再生能源功率高頻分量由系統(tǒng)消納、蓄電池和超級(jí)電容分別補(bǔ)償其低頻和中頻分量的控制策略；文獻(xiàn)[5]提出了一種混合儲(chǔ)能容量配置方法，根據(jù)樣本周期內(nèi)不平衡功率低頻和高頻分量的最大幅值確定電池儲(chǔ)能和超級(jí)電容的容量配置，但此方法存在儲(chǔ)能系統(tǒng)配置冗余的情況；為應(yīng)對(duì)可再生能源接入給系統(tǒng)安全性帶來(lái)的影響，文獻(xiàn)[6?7]提出了一種混合控制策略，其中電池儲(chǔ)能和超級(jí)電容分別平抑波動(dòng)幅度超出并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)電功率信號(hào)的分鐘級(jí)波動(dòng)分量和秒級(jí)高頻分量；文獻(xiàn)[8]提出了一種最大功率跟蹤和混合儲(chǔ)能協(xié)調(diào)平抑光伏功率波動(dòng)策略；文獻(xiàn)[9]提出一種混合儲(chǔ)能控制策略，混合儲(chǔ)能可根據(jù)光伏發(fā)電波動(dòng)情況運(yùn)行于不同模式并協(xié)調(diào)切換。除此之外，混合儲(chǔ)能還可根據(jù)不同儲(chǔ)能類型進(jìn)行平抑波動(dòng)和峰谷套利，提高系統(tǒng)運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[4，10]均是采用電池儲(chǔ)能作為能量型儲(chǔ)能進(jìn)行削峰填谷，提高系統(tǒng)收益以及超級(jí)電容作為功率型儲(chǔ)能平抑可再生能源高頻波動(dòng)的混合儲(chǔ)能配置思路。可以看出，混合儲(chǔ)能在處理可再生能源不同頻段波動(dòng)分量方面具有良好效果。但混合儲(chǔ)能的組成和運(yùn)行模式較為固定，存在儲(chǔ)能資源利用不夠充分的問(wèn)題。實(shí)際上，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度和較大的能量密度，在平抑可再生能源短期功率波動(dòng)[5?8，11]和峰谷套利[4，10，12?13]等不同場(chǎng)景均可發(fā)揮積極作用。根據(jù)系統(tǒng)中可再生能源功率波動(dòng)情況對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)各電池組串的運(yùn)行模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配和靈活調(diào)控，以提高電池儲(chǔ)能系統(tǒng)利用效率，具有一定的可行性。

基于上述分析，本文首先建立了一種分布式光伏?電池儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)，通過(guò)引入本地協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電功率波動(dòng)的預(yù)測(cè)和分解，以及控制信號(hào)的傳遞。在此基礎(chǔ)上，提出了一種電池儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑波動(dòng)?峰谷套利兩模式協(xié)調(diào)控制策略。根據(jù)光伏發(fā)電功率中頻波動(dòng)分量，對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)各電池組串的運(yùn)行模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配和靈活調(diào)控，在滿足系統(tǒng)平抑波動(dòng)需求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)利用水平的提升。

1 分布式光伏-電池儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)

為支撐電池儲(chǔ)能系統(tǒng)兩模式協(xié)調(diào)控制，本文建立了一種分布式光伏?電池儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，引入本地協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其功能主要為：對(duì)光伏功率進(jìn)行超短期預(yù)測(cè)和頻段分解，向配網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)反饋電池組串預(yù)分組和運(yùn)行狀態(tài)等信息以及向電池管理系統(tǒng)BMS（battery man?agement system）轉(zhuǎn)發(fā)配網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)的功率指令等。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可與BMS系統(tǒng)和配網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)一起配合，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電功率波動(dòng)平抑以及峰谷套利?？紤]到電池儲(chǔ)能系統(tǒng)需響應(yīng)不同頻段的信號(hào)，本文選用磷酸鐵鋰電池，其充電倍數(shù)可達(dá)3.33，放電倍數(shù)高達(dá)10.7，深度循環(huán)壽命可達(dá)到4 700次以上[14]。各電池組串經(jīng)變流器接入電網(wǎng)，儲(chǔ)能變流器同時(shí)接入?yún)f(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和BMS系統(tǒng)的控制信號(hào)，根據(jù)其所在組串運(yùn)行模式在2個(gè)控制信號(hào)之間進(jìn)行切換。

圖1 分布式光伏-電池儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of distributed photovoltaic（PV）-battery energy-storage system（BESS）joint system

選取1 min作為光伏發(fā)電功率高頻和中頻的分界時(shí)間尺度，再選用6層db5小波包對(duì)光伏功率信號(hào)進(jìn)行分解，得到對(duì)應(yīng)S6,0頻段的低頻、S6,1～S6,2頻段的中頻和S6,3～S6,63頻段的高頻分量。中頻波動(dòng)分量由平抑波動(dòng)模式的電池組串平抑，低頻波動(dòng)分量由峰谷套利模式的電池組串按照配網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)指令控制，高頻波動(dòng)分量由配電網(wǎng)消納[4?15]。

2 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)兩模式協(xié)調(diào)控制策略

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)兩模式協(xié)調(diào)控制策略可根據(jù)分布式光伏的功率波動(dòng)特性動(dòng)態(tài)調(diào)整各電池組串運(yùn)行模式?；趨f(xié)調(diào)控制系統(tǒng)分解的光伏功率中頻分量，兩模式協(xié)調(diào)控制原理見(jiàn)圖2。圖中，控制策略主要分為電池組串容量分配策略（實(shí)線部分）以及兩模式協(xié)調(diào)控制策略（虛線部分）兩部分。

圖2 兩模式協(xié)調(diào)控制原理Fig.2 Principle of two-mode coordinated control

2.1 電池儲(chǔ)能容量分配策略

電池儲(chǔ)能容量分配策略主要用于根據(jù)光伏發(fā)電預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)下一控制周期各電池組串的運(yùn)行模式進(jìn)行預(yù)分配。具體步驟如下。

步驟1協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)基于光伏實(shí)測(cè)歷史數(shù)據(jù)PPV，開(kāi)展下一控制周期的光伏發(fā)電超短期預(yù)測(cè)，并將結(jié)果上報(bào)配網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)。

步驟2協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)光伏預(yù)測(cè)功率PPVf進(jìn)行小波分解，得到中頻分量PPVf.mid，并將其峰值發(fā)送至BMS系統(tǒng)。

步驟3BMS系統(tǒng)對(duì)電池組串按規(guī)則進(jìn)行運(yùn)行模式分配，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)下一控制周期峰谷套利模式的電池組串SOC進(jìn)行估算，并連同BMS系統(tǒng)反饋信息上報(bào)配網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)。

第T個(gè)控制周期內(nèi)進(jìn)行平抑波動(dòng)和峰谷套利的電池組串?dāng)?shù)量分別為

式中：nFluc(T)和nEs(T)分別為進(jìn)行平抑波動(dòng)和峰谷套利電池組串?dāng)?shù)量；Pbat.each為每組電池組串變流器額定功率；表示向上取整；nbat為電池組串總數(shù)。

因此該控制周期內(nèi)運(yùn)行于平抑波動(dòng)模式和峰谷套利模式的電池組串最大充、放電功率PFluc(T)和PEs(T)及容量WFluc(T)和WEs(T)的求解公式分別為

式中，Wbat.each為每組電池組串額定容量。

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)下一控制周期峰谷套利模式的電池組串SOC進(jìn)行估算，即

式中：EB(T)為電池組串在當(dāng)前控制周期開(kāi)始時(shí)的電量；Nt為調(diào)度周期總數(shù)；為第t個(gè)調(diào)度周期內(nèi)峰谷套利電池組串的充放電功率，取正表示放電，取負(fù)表示充電；Δt為調(diào)度周期時(shí)長(zhǎng)；Δtsam為光伏功率中頻波動(dòng)采樣間隔；Nm為該控制周期內(nèi)中頻波動(dòng)采樣總次數(shù)；WB為電池組串容量；為第m個(gè)中頻采樣點(diǎn)平抑波動(dòng)模式電池組串的充放電功率，表達(dá)式為

2.2 兩模式協(xié)調(diào)控制策略

兩模式協(xié)調(diào)控制策略主要用于根據(jù)實(shí)時(shí)接收到的光伏發(fā)電信號(hào)，計(jì)算平抑波動(dòng)模式電池組串的功率指令。具體步驟如下。

步驟1BMS系統(tǒng)將平抑波動(dòng)電池組串變流器控制信號(hào)源切換為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

步驟2協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)接收的信號(hào)PPV進(jìn)行小波分解，得到中頻分量PPV.mid，各電池組串充放電功率信號(hào)的求解公式為

圖3給出了平抑波動(dòng)電池組串SOC區(qū)域的劃分情況。

圖3 平抑波動(dòng)模式電池組串SOC區(qū)域劃分情況Fig.3 SOC region division of battery series in smoothing fluctuation mode

為避免平抑波動(dòng)電池組串發(fā)生過(guò)充/過(guò)放的現(xiàn)象，需要根據(jù)各電池組串SOC對(duì)進(jìn)行修正，規(guī)則如下。

（1）當(dāng)電池組串SOC在正常區(qū)域時(shí)，有

然后將SOC尚處于正常區(qū)域的平抑波動(dòng)電池組串按照上述方法進(jìn)行再次分配，直至PPV.mid分配完畢或所有電池組串均無(wú)可分配容量。

步驟3BMS系統(tǒng)接收經(jīng)由協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)發(fā)送的配網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)功率指令，下達(dá)給峰谷套利的電池組串，并將其信息反饋至配網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)兩模式協(xié)調(diào)控制流程見(jiàn)圖4。

圖4 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)兩模式協(xié)調(diào)控制流程Fig.4 Flow chart of two-mode coordinated control for BESS

3 算例仿真

本文以某地區(qū)1 MW裝機(jī)容量的光伏電站為研究對(duì)象，分別在春季晴朗天氣和多云天氣下，搭建仿真模型來(lái)驗(yàn)證所提電池儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略的有效性。其中，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS額定功率為500 kW，額定容量為1 500 kW·h，電池組串總數(shù)為16，單個(gè)電池組的額定功率為31.25 kW[16]，SOC允許范圍為0.15～0.85。各時(shí)段分時(shí)電價(jià)取值情況參見(jiàn)文獻(xiàn)[17]。

不同典型天氣下光伏功率曲線、光伏功率中頻分量幅值曲線以及電池組串分組情況分別如圖5～圖7所示。

圖5 不同典型天氣下光伏功率曲線Fig.5 PV power curves under different typical weather conditions

圖6 不同典型天氣下光伏功率中頻分量幅值曲線Fig.6 PV power intermediate-frequency component curves under different typical weather conditions

圖7 不同典型天氣下電池組串在不同控制周期分組情況Fig.7 Division of battery series in different control cycles under different typical weather conditions

通過(guò)圖6和圖7可以看出，與晴朗天氣相比，多云天氣下中頻分量波動(dòng)幅值更大，在相應(yīng)時(shí)段需要投入更多的電池組串進(jìn)行平抑波動(dòng)。晴朗天氣下不同時(shí)段光伏中頻分量幅值很小，只需投入1組電池組串參與平抑波動(dòng)即可。不同天氣條件下電池儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑波動(dòng)前后光伏功率曲線和電池儲(chǔ)能峰谷套利模式的充放電功率曲線分別如圖8和圖9所示。

圖8 不同天氣條件下電池儲(chǔ)能平抑波動(dòng)前后光伏功率曲線Fig.8 PV power curves before and after smoothing fluctuation by battery energy-storage under different weather conditions

圖9 不同典型天氣下峰谷套利模式電池組串充放電情況Fig.9 Battery series charging and discharging in peakvalley arbitrage mode under different weather conditions

通過(guò)圖8可以看出，在不同典型天氣下，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)光伏發(fā)電功率的波動(dòng)均有明顯的平抑效果。尤其是多云天氣條件下，分配為平抑波動(dòng)模式的電池組串較多，平抑波動(dòng)的效果更為顯著。

通過(guò)圖9可以看出，晴朗天氣條件下，分配為峰谷套利模式的電池組串較多，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過(guò)峰谷套利獲取更多的收益。根據(jù)文獻(xiàn)[11]所提模型計(jì)算系統(tǒng)峰谷套利，多云天氣下峰谷套利為1 241.46元，晴朗天氣下峰谷套利為1 382.75元。

由此可以看出，本文所提電池儲(chǔ)能兩模式協(xié)調(diào)控制策略能夠根據(jù)不同天氣條件下光伏功率波動(dòng)特性對(duì)電池組串靈活分配，在滿足平抑波動(dòng)要求的前提下實(shí)現(xiàn)收益的最大化，儲(chǔ)能系統(tǒng)利用水平也得以提高。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)平抑光伏并網(wǎng)功率波動(dòng)的電池儲(chǔ)能控制策略問(wèn)題，建立了一種分布式光伏?電池儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)，并提出了一種電池儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑波動(dòng)?峰谷套利兩模式協(xié)調(diào)控制策略，可根據(jù)光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率的中頻波動(dòng)分量，對(duì)各電池組串的運(yùn)行模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配和調(diào)控。算例結(jié)果表明，本文所提控制模型能夠根據(jù)光伏波動(dòng)性變化情況，對(duì)電池組串動(dòng)態(tài)分配和靈活調(diào)控，滿足系統(tǒng)平抑波動(dòng)需求的同時(shí)，提升電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的利用水平和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，有利于儲(chǔ)能技術(shù)的推廣應(yīng)用。