分布式新能源发电中储能系统能量管理

1、第31卷第1期2012年1月电工电能新技术Advanced Technology of Electrical Engineering and EnergyVol31,No1Jan2012收稿日期:2011-02-21作者简介:董博(1983-,黑龙江籍,博士研究生,研究方向为分布式发电与储能系统;李永东(1962-,河北籍,教授/博导,研究方向为电力电子与电力传动。分布式新能源发电中储能系统能量管理董博,李永东,郑治雪(清华大学电机工程与应用电子技术系,北京100084摘要:本文对蓄电池和超级电容组成储能系统的能量管理进行研究,根据两种储能装置的特点和剩余容量以及分布式发电系统的状态,将储能系

2、统的工作模式分类,并对每种工作模式采用不同的控制策略,发挥蓄电池和超级电容自身的优点,保证系统内部的功率平衡,减小风能、太阳能等新能源发电系统功率波动对外部电网的冲击,并实现孤岛运行。最后通过分布式新能源发电系统仿真和实验平台对控制策略进行了验证。关键词:蓄电池;超级电容;分布式新能源发电;能量管理中图分类号:TM912文献标识码:A文章编号:1003-3076(201201-0022-041引言随着风能、太阳能等新能源发展越来越迅速,在分布式发电系统中,由于系统需要具有运行在孤岛条件下的能力,并给本地负载提供持续可靠的电能,同时,为了减小新能源输出功率的波动对外部电网的影响,储能系统是必不可

3、少的。一种高能量存储密度、响应时间短、成本低、寿命长、易维护的储能装置是我们期望的,但是目前任何一种储能设备均不能满足上述所有要求。蓄电池具有存储容量大,成本低,维护简单等优点,目前已经广泛应用于电动车、微电网等领域1,但是其响应速度慢,充放电次数少等缺点在与风能、太阳能等新能源发电系统配合时显得尤为明显。而超级电容具有能够快速响应、反复充放电次数多等特点,因此将二者结合成为一个储能系统,通过电力电子变流器和能量管理系统的协调控制,使得两个储能装置能够发挥各自的优点,在分布式新能源发电中将得到广泛应用2,3。在如图1所示的交直流母线混合型分布式发电系统中,采用风能(2KW 和太阳能(1KW 发

4、电,通常情况下,二者均运行在最大功率点跟踪状态,由于风能和太阳能输出功率会随天气等因素发生剧烈变化,因此需要超级电容(72V ,70F 作为快速储能装置;为了保持系统长时间能够稳定运行在孤岛状态,采用蓄电池(6节12V ,65AH 串联作为长期储能装置。但是,对于两种不同的储能单元,需要根据自身的特性和剩余容量状态以及外电网的情况采取不同控制策略。2储能系统工作模式超级电容和蓄电池的剩余容量(SOC 是决定系统能量管理的主要参考数据。超级电容的SOC 与端电压的平方成正比,因此通过测量超级电容端电压就可以获得其剩余容量。但是蓄电池工作时端电压与剩余容量没有确定的函数关系,因此需要间接测量,本系

5、统采用卡尔曼滤波和系统参数集成的方法在线计算蓄电池SOC ,在文章4中有所论述。根据超级电容和蓄电池的特性,设定超级电容SOC 在20% 90%间是正常状态,低于20%为低容量状态,高于90%为高容量状态;蓄电池SOC 在30% 90%间是正常状态,低于30%为低容量状态,高于90%为高容量状态。因此,在实际应用中可能出现如表1所示的九种模式,我们对每一个模式采取一种控制策略,在系统运行时通过对超级电容和蓄电池SOC 的检测和外电网的情况来确定储能的控制策略。为了描述方便,将这九种模式分为四类:均正常(模式M NN 、超级电容异常(模式M LN 、M HN 、蓄电池异常(模式M NL 、M N

6、H 、均异常(模式M LH 、M HL 、M LL 、M HH 5。本文将对储能系统在不同模式下并网和孤岛的控制策略进行介绍。第1期董博,等:分布式新能源发电中储能系统能量管理 23Tab1Modes based on SOC of storage systemSOCbatt SOCsc低30%正常30% 90%高90%低20%MLLMLNMLH正常20%90%MNLMNNMNH高90%MHLMHNMHH3不同工作模式的控制策略为了保证系统内的功率平衡,减少功率波动对外部电网的影响,储能系统用于吸收或释放新能源输出与负载消耗的功率差,在忽略变流器损耗等情况下,可以得到等式(1:Pstorage

7、 =Pbatt+Psc=Pwind +PsolarPload(1其中Pstorage 为储能系统吸收的总功率,Pbatt为蓄电池吸收的功率,Psc 为超级电容吸收的功率,Pwind为风机发出的功率,Psolar为太阳能电池板发出的功率,Pload为负载吸收的功率。通过检测风机和太阳能输出的功率和负载吸收的功率可以得到储能系统应该吸收或释放的总功率Pstorage,因此需要根据蓄电池和超级电容的特点和剩余容量状态分配Pbatt 和Psc。 通过检测蓄电池和超级电容的端电压,可以分别得到充放电电流的参考值Ibatt-ref =Pbatt/Vbatt和Iscref=Psc/Vsc。根据电流参考值,对

8、图1中储能系统双向DC-DC变流器采用恒流控制,使储能系统按照要求输出相应的功率,超级电容控制框图如图2所示,蓄电池电流控制与超级电容一致。图2双向DC-DC恒流控制框图Fig2Control strategy of Bi-DC-DC converter3.1储能系统正常模式(MNN这是最常见的工作模式,超级电容和蓄电池的剩余容量均处于正常的区间。由于风能、太阳能具有间歇性特点,而且分布式发电系统中本地负载的增加或减少也是很突然的,因此会产生瞬时的功率变化,即高频功率波动,而由于蓄电池充放电时间常数较大,不能够快速响应高频功率波动,因此需要超级电容吸收或释放这部分功率;而超级电容由于存储能量有

9、限,因此需要蓄电池提供长时间可靠、持续的供电。根据超级电容和蓄电池各自的特点,采用如图3所示的控制策略6。在并网或者孤岛运行时,均可以采用图3所示的控制框图将储能系统需要的总功率按照蓄电池和超级电容的特点分配,并分别得到充放电电流的参考值,再根据图2所示的控制策略产生相应的功率。同时,通过调节增益K,可以改变超级电容和蓄电池的功率分配,数值由超级电容和蓄电池的额定容量24电工电能新技术第31卷和剩余容量确定,例如蓄电池的额定容量和剩余容量均较高时,可以增大K,使得蓄电池承担的功率较多。在并网-孤岛的过渡过程中,通过超级电容快速充放电的特点保证过渡过程功率平衡也非常重要,因此这种控制方法也适用于

10、过渡过程 。图3储能系统功率分配控制框图Fig3Block diagram of power in storage system3.2超级电容异常模式(MLN 、MHN这种模式下,蓄电池剩余容量处于正常区间,而超级电容剩余容量过高或过低,会导致整个储能系统吸收或释放高频功率的能力下降,严重时甚至会使系统丧失对突然天气变化或负载突变的响应能力。因此希望这种异常模式能够快速过渡到正常模式,保持系统的稳定。并网运行时,可以认为外部电网对分布式发电系统来说是无穷大电网,因此超级电容可以从外部电网吸收能量或将过多的能量传递给电网,直到超级电容剩余容量达到正常状态,然后控制策略切换到正常模式。虽然这种控制

11、方法会对电网造成冲击,但由于超级电容存储能量较小,对电网的冲击非常有限,为了保证分布式发电系统的稳定,这种做法是值得的。孤岛运行时,由于没有外部电网的支持,必须实时保证分布式发电系统内的功率平衡,因此超级电容快速响应的能力更是不可缺少的,否则会造成系统失稳。而由于风能、太阳能等新能源输出功率的不确定性,因此在蓄电池和超级电容之间的能量传递就尤为重要,完成这个任务的主要渠道是直流母线。例如,超级电容剩余容量过低时,控制蓄电池输出能量增多,多输出的部分能量由超级电容通过直流母线吸收,直到超级电容剩余容量回归到正常区间。3.3蓄电池异常模式(MNL 、MNH在蓄电池异常模式下,超级电容剩余容量处于正

12、常区间,而蓄电池剩余容量过高或过低,会导致整个微电网系统长时间稳定工作的能力下降,严重威胁到系统的可靠性,因此需要尽快恢复到正常模式。并网运行时,与超级电容异常模式类似,通过与外部电网交换能量的方式使蓄电池剩余容量恢复到正常区间。同样,也会对电网运行产生一定的冲击,但与新能源发电系统直接并网相比影响会小很多。孤岛运行时,需要超级电容通过直流母线给蓄电池传递能量,不过由于超级电容存储能量有限,很难使蓄电池达到正常模式,但系统又没有多余的能量传递给蓄电池,除非切除一定的负载,这是不希望看到的,因此仅能通过超级电容传递能量给蓄电池的方式维持,等待外电网恢复后并网再将蓄电池充电至正常剩余容量状态。3.

13、4超级电容、蓄电池均异常模式(MLH,MHL,MHH,MLL首先考虑前两种情况MLH和MHL模式,无论在并网还是孤岛运行时,均可以通过直流母线互相均衡,进入到前面所述的某个模式下,再按照相应的模式进行控制。如果出现蓄电池和超级电容的剩余容量均过高的情况(MHH模式,在并网运行时,储能系统将多余的能量传递给电网;孤岛运行时,需要风机和太阳能的控制器放弃最大功率点跟踪,控制其输出功率低于负载吸收的功率,差值由储能系统输出,直到储能系统达到正常模式,风机和太阳能重新开始工作在MPPT模式下。若蓄电池和超级电容的剩余容量均过低(MLL 模式,并网运行时,储能系统通过电网吸收能量,使储能系统恢复到正常模

14、式;孤岛运行时,如果风能和太阳能在MPPT工作时仍不能满足负载的需求,只能通过切除不重要负载来保证敏感负荷的正常运行,维持分布式发电系统的稳定,等待新能源输出更大的能量或外部电网恢复后重新并网,这也是最糟糕的一种情况。4仿真和实验结果采用图1所示的分布式新能源发电系统结构,蓄电池(6节12V,65AH铅酸蓄电池单体串联和超级电容(72V,70F通过双向DCDC变流器与直流母线相连。若二者的剩余容量均处于正常状态,通过图3所示的控制策略,高频功率由超级电容释放或吸收,低频功率由蓄电池释放或吸收。图4所示的仿真结果和图5所示的实验结果为储能功率输出之和Pstorage由于负载变化,在1s时由800

15、W上升至第1期董博,等:分布式新能源发电中储能系统能量管理251800W ,在3.2s 时下降至800W 过程中,超级电容和蓄电池放电电流的变化曲线,其中取K =0.9。 图4正常模式下储能装置充放电电流仿真波形Fig4Currents of storage with simulation in MNN 图5正常模式下储能装置充放电电流实验波形Fig5Currents of storage with experiment in M NN图6超级电容异常模式下储能装置充放电电流Fig6Currents of storage in M LN在超级电容异常模式下,如果剩余容量过低,需要超级电容在有高

16、频功率变化时继续为系统提供支持,在空闲时由蓄电池通过直流母线传递能量至超级电容,使其剩余容量恢复至正常区间。图6和图7所示超级电容初始SOC 为17%,处于剩余容量过低状态,此时蓄电池在提供系统所需功率的同时还将多释放部分能量并将这部分能量通过直流母线传递给超级电容,在t =5s 时,系统产生功率波动,控制策略切换到如图3所示情况,在波动结束后,蓄电池继续给超级电容充电直至正常状态。图7超级电容异常模式下储能装置剩余容量Fig7SOC of storage in M LN蓄电池异常模式下仿真结果类似超级电容异常模式。储能系统均异常模式中M LH 、M HL 的亦类似于超级电容异常模式,都是过高

17、的给过低的充电。而M HH 、M LL 模式需要采用放弃MPPT 和切除负载的方式控制。5结论本文将分布式新能源发电系统中,由蓄电池和超级电容组成的混合储能系统按照剩余容量分成若干工作模式,根据超级电容响应速度快,蓄电池存储容量多等特点,对每种工作模式提出了不同的控制策略,根据这些控制策略可以实现分布式发电系统内部的功率平衡,减小对外部电网的冲击,实现孤岛运行,并对储能系统双向DC-DC 变流器控制方法进行介绍,通过变流器的控制,实现混合储能系统的能量管理。最后通过仿真和实验验证了控制策略的有效性。参考文献(References :1鲁宗相,王彩霞(Lu Zongxiang ,Wang Cai

18、xia 微电网研究综述(Overview on microgrid research J 电力系统自动化(Automation of ElecPower Systems ,2007,31(19:100-1072Jiang Zhenhua ,Yu XunweiHybrid DC-and AC-Linkedmicrogrids :towards integration of distributed energy(下转第96页,conton p9696电工电能新技术第31卷Application of expert system and visualization in grid maintenan

19、ce schedulingZHANG Xiao-min1,WANG Wei-zhou2,LIANG Feng2,LIU Wen-ying2,ZHOU Hai-yang2(1.Gansu Electric Power Corporation,Lanzhou730050,China;2.North China Electric Power University,Beijing102206,ChinaAbstract:Expert system and visualization technology are both used in grid maintenance schedulingThe n

20、ormative maintenance data,from grid maintenance database,is inherited from the grid structural knowledge of EMS systemAt the same time the knowledge-base can be constructed on the basis of constraint requirement which is closely re-lated to maintenance,forming maintenance scheduling arrangement expe

21、rt systemIn addition,according to the ac-tive rule model,the maintenance data can be analyzed and adjusted,with“changing color”or“flashing”ways for alarmFinally,a scientific and practical grid maintenance scheduling is compiled automaticallyThe proposed method is proved to be valid and practical by

22、the monthly maintenance scheduling of Lanzhou power gridKey words:maintenance scheduling;production rule;constraint condition;櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆active rule model(上接第25页,contfrom p25resourcesAEnergy2030Conference IEEEC2008.1-83H Nikkhajoei,R H LasseterDistributed genera

23、tion inter-face to the CERTS microgridJIEEE Transon PowerDelivery,2009,24(3:1598-16084L Juang,P KollmeyerSystem identification-based lead-acid battery online monitoring systemAEnergy Con-version Congress and Exposition(ECCEC2010.3903-39105Z Tao,L Peng,B FrancoisPower management strategiesof a DC-cou

24、pled hybrid power system in a microgrid fordecentralized generationA13th European Conferenceon EPE'09C2009.1-106Haihua Zhou,Bhattacharya,TranComposite energystorage system with flexible energy management capabilityfor micro-grid applicationsAEnergy Conversion Con-gress and Exposition(ECCEC2010.2

25、558-2563.Energy management of hybrid storage in distributed generation systemDONG Bo,LI Yong-dong,ZHENG Zhi-xue(Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,ChinaAbstract:This paper focuses on energy management of hybrid storage system which consists of batteries and super-capacitor in a distribu