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摘 要： 摘 要： 大規(guī)模光伏電站的不斷接入為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大挑戰(zhàn)。 為解決光伏電站出力不確定性所造成的功率波動問題，提高光伏電站在并網(wǎng)點(diǎn)處電壓的穩(wěn)定性，文章采用由蓄電池與超級電容組成的復(fù)合儲能一體化控制方法，提高光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定水平。 首先研
摘 要： 大規(guī)模光伏電站的不斷接入為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大挑戰(zhàn)。 為解決光伏電站出力不確定性所造成的功率波動問題，提高光伏電站在并網(wǎng)點(diǎn)處電壓的穩(wěn)定性，文章采用由蓄電池與超級電容組成的復(fù)合儲能一體化控制方法，提高光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定水平。 首先研究由光伏電源、復(fù)合儲能構(gòu)成的典型復(fù)合儲能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下儲能雙層優(yōu)化控制策略;其次，在不同儲能介質(zhì)的荷電狀態(tài)與充放電特性模型基礎(chǔ)上，研究基于不同光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動場景的多儲能介質(zhì)組合電壓波動抑制優(yōu)化控制模型及其求解算法;最后，以并網(wǎng)光伏電站數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立光伏復(fù)合儲能電壓波動優(yōu)化控制仿真模型。 仿真結(jié)果及其分析表明，文章所提出的基于復(fù)合儲能的并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動抑制模型能夠有效提升并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定性能。
關(guān)鍵詞： 復(fù)合儲能; 電壓控制; 容量配置; 超級電容
0 引言
近年來，隨著儲能設(shè)備的發(fā)展，大規(guī)模儲能系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。 在電力系統(tǒng)中，儲能設(shè)施可靈活地接入系統(tǒng)，且儲能設(shè)備的投入幾乎不受地理位置的限制。 儲能裝置可安裝在光伏電站，實(shí)現(xiàn)儲能裝置和光伏發(fā)電設(shè)備的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，達(dá)到穩(wěn)定控制并網(wǎng)電壓的效果[1]，[2]。 當(dāng)系統(tǒng)中光伏出力較大，且負(fù)荷無法全部消納光伏電站輸出的電能時， 可通過儲能系統(tǒng)吸收部分電能，合理控制儲能系統(tǒng)中蓄電池及超級電容的充放電時間，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電壓波動抑制。
國內(nèi)外專家學(xué)者針對可再生能源出力波動性的抑制問題進(jìn)行了大量研究。 文獻(xiàn)[3]分析了分布式電源出力情況， 根據(jù)變流器的控制特性，采用一種基于阻尼分配的無源控制策略，提高超級電容電池儲能系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。 文獻(xiàn)[4]針對超級電容儲能系統(tǒng)提出了一種滑模控制方法，可在一定程度上提高超級電容的充電效率，提高了設(shè)備的使用壽命，使得電池儲能系統(tǒng)在應(yīng)對暫態(tài)情況下具有更快的響應(yīng)速度，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的魯棒性。 文獻(xiàn)[5]，[6]采用模糊控制算法對超級電容電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行控制， 利用該控制策略在保證直流母線電壓穩(wěn)定的前提下， 提高電池儲能系統(tǒng)的功率輸出能力。 文獻(xiàn)[7]通過重新設(shè)計電池儲能部分，協(xié)調(diào)控制電池儲能與超級電容，在一定程度上緩解了獨(dú)立光伏電站出力波動對電池組的儲能壓力。 文獻(xiàn)[8]分析了獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)和并網(wǎng)微電網(wǎng)系統(tǒng)在儲能方面所面臨的挑戰(zhàn)， 并在儲能技術(shù)的研究和實(shí)踐上提供必要的理論指導(dǎo)。 為了保證電力系統(tǒng)在供能安全可靠的前提下， 使得整個系統(tǒng)的碳排放量最低，文獻(xiàn)[9]～[12]研究了基于碳交易的含大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)復(fù)合儲能優(yōu)化調(diào)度方法。 以上研究大多是研究儲能系統(tǒng)的優(yōu)化控制算法， 但是對于有關(guān)復(fù)合儲能中超級電容與蓄電池之間的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，抑制光伏電站的出力波動，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的研究較少。
本文為解決光伏電站出力不確定性對并網(wǎng)點(diǎn)造成的電壓波動問題， 通過分析光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動安全范圍， 結(jié)合復(fù)合儲能系統(tǒng)中蓄電池及超級電容充放能特性， 建立了復(fù)合儲能間協(xié)調(diào)優(yōu)化的控制模型;采用雙層優(yōu)化控制策略，實(shí)現(xiàn)光伏電站輸出的穩(wěn)定性;在不同頻率信號下，調(diào)度不同的儲能設(shè) 備進(jìn)行充放電; 采用改進(jìn)粒子群優(yōu)化控制算法，實(shí)現(xiàn)光伏電站與復(fù)合儲能一體化的電壓優(yōu)化控制。
1 光伏混合儲能系統(tǒng)模型
1.1 混合儲能系統(tǒng)拓?fù)淠Ｐ?/p>
隨 著 光 伏 發(fā) 電 并 網(wǎng) 容 量 的 不 斷 增 加 ， 電網(wǎng)受 到 的 不 確 定 性 沖 擊 也 隨 之 增 加 。 為 應(yīng) 對和解 決 光 伏 電 站 的 出 力 波 動 性 及 不 確 定 性 對電網(wǎng) 電 壓 造 成 的 沖 擊 問 題 ， 根 據(jù) 圖 1 所 示 的光伏 電 站 復(fù) 合 儲 能 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) ， 進(jìn) 行 光 伏 電 站電壓控 制。
當(dāng)蓄電池儲能裝置電源突然變化時，超級電容進(jìn)行吸收緩沖或提供瞬態(tài)電流，為系統(tǒng)電壓穩(wěn)定提供必要調(diào)節(jié)作用。 超級電容與蓄電池協(xié)調(diào)控制過程中， 控制系統(tǒng)將動態(tài)能量交換定向到超級電容儲能系統(tǒng)， 在外部環(huán)境發(fā)生變化時保證蓄電池存儲的電能充放平衡。
1.2 雙層優(yōu)化控制策略
針對復(fù)合儲能系統(tǒng)中蓄電池及超級電容的儲能差異、儲能單元 SOC 過高或過低導(dǎo)致儲能系統(tǒng)充放能特性不穩(wěn)定等問題， 本文提出計及儲能調(diào)節(jié)電壓和 SOC 恢復(fù)的多儲能系統(tǒng)調(diào)壓雙層優(yōu)化策略。 優(yōu)化控制框架包括儲能系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)優(yōu)化層和儲能單元 SOC 優(yōu)化層(圖 2)。
系統(tǒng)電壓控制優(yōu)化層采用儲能電站功率優(yōu)化分配模型。 綜合考慮各儲能單元的電壓調(diào)節(jié)和剩余的充放能容量， 在復(fù)合儲能間分配蓄電池及超級電容的儲能容量。 SOC 優(yōu)化層采用儲能單元 SOC 優(yōu)化模型。 將電壓調(diào)節(jié)優(yōu)化層優(yōu)化結(jié)果在每個儲能電站內(nèi)部的各儲能單元之間進(jìn)行再分配，以儲能單元 SOC 狀態(tài)最佳為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)儲能單元 SOC 的恢復(fù)。
本文所提的雙層優(yōu)化控制策略可實(shí)現(xiàn)電壓的分級控制，既能抑制光伏電站并網(wǎng)功率波動，又能對儲能單元 SOC 進(jìn)行合理優(yōu)化，保證復(fù)合儲能系統(tǒng)在任何情況下電壓控制的可靠性。
針對光伏電站出力波動性， 通過超級電容的快充快放特性，最大限度地減少動態(tài)功率交換，緩解電池存儲壓力。 使用低通濾波器將凈功率需求分解為高頻和低頻分量，在控制系統(tǒng)中，超級電容主動為高頻電源進(jìn)行能量交換， 而低頻電源將由蓄電池供電。為了實(shí)現(xiàn)混合儲能協(xié)調(diào)控制，采用一種超級電容優(yōu)先蓄電池后補(bǔ)的混合儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略。當(dāng)系統(tǒng)電壓突然升高時，蓄電池組和超級電容共同維持新能源直流側(cè)電壓穩(wěn)定。 該控制策略可分為共同充電狀態(tài)、超級電容充電狀態(tài)、超級電容放電狀態(tài)、共同放電狀態(tài)。復(fù)合儲能協(xié)調(diào)控制如圖 3 所示。
1.3 復(fù)合儲能能量協(xié)調(diào)模型
為確定在不同功率波動下復(fù)合儲能系統(tǒng)中蓄電池和超級電容的儲能容量分配， 應(yīng)充分考慮儲能設(shè)備能量值與初始能量。
2 光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動優(yōu)化控制模型
2.1 目標(biāo)函數(shù)
復(fù)合儲能系統(tǒng)的主要優(yōu)化目標(biāo)是盡量減少由于光伏電站接入對電網(wǎng)帶來的電壓波動， 同時能夠在一定程度上降低系統(tǒng)網(wǎng)損， 提升電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性水平。
3 改進(jìn)量子粒子群算法
為得到并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動最小的最優(yōu)結(jié)果，采用 量 子 粒 子 群 算 法 (Quantum Particle Swarm Optimization，QPSO)對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解計算。利用 QPSO 求解高難度的復(fù)雜問題時， 可能會遇到尋優(yōu)能力差、早熟收斂的問題。本文采用一種改進(jìn) QPSO 求解模型，應(yīng)對含有多個決策變量、多個約束的高維非線性所造成的動態(tài)波動問題。
4 仿真驗(yàn)證
為了驗(yàn)證本文所提出的光伏電站復(fù)合儲能電壓波動抑制雙層優(yōu)化控制方法的有效性，以實(shí)際光伏電站與復(fù)合儲能裝置為例進(jìn)行仿真驗(yàn)證。圖 5 為復(fù)合儲能系統(tǒng)仿真圖。 復(fù)合儲能系統(tǒng)中光伏電站容量以及儲能裝置容量相關(guān)參數(shù)如表 1 所示。
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設(shè)定工況： 復(fù)合儲能系統(tǒng)中的儲能電量為額定電量的 1/3，在第 5 秒時，光伏出力突然增加，此時蓄電池及超級電容充電。 超級電容及蓄電池在充電過程中的荷電狀態(tài)變化情況如圖 6 所示。
圖 7 為控制前后的光伏出力波動曲線。 由圖 7 可以看出，利用改進(jìn)量子粒子群算法，通過負(fù)荷儲能的充放能協(xié)調(diào)， 得到平抑后的光伏并網(wǎng)功率波動曲線的波動幅值變小， 且在尖峰位置尤其顯著。
圖 8 為母線電壓波動情況。由圖 8 可知，在第 5 分鐘時，光伏出力突然增加，超級電容及蓄電池通過儲能消納多余電量， 超級電容比蓄電池響應(yīng)更快;超級電容可無延時響應(yīng)電源出力變化，儲能電池通過發(fā)出感性無功來抑制系統(tǒng)的電壓升高，使得系統(tǒng)電壓保持相對穩(wěn)定。仿真結(jié)果顯示，通過復(fù)合儲能優(yōu)化控制后， 系統(tǒng)電壓能夠保持相對穩(wěn)定，系統(tǒng)具有較好的高電壓穿越能力。
當(dāng)系統(tǒng)某日的光伏出力和負(fù)荷功率如圖 9 所示， 通過優(yōu)化算法得到蓄電池儲能與超級電容儲能的功率分配如表 2 所示。
通過雙層優(yōu)化控制， 蓄電池以及超級電容的優(yōu)化分配如圖 10 所示。
系統(tǒng)頻率變化標(biāo)幺值如圖 11 所示。 由圖 11 可知，當(dāng)光伏電站出力突然增加時，蓄電池與超級電容吸收光伏電站發(fā)出的多余有功出力， 共同維持系統(tǒng)穩(wěn)定。仿真結(jié)果表明，采用基于量子粒子群優(yōu)化的控制方法實(shí)現(xiàn)電池儲能與超級電容儲能的優(yōu)化控制， 可在一定程度上提高光伏電站并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的穩(wěn)定性。
5 結(jié)束語
本文研究了復(fù)合儲能系統(tǒng)中蓄電池和超級電容充放能特性， 通過建立的復(fù)合儲能協(xié)調(diào)的雙層優(yōu)化控制策略， 實(shí)現(xiàn)了儲能電池與超級電容協(xié)同配合。通過改進(jìn)粒子群優(yōu)化控制算法，可快速得到儲能裝置的充放電功率及容量， 實(shí)現(xiàn)了光伏電站與復(fù)合儲能一體化電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性控制。——論文作者：孫 闊 1 ， 張雪菲 2 ， 遲福建 1 ， 李桂鑫 1 ， 羅 濤 2 ， 張 梁 2，3
參考文獻(xiàn)：
[1] 朱慧敏，苑舜，李春來.基于可變下垂系數(shù)的光伏電站無 功 電 壓 控 制 策 略 [J]. 可 再 生 能 源 ，2020，38 (8)： 1103-1108.
[2] 段正陽，李冰，黃珣，等.適應(yīng)電網(wǎng)側(cè) AGC 不同控制模式的光伏發(fā)電參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié) [J]. 可再生能源， 2020，38(3)：373-379.
[3] 張自東，邱才明，張東霞，等. 基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的微電網(wǎng)復(fù)合儲能協(xié)調(diào)控制方法 [J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2019，43 (6)：1914-1921.
[4] 王洲，張軍，賈春蓉，等. 基于 Q 學(xué)習(xí)的光伏儲能微網(wǎng) VSG 與 APF 協(xié)調(diào)優(yōu)化研究 [J]. 可再生能源，2021，39 (7)：982-987.
[5] 韓永強(qiáng)，王學(xué)超，孫碣，等.分布式多源儲能模糊聚類集群協(xié)調(diào)優(yōu)化模型[J].可再生能源，2020，38(6)：831- 836.
[6] 張自東，邱才明，張東霞，等.基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的微電網(wǎng)復(fù)合儲能協(xié)調(diào)控制方法 [J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2019，43 (6)：1914-1921.
[7] 閆林芳，劉巨，石夢璇，等.基于模糊邏輯算法的直流微電網(wǎng)復(fù)合儲能系統(tǒng)功率自適應(yīng)分配策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2019，39(9)：2658-2670.
[8] 鐘睿，滕松，梁睿，等.基于復(fù)合儲能系統(tǒng)的礦區(qū)電網(wǎng)頻率彈性提升方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2019，43(7)：2291- 2298.
[9] 周博，宋明剛，黃佳偉，等.應(yīng)對區(qū)域供電線路故障的多功能復(fù)合儲能優(yōu)化配置方法[J].電力系統(tǒng)自動化， 2019，43(8)：25-33.
[10] 車泉輝，吳耀武，祝志剛，等.基于碳交易的含大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)復(fù)合儲能優(yōu)化調(diào)度 [J]. 電力系統(tǒng)自動化，2019，43(3)：76-82，154.
[11] 周建宇，閆林芳，劉巨，等.基于一致性理論的直流微電網(wǎng)混合儲能協(xié)同控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報， 2018，38(23)：6837-6846，7118.
[12] 楊天蒙，宋卓然，婁素華，等.用于提高風(fēng)電滲透率的復(fù)合儲能容量優(yōu)化研究 [J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2018，42(5)： 1488-1494.
[13] 嚴(yán)毅，張承慧，李珂，等.含壓縮空氣的微網(wǎng)復(fù)合儲能系統(tǒng)主動控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報，2017，32(20)： 231-240.
[14] 閆曉金.獨(dú)立光伏發(fā)電混合儲能系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換控制研究[J].可再生能源，2020，38(10)：1368-1374.