平滑光伏功率波动的储能系统充放电控制策略研究

杨可林，黄瑞雯，刘皓明

（河海大学 能源与电气学院，南京　211100）

平滑光伏功率波动的储能系统充放电控制策略研究

杨可林，黄瑞雯，刘皓明

（河海大学 能源与电气学院，南京211100）

化石能源资源的日渐稀缺，与快速增长的电力消贾之间的矛盾越来越明显，改变能源战略是现今世界各国亟需面对的问题［1］。光伏发电具有清洁、环保等诸多优点，已成为当今世界可再生能源发电领域的一个研究与应用热点。近些年国家制定大量发展光伏发电的激励政策，使国内的光伏发电得以快速发展。截至2013年底，我国累计光伏装机达到19.42 GW，预计到2015年底，光伏总装机将突破35 GW，光伏装机增速全球第一［2］。

然而，由于光伏发电受光照条件、温度、气候等多种自然条件的影响，其发电功率波动性较大，给电网稳定运行带来巨大挑战［3］。近年来，储能技术的快速发展为解决光伏发电的并网问题提供了一种新的思路。鉴于储能系统良好的调节特性，将其与光伏联合构成发电系统，可显著改善光伏并网的有功输出特性，提高电网运行的安全性和稳定性［4］。2011年，国家电网公司在河北张家口的张北、尚义2个县建设完成国内首个风光储能示范项目［5］。2013年，青海省海北州建成了锌溴液流电池储能系统，并运用到当地光储一体化电站项目中，取得了很好的应用效果。

目前，国内外已有不少学者开展了光伏储能联合发电系统有功功率控制的技术研究。文献［6］基于光伏出力预测，通过控制储能电池的存储与输出功率，减小光伏出力的不确定性。文献［7］利用低通滤波器，选择性地补偿光伏输出较高频段内的波动，平滑光伏输出。文献［8］将可再生能源输出功率期望设为恒定值，控制策略简单，但要求储能容量较大。文献［9］通过加入反馈补偿来修正储能系统的充放电功率，从而控制电池荷电状态避免过度充放电。文献［10］提出模糊有功功率控制策略，在荷电状态（SOC）超出最大值后加入SOC调控指令，在一定程度上优化了电池SOC运行范围和功率平滑效果。

本文以光储联合发电系统为研究对象，在滤波原理的基础上，提出了一种计及电池充放电深度的储能系统充放电控制策略。通过SOC反馈，动态调整储能系统的输出功率，确保电池SOC值不越界，并尽可能避免电池过度充放电，最终通过仿真验证所提策略的有效性。

1　光储联合发电系统拓扑结构

光伏储能联合发电系统有多种拓扑结构，根据储能设备接入光伏发电系统的位置不同，可以分为直流侧接入式和交流侧接入式［11］。前者储能系统经过DC/DC变换器与光伏组件在直流侧并联，通过DC/AC逆变器，实现与电网的连接。由于该拓扑结构中储能系统与光伏装置共用一套逆变器，可降低成本，提高系统响应速度，使储能系统容量得到充分利用。后者储能系统和光伏组件分别通过DC/AC逆变器在交流侧并联，该拓扑结构下同时对光伏电站和储能系统进行协调控制要求较高，所要求的储能系统的容量相对较大［12］。

本文采用直流侧接入方式，光伏储能联合发电系统拓扑结构如图1所示。整个系统由光伏模块、储能模块和并网DC/AC逆变器组成，其中光伏模块由光伏电池阵列和Boost升压变换器组成，储能模块由蓄电池组和双向DC/DC变换器组成［13］。

图1　光伏储能联合发电系统拓扑结构

图1中，光伏阵列具有较强的非线性特性，它的输出直接受光照、温度、负载等因素的影响。光伏阵列通过Boost升压变换器与直流母线相连，可以实现光伏电池阵列在光照和温度变化时尽可能工作在最大功率点，同时把光伏阵列较低电压升到较高的电压。蓄电池经双向DC/DC变换器接到直流侧，可实现能量的双向流动，平抑光伏发电输出功率，起到“削峰填谷”的作用［14］。并网换流器将光伏阵列所发出的电压较低的直流电转化为电压等级适合的交流电，为光伏并网发电提供必备条件。

2　储能系统充放电功率控制策略

2.1基于一阶滤波原理的功率控制策略

光伏发电波动特征比较复杂，波动的时间尺度可从分钟级延伸到小时级甚至更长，为了提高光伏功率平抑效果，通常选取一天的光伏出力数据进行分析［15］。本文选取光伏阵列的输出功率作为控制信号，基于一阶滤波器原理得到平滑后的光伏输出功率，通过储能电池的充电或放电来补偿光伏平滑值与期望值的偏差，基本原理如图2所示。其中，PPV为光伏阵列发出的有功功率；PPO为光伏阵列经低通滤波后的输出有功功率期望；Pref为储能系统有功功率参考值；PBESS为储能系统实际补偿功率；PG为光储联合发电注入电网功率。

图2　基于一阶滤波原理的有功控制框图

滤波时间常数Tf是影响功率波动平抑效果的关键因素，其值越大，平滑效果越好。由拓扑结构可得，储能系统有功功率参考取值Pref为

蓄电池充放电过程中，电池的SOC与电池组的额定容量EBESS关系为

在蓄电池组容量足够大的理想条件下，电池储能系统的输出功率PBESS与其期望输出功率Pref相等，此时储能系统输出功率能够完全满足光伏期望输出功率，有

SOC（s）·EBESS=TfPPO（s）（3）

由式（3）可看出，蓄电池实际充放电容量SOC·EBESS和光伏发电系统期望输出功率PPO呈Tf倍的关系。考虑到蓄电池额定容量EBESS、光伏阵列平均输出功率-PPV和不同的时间常数Tf，可将蓄电池的实际充放电容量ΔSOC·EBESS分为以下3种情况：

（1）当Tf＜EBESS/-PPV时，储能系统的实际充放电容量ΔSOC·EBESS小于蓄电池组的额定容量EBESS；

（2）当Tf=EBESS/-PPV时，储能系统的实际充放电容量ΔSOC·EBESS等于蓄-电池组的额定容量EBESS；

（3）当Tf＞EBESS/PPV时，要求的储能系统的实际充放电容量ΔSOC·EBESS大于蓄电池组的额定容量EBESS。

以时间t轴为横坐标，以蓄电池额定容量EBESS为纵坐标可以绘制如图3所示3条不同滤波时间常数取值时蓄电池充放电容量变化的曲线。

图3　不同滤波时间常数蓄电池充放电容量曲线

2.2计及电池充放电深度的功率-控制策略

由图3可看出，当Tf＞EBESS/PPV时，储能系统的实际充放电容量超出了蓄电池组的额定容量，实际运行中，蓄电池容量不可能无限大。为了避免储能电池的过充及深放，保证光伏功率的平滑效果，引入滤波时间-常数放缩系数 k（0≤k≤1），即T′f=kTf=EBESS/PPV，其意义在于当蓄电池组额定容量有限时，选择性地牺牲一定程度的波动平滑效果。若考虑电池充放电深度约束，即要求容量留有一定的边界裕度，可进一步优化调整放缩系数k，如图4所示。

图4 电池充放电深度

设SOC的上下限边界裕度分别为SOCmh和SOCml，则根据式（2）—式（3）可得电池裕度容量为［16］

（SOCmh+SOCml）·EBESS=EBESS-kTf-PPV（s） （4）

在时间t时，蓄电池放电功率为PBESS（t），则蓄电池的实际放电容量为此时，储能系统期望光伏发电输出容量为EPV（s）=kTfPPO（s）（6）

引入电池SOC反馈控制来修正储能电池的目标输出功率，通过求取电池的实际充放电容量与期望光伏发电量和电池裕度容量的偏差，得到电池的修正功率为

P′BESS（s）=λ（SOC（s）·EBESS-EPV（s）-SOCm（s）·EBESS）（7）

式中：λ为反馈系数，可取λ=1/Tf。

综上可得SOC反馈控制如图5中虚线所示。

图5 SOC反馈控制框图

则经SOC反馈补偿后，光伏储能联合发电注入电网的功率为

PG（s）=PPV（s）+PBESS（s）（8）

在上述储能控制系统的作用下，当PBESS数值为正时，储能系统补偿光伏输出功率，电池呈放电状态；当PBESS数值为负时，储能系统吸收功率，蓄电池呈充电状态。由于考虑了电池的充放电深度，储能系统在运行中的电池荷电状态始终满足SOCml≤SOC≤1-SOCmh，这样既能确保电池不过充过放，也能最大程度地保证功率波动平抑效果。

2.3储能系统的容量配置

国家电网公司规定了光伏发电有功功率变化最大限值［17］，如表1所示。

表1　光伏电站有功功率变化限值规定

从表1可以看出，光伏功率的平滑目标最基本的要求是尽量减少不符合有功功率变化最大限值要求的光伏输出功率，因此，可以通过合理配置储能系统动态补偿光伏发电功率，减少光伏功率的最大变化量，满足并网要求。

储能系统的容量为电池输出功率在时间上的积分，由式（8）可以得到储能系统的容量配置依据［18］

式中：EBESS（t）表示为t时刻储能系统的剩余容量；PG（t）和PPV（t）分别表示为t时刻光伏电池与储能总的输出功率和光伏发电功率。

储能设备的容量需要选取EBESS（t）所有时刻的最大值，通过式（9）可以得到储能电池的最大剩余容量EmaxBESS和最小剩余容量 EminBESS，则储能设备的最低配置容量参考值为

3　算例分析

3.1算例系统

本文以无锡市某160 kW屋顶光伏电站进行分析，取其2013年某日早6:00至18:00的气象数据，包括光照强度、环境温度等项，数据采样间隔10 s，仿真得到该日光伏电站的出力曲线如图6所示。

图6　光伏发电日出力曲线

3.2结果分析

（1）储能容量与平滑效果分析

本文设定光伏功率波动平滑效果评价指标为β［19］，即式中：S1为平滑前不符合光伏功率最大变化限值要求的光伏发电功率所占比重；S2为采用平滑控制策略后不符合光伏功率最大变化限值要求的光储联合发电功率所占比重。

本文中的储能系统主要用于平抑分钟级及以上的光伏功率波动，因此设定一阶滤波环节时间常数Tf≥60 s，且由式（1）和式（9）可知，Tf取值越大，储能系统平滑光伏功率效果越好，但所需配置的储能容量也更高，因此，滤波时间常数可取经典取值Tf=120 s，并设定电池荷电状态初始值SOC0=50%，改变储能系统的容量，可得到随着储能容量的变化，光伏功率波动的平滑效果如图7所示。

图7　储能容量与平滑效果之间的关系

结合图6光伏发电日出力数据和式（9）—式（10）可得储能系统的最低容量配置参考值为40 kWh，因此可取储能系统容量分别为40 kWh、60 kWh和80 kWh，仿真得到对应的光伏平滑输出功率曲线如图8所示。

图8　不同储能容量对应的平滑输出功率

从图7和图8可以看出，储能系统的容量从40 kWh增加到80 kWh时，光伏功率波动平滑效果也随之提升，且变化明显，当储能系统的容a量增加到100 kWh时，继续增大储能系统的容量对光伏功率波动平滑效果影响不大，所以，综合考虑经济性，该屋顶光伏可配置80 kWh储能装置。

（2）计及充放电深度约束平滑效果分析

当光伏发电功率波动较大时，储能电池充放电功率也有较大波动，经常的深充深放对电池寿命有较大影响。因此，考虑正常运行时储能电池的充放电深度约束为20%～80%。取储能系统容量为60kWh，滤波环节时间常数Tf=120 s，SOC0=20%，对计及/不计充放电深度约束2种控制策略分别进行仿真对比，得到平滑后的光储联合发电联络线功率如图9所示，SOC曲线如图10所示。

图9　2种控制策略下联络线功率曲线

图10　2种控制策略下储能电池SOC曲线

由图9和图10可以看到，2种功率控制策略都具有较好的平滑效果，但在11：00至14：00之间光伏功率波动较大时，不计充放电深度约束的控制策略平滑波动效果相对较好，但此时SOC出现了越限现象（SOC＜0.2或SOC＞0.8），即电池出现了过度充放电，对电池本体有一定损害。当计及电池充放电深度约束时，储能系统在整个补偿光伏出力的过程中，SOC始终稳定在［0.2，08］范围内，有效的延长了电池的使用寿命。

4　结束语

由于光伏发电输出功率具有波动性大、随机性强的特点，因此配备一定容量的储能系统以平抑光伏发电输出功率的波动。本文提出了计及电池充放电深度约束的储能系统功率控制策略，不仅能够充分利用储能系统容量配置，最大程度的动态平滑光伏发电系统输出功率波动，同时还能保证储能电池留有一定的裕度容量，维持电池SOC在合理的运行范围内，避免电池的过度充放电，延长了电池的使用寿命。D

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Research on charge-discharge control strategy of battery energy storage system for smoothing photovoltaic power fluctuations

YANG Ke-lin，HUANG Rui-wen，LIU Hao-ming
（College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China）

在光伏发电系统中配备一定的储能装置可以平滑光伏发电的功率波动，提高系统的供电可靠性，增强电网的调控能力。以光储联合发电系统为研究对象，在滤波原理的基础上，设计了一种计及电池充放电深度的储能系统充放电控制策略。该策略计及储能电池荷电状态，防止过度充放电加快其寿命老损，通过调节储能系统输出有功功率，对光伏出力波动进行动态补偿。以无锡市某屋顶光伏电站为例进行了仿真研究，仿真结果表明，所提策略能够充分考虑储能系统容量配置，最大程度的动态平滑光伏发电系统输出功率波动，有效延长储能电池使用寿命。

光储联合发电；功率波动；储能装置；充放电深度；控制策略

Integrating a battery energy storage system（BESS）with photovoltaic systems helps smooth the output fluctuations of photovoltaic power，improve the power supply reliability of the power system，and enhance the regulation capability of the power system.Taking the photovoltaic-energy storage hybrid system as research object，an energy storage’s charge-discharge control strategy accounting charge-discharge depth of the battery is proposed based on the principle of filtering.The strategy considers the stateof-charge（SOC）of the battery to prevent accelerating its aging and damage，which，at the same time，dynamically compensates for the output power of BESS by regulating the output active power of energy storage system.Taking a rooftop photovoltaic system in Wuxi city as an example for the simulation，the results show that the control strategy proposed in this paper can fully consider the capacity configuration of BESS and furthest dynamically smooth the power output fluctuations of photovoltaic power system，and effectively prolong the service life of the battery.

photovoltaic-energy storage hybrid system；power fluctuation；energy storage device；depth of charge-discharge；control strategy

TK512；TM715

A

2015-02-04；

2015-03-04

国家自然科学基金项目（51207044）；新能源电力系统国家重点实验室开放课题资助项目（LAPS13008）

杨可林（1990），男，山东郓城人，硕士研究生，研究方向为新能源发电系统的建模与仿真；黄瑞雯（1991），女，湖北宜昌人，硕士研究生，研究方向为新能源发电系统建模与仿真；刘皓明（1977），男，江苏盐城人，博士，副教授，研究方向为智能电网、电力系统优化运行和电力市场。