朱少欣 廣東海洋大學(xué)海運學(xué)院

許媛媛 廣東海洋大學(xué)海運學(xué)院 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(湛江)

徐茂棟 賈憲章 廣東海洋大學(xué)海運學(xué)院

隨著傳統(tǒng)能源的枯竭和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，可再生能源的開發(fā)已成為全球的發(fā)展趨勢。目前中國很多海島電站都是采用技術(shù)相對落后的柴油機發(fā)電系統(tǒng)，其存在發(fā)電效率較低、環(huán)境污染較高等問題。與柴油發(fā)電系統(tǒng)相比，海島太陽能、風(fēng)能等可再生資源的利用更加環(huán)保且具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用價值，但孤立的風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)或者光伏發(fā)電系統(tǒng)均無法實現(xiàn)資源利用的最大化，為解決這一問題，本文對風(fēng)-光-柴互補發(fā)電系統(tǒng)開展研究。針對不同氣候條件下的分布式發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的能量有所差異的問題，本文提出了基于系統(tǒng)荷電狀態(tài)（State of charge，SOC）的能量分配策略，該策略基于荷電狀態(tài)對發(fā)電系統(tǒng)采用不同的控制模式，充分發(fā)揮不同能源的互補優(yōu)勢，實現(xiàn)兼顧經(jīng)濟成本和供電可靠性的目標(biāo)。

1.分布式發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文提出的分布式發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖1所示，主要由發(fā)電模塊、儲能模塊和控制模塊組成。其中發(fā)電模塊包括蓄電池儲能系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電機組、柴油發(fā)電機組、儲能模塊包括超級電容、磷酸鐵鋰電池組；控制模塊主要包括整流/逆變裝置、荷電狀態(tài)SOC（State of charge，SOC）監(jiān)測系統(tǒng)等?；赟OC檢測系統(tǒng)實時監(jiān)測系統(tǒng)輸出功率的荷電狀態(tài)值SOCs、磷酸鐵鋰電池組的荷電狀態(tài)值SOC和超級電容的荷電狀態(tài)值SOC。

圖1 交流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.分布式電源模型

2.1 風(fēng)力發(fā)電模型

圖2給出了風(fēng)力發(fā)電的基本原理圖，將機械能的風(fēng)能帶動風(fēng)葉轉(zhuǎn)動后通過發(fā)電機把機械能轉(zhuǎn)換為電能，最后經(jīng)整流、逆變、變壓模塊并入電網(wǎng)。與其他可再生能源相比，風(fēng)力發(fā)電工程應(yīng)用技術(shù)更加成熟、廣泛。

圖2 風(fēng)力發(fā)電模塊基本原理圖

風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率隨風(fēng)速變化而變化，風(fēng)電機組輸出功率與風(fēng)速之間的近似關(guān)系如公式（1）。

式中P（v）為風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率，V為額定風(fēng)速，V為切入風(fēng)速，V為切出風(fēng)速，P為風(fēng)力發(fā)電機的額定功率。

2.2 光伏發(fā)電模型

圖3給出了光伏發(fā)電的基本原理圖，光伏陳列可以直接將光能轉(zhuǎn)化為直流電能，在監(jiān)控系統(tǒng)的控制下，再經(jīng)過配電柜、逆變、變壓模塊，將直流電變?yōu)榭刹⑷腚娋W(wǎng)的交流電。

圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

光伏陣列是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，它的實際輸出功率可由標(biāo)準(zhǔn)額定條件下的輸出功率、光照強度、環(huán)境溫度計算得到。

光伏電源的出力僅與光照強度和環(huán)境溫度有關(guān)，式中，P為光伏電源的輸出功率；P為光伏電源額定功率；G為工作點的輻射強度；T為電池表面溫度，其值與環(huán)境溫度近似；k為功率溫度系數(shù)。

2.3 柴油發(fā)電機組模型

柴油發(fā)電機第t個時段內(nèi)的油耗量可用公式（3）表示，k為柴油機油耗系數(shù)；p（t）為t個時段內(nèi)柴油發(fā)電機組出力。

柴油機組發(fā)電功率受自身功率容量約束：

式中，N為柴油機配置數(shù)量；P為單臺柴油機發(fā)電機額定功率容量。

2.4 儲能電池模型

根據(jù)能量守恒原理，任意時間段儲能電池系統(tǒng)充放電分別滿足以下公式：

電池充電時：

式中，E為單個標(biāo)準(zhǔn)額定容量；SOC、SOC分別為電池系統(tǒng)剩余電量百分比的上、下限。

式中，E(t)、E（t-1）分別為第t和第t-1個時段結(jié)束時電池系統(tǒng)剩余電量；I為電池系統(tǒng)每小時自漏電率；P（t）為第t個時段電池系統(tǒng)向外部電網(wǎng)充電功率；η為電池系統(tǒng)充電效率。

電池放電時：

式中，P（t）為第t個時段電池系統(tǒng)向外部電網(wǎng)放電功率；η為電池系統(tǒng)放電效率。

為防止儲能電池系統(tǒng)充、放電功率過大導(dǎo)致其過熱進(jìn)而影響使用壽命，須滿足：

式中，P為單個電池額定功率（k w）；N為儲能電池配置數(shù)量（臺）。

電池系統(tǒng)剩余電量百分比約束為：

3.系統(tǒng)荷電狀態(tài)SOC的計算方法

3.1 蓄電池SOC的計算研究

目前SOC的計算方法有多種，其工程應(yīng)用也趨于成熟。常見的計算方法主要包括：卡爾曼濾波算法、開路電壓法、內(nèi)阻法、安時計量法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊邏輯算法等，其中卡爾曼濾波算法和內(nèi)阻法是近幾年蓄電池研究使用比較普遍的算法。

內(nèi)阻法計算蓄電池的SOC，其容量大小不僅與電池的運行參數(shù)如工作環(huán)境溫度、終端電壓等相關(guān)，同時與電解液密度、電池內(nèi)阻等電池的構(gòu)造參數(shù)相關(guān)。作為電池最重要參數(shù)的內(nèi)阻，與容量有著緊密的聯(lián)系，它不僅反映電池的壽命即電池的老化程度，而且還能反映電池當(dāng)前的荷電存儲狀態(tài)，即電池內(nèi)阻大小可以反映電池的壽命、性能和充電狀態(tài)。采用內(nèi)阻檢測的方法檢測電池的壽命與性能是目前應(yīng)用較為成熟、可靠的方案。目前在實際應(yīng)用中，主要利用直流放電的測量方法和利用交流信號的阻抗測量方法。利用直流放電的測量方法，通過理想的直流電路，采用瞬間達(dá)幾十安培甚至上百安培的電流對蓄電池進(jìn)行放電，然后對電池兩端的瞬間壓降進(jìn)行測量，最后根據(jù)歐姆定律對電池內(nèi)阻進(jìn)行計算。該方法的缺點必須在靜態(tài)或脫機的情況下進(jìn)行，無法實現(xiàn)在線測量。而且蓄電池組放出的瞬間電流較大，對蓄電池組和負(fù)載均會造成較大沖擊，影響電池壽命。此外，測量結(jié)果穩(wěn)定性不佳，一般適用于對測量精度和安全性要求不高的場合。

相比于內(nèi)阻法，利用卡爾曼濾波方法計算蓄電池的SOC則簡單許多。基于卡爾曼濾波的蓄電池SOC算法需要建立電池等效電路模型，目前常用的電池模型包括Rint模型、Thevenin模型、PNGV模型以及Randles模型。其中，Randles模型具有較高精度，其余兩種等效電路模型復(fù)雜度和精度均適中，而針對電池SOC的估算，可以通過安時積分法得到，從而實現(xiàn)電池的狀態(tài)空間模型的建立最后通過協(xié)方差矩陣來確定估計誤差范圍，尋求最優(yōu)估計值。卡爾曼濾波方法適用于各種電池，因為它不要求電流恒定，所以尤其適合于電流波動比較劇烈的蓄電池SOC的估計。該方法在SOC初值不準(zhǔn)時，可使SOC的估計值不斷向真實值收斂，對解決電池自放電問題非常適用。

3.2 超級電容SOC的計算研究

目前國內(nèi)外對于超級電容SOC算法研究比較少，在一些涉及到超級電容能量控制等問題，需要計算超級電容SOC時，往往采用一些較容易實現(xiàn)的算法，例如開路電壓法、安時計量法及擴展卡爾曼算法等。其中，擴展卡爾曼算法不同于傳統(tǒng)卡爾曼算法主要應(yīng)用于線性定常系統(tǒng)，其適用于非線性儲能系統(tǒng)SOC的計算，例如超級電容SOC的計算。

基于擴展卡爾曼濾波（extend Kalman filtering，EKF）的SOC算法，首先獲得電容器端電壓計算公式，進(jìn)而得出一階非線性模型系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程。對于一階非線性模型超級電容器的非線性體現(xiàn)在其端電壓與SOC的關(guān)系上，用函數(shù)F[SOC(t)]來描述。在運用EKF時，需要把非線性函數(shù)進(jìn)行泰勒級數(shù)展開，去除高階項，使非線性方程近似成線性方程，然后根據(jù)傳統(tǒng)卡爾曼濾波算法進(jìn)行SOC的估計，其算法流程如圖4。

圖4 EKF算法流程圖

基于上述分析，本論文能量管理控制策略中蓄電池SOC基于卡爾曼濾波的二階RC Randles等效電路模型進(jìn)行計算，該等效電路模型不僅能夠計算出SOC的概略值，還可以評估SOC的誤差范圍。超級電容SOC基于擴展卡爾曼濾波算法進(jìn)行計算，進(jìn)而根據(jù)不同儲能模塊荷電狀態(tài)進(jìn)行能量分配策略。

4.能量管理控制策略

海島微電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)關(guān)鍵核心和樞紐是能量管理與控制策略，微電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由非線性特性的電力電子設(shè)備構(gòu)成，是屬于集機械設(shè)備、電子電器于一體的非線性系統(tǒng)。本文提出一種基于系統(tǒng)荷電狀態(tài)（State of charge，SOC）的能量分配策略，通過監(jiān)測和比較柴油機穩(wěn)定輸出功率P，儲能系統(tǒng)輸出功率P，負(fù)荷功率P，風(fēng)機和光伏供電功率P，并檢測儲能系統(tǒng)輸出功率的荷電狀態(tài)值（SOC），控制發(fā)電系統(tǒng)運行在四種工作模式模式，如圖5所示：

圖5 能量管理規(guī)則流程圖

（1）模式一：風(fēng)機和光伏供電，儲能裝置充電。P≥P，P=P-P；

（2）模式二：風(fēng)機和光伏供電，儲能裝置不工作。P=P，P=0；

（3）模式三：風(fēng)機光伏供電，柴油機組供電，儲能裝置充電。P≤P，P+P≥P，P=P+P-P；

（4）模式四：風(fēng)機光伏供電，柴油機組供電。P≤P，P≤P，P=P+P其中工作模式一擁有最高優(yōu)先級，只要滿足模式一條件，系統(tǒng)工作方式自動進(jìn)入模式一。此外，當(dāng)儲能系統(tǒng)SOC＜0.2時，系統(tǒng)會實施功率限制使得P=P，直至SOC≥0.2。

在保證風(fēng)機和光伏正常運行及系統(tǒng)荷電狀態(tài)的能量分配策略基礎(chǔ)上提出以上四種運行模式，當(dāng)儲能系統(tǒng)的輸出功率荷電狀態(tài)SOC≥0.7時保持默認(rèn)的工作模式一：風(fēng)機和光伏供電，儲能裝置充電運行；當(dāng)儲能系統(tǒng)的輸出功率荷電狀態(tài)為0.2≤SOC≤0.7時，進(jìn)一步判斷風(fēng)機和光伏的供電功率與負(fù)荷的功率大小，若風(fēng)機和光伏的供電功率大于負(fù)載的供電功率，則說明此時由風(fēng)機和光伏供電可滿足負(fù)載的正常運行，則運行于工作模式二：風(fēng)機和光伏供電，儲能裝置不工作；若供電功率小于負(fù)載的功率，則說明風(fēng)機和光伏所供電能不滿足負(fù)載所需能量，此時啟動工作模式四：風(fēng)機光伏供電，柴油機組供電；當(dāng)儲能系統(tǒng)的輸出功率荷電狀態(tài)SOC≤0.2時，再進(jìn)一步判斷風(fēng)機和光伏的供電功率與用于負(fù)荷的功率大小，若風(fēng)機和光伏的供電功率大于等于負(fù)載功率，說明此時雖然儲能系統(tǒng)輸出功率的荷電狀態(tài)低但是仍能滿足負(fù)載的需求，即保持默認(rèn)的工作模式一繼續(xù)保持風(fēng)機和光伏的供電，且不斷的給儲能裝置充電；若風(fēng)機和光伏的供電功率小于負(fù)載功率，則需要其他能量進(jìn)行補充，即運行工作模式三，風(fēng)機光伏供電，柴油機組供電，儲能裝置充電。

通過判斷不同儲能系統(tǒng)輸出功率的荷電狀態(tài)進(jìn)而判斷光伏和風(fēng)機的輸出功率和負(fù)載使用功率的大小從而使用不同的供電方式這樣能夠有效合理的提高風(fēng)-光-柴發(fā)電混合儲能系統(tǒng)能源的利用率，充分發(fā)揮不同能源的優(yōu)勢，實現(xiàn)兼顧經(jīng)濟成本和供電可靠性的目標(biāo)。

5.結(jié)語

針對交流微電網(wǎng)風(fēng)—光—柴發(fā)電系統(tǒng)的混合儲能系統(tǒng)能源利用率低的問題，本文提出一種基于系統(tǒng)荷電狀態(tài)（State of charge，SOC）的能量分配策略，研究了不同儲能模塊荷電狀態(tài)的計算方法，并從荷電狀態(tài)的角度出發(fā)，歸納總結(jié)出發(fā)電系統(tǒng)的四種工作模式，對每一種工作模式進(jìn)行了分析討論。結(jié)果表明：提出的基于系統(tǒng)荷電狀態(tài)的能量分配策略能夠有效合理的提高風(fēng)-光-柴發(fā)電混合儲能系統(tǒng)能源的利用率，可為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型微電網(wǎng)的發(fā)展提供一定的理論依據(jù)。