基于低通濾波原理的hess控制策略研究

基于低通濾波原理的hess控制策略研究

0混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行控制策略優(yōu)化風(fēng)能發(fā)電以其良好的污染和永久性能源可永久使用等優(yōu)點(diǎn)，已成為實(shí)現(xiàn)低碳能源可持續(xù)發(fā)展的重要選擇。但由于風(fēng)能具有隨機(jī)性、間歇性和不可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)性,大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)產(chǎn)生的風(fēng)電功率波動(dòng)給電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成了諸多不利影響,甚至威脅著電網(wǎng)的安全運(yùn)行。這又限制了風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模,制約著風(fēng)能的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用。因此,如何提高大規(guī)模風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行性能是風(fēng)電領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。儲(chǔ)能系統(tǒng)由于能夠?qū)崿F(xiàn)電能的時(shí)空平移而被認(rèn)為是平抑風(fēng)電功率波動(dòng)、提高電網(wǎng)風(fēng)電接納能力的有效手段。受經(jīng)濟(jì)條件的約束,能量型儲(chǔ)能系統(tǒng)(如電池儲(chǔ)能)因循環(huán)壽命有限而難以勝任對(duì)風(fēng)電功率高頻波動(dòng)分量的調(diào)控;功率型儲(chǔ)能系統(tǒng)(如超級(jí)電容器)因能量密度低而難以承擔(dān)對(duì)大幅度風(fēng)電功率波動(dòng)的調(diào)控?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)(功率型—能量型儲(chǔ)能介質(zhì)構(gòu)成的儲(chǔ)能系統(tǒng),HESS),如電池—超級(jí)電容器構(gòu)成的HESS,具有循環(huán)次數(shù)高、功率密度高和能量密度高等優(yōu)點(diǎn),最大程度地解決了單獨(dú)使用功率型或能量型儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)受能量密度和運(yùn)行壽命等因素制約的問(wèn)題,可望成為平抑風(fēng)電功率波動(dòng)的有效儲(chǔ)能形態(tài)。HESS運(yùn)行的關(guān)鍵是如何合理設(shè)計(jì)控制策略以充分發(fā)揮2種儲(chǔ)能介質(zhì)的各自優(yōu)勢(shì),進(jìn)而優(yōu)化HESS的整體性能。已有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)電池—超級(jí)電容器構(gòu)成的HESS的運(yùn)行控制策略進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)提出了一種能量層—系統(tǒng)層的雙層結(jié)構(gòu)控制模型,優(yōu)化了HESS的能量管理。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了混合儲(chǔ)能功率電路和包括中央和本地控制單元且具有自適應(yīng)特征的能量管理方案。文獻(xiàn)研究了基于模糊控制的HESS功率優(yōu)化分配策略。以上研究在優(yōu)化HESS控制策略方面做了有益的探索,但在HESS的工程應(yīng)用中,還需關(guān)注控制策略對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行壽命的影響。本文針對(duì)電池—超級(jí)電容器構(gòu)成的HESS,設(shè)計(jì)了基于低通濾波原理的風(fēng)電功率波動(dòng)滯環(huán)平抑控制策略,以減小儲(chǔ)能系統(tǒng)不必要的動(dòng)作次數(shù);基于滑動(dòng)平均值原理確定了電池參考輸出功率,以實(shí)現(xiàn)電池對(duì)風(fēng)電功率趨勢(shì)性波動(dòng)分量的控制,超級(jí)電容器用以平抑風(fēng)電功率中的快變波動(dòng)分量;通過(guò)檢測(cè)電池充放電狀態(tài),構(gòu)建了內(nèi)蘊(yùn)運(yùn)行壽命測(cè)算的HESS控制策略性能評(píng)價(jià)方法?；谀筹L(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),開(kāi)展了HESS平抑風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)的仿真,對(duì)所提出的控制策略的有效性和可用性進(jìn)行了分析。1hess數(shù)學(xué)模型HESS平抑風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)過(guò)程如圖1所示。圖中:Pwind(t)和Pwind′(t)分別為t時(shí)刻經(jīng)HESS平抑前后的風(fēng)電功率;PHESS(t),PBESS(t),PCAP(t)分別為t時(shí)刻HESS、電池和超級(jí)電容器的充電功率。HESS數(shù)學(xué)模型是在給定運(yùn)行約束條件下,對(duì)HESS充放電過(guò)程能量變化的數(shù)學(xué)描述,具體如下。充電過(guò)程:放電過(guò)程:式中:Δt為采樣間隔;EBESS(t)和ECAP(t)分別為t時(shí)刻電池和超級(jí)電容器的剩余能量,受2種儲(chǔ)能介質(zhì)物理?xiàng)l件的約束;ηBESS,C,ηCAP,C,ηBESS,D,ηCAP,D分別為電池和超級(jí)電容器的充放電效率。2平緩風(fēng)電功率波動(dòng)控制戰(zhàn)略設(shè)計(jì)2.1風(fēng)電功率波動(dòng)量表a提取本文采用低通濾波算法對(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)的高頻分量進(jìn)行平抑控制,即HESS的充電功率為:式中:ΔPwind(t)為平抑前的風(fēng)電功率波動(dòng)量,ΔPwind(t)=Pwind(t)-Pwind(t-Δt);τ為濾波時(shí)間常數(shù)。本文引入滯環(huán)控制以避免HESS不必要的頻繁充放電,以提高其運(yùn)行壽命。當(dāng)風(fēng)電功率波動(dòng)量ΔPwind小于給定的滯環(huán)帶寬ΔPε時(shí),令HESS輸出功率為0;反之,控制HESS使ΔPwind小于給定的ΔPε。其中,本文ΔPε按下述方法選取:式中:0≤t′≤t-Δt;ΔPwind′(t′)為平抑后的風(fēng)電功率波動(dòng)量,ΔPwind′(t′)=Pwind′(t′)-Pwind′(t′-Δt)。由此可將風(fēng)電功率波動(dòng)限制在ΔPε內(nèi),避免HESS頻繁充放電。2.2電池分配功率將2.1節(jié)所述算法確定的PHESS(t)在電池與超級(jí)電容器之間進(jìn)行優(yōu)化分配,以優(yōu)化HESS的整體性能。2種儲(chǔ)能介質(zhì)之間的功率分配原則為:電池承擔(dān)趨勢(shì)性慢變分量風(fēng)電的平抑,超級(jí)電容器負(fù)責(zé)快變分量風(fēng)電的平抑。本文基于滑動(dòng)平均值原理設(shè)計(jì)的電池參考功率為:超級(jí)電容器的充電功率為:式中:Ta為滑動(dòng)平均值的時(shí)間尺度,Ta越大,PBESS(t)變化越平緩,反之,PBESS(t)變化越劇烈。由此可知,通過(guò)合理選擇時(shí)間尺度Ta的大小,即可調(diào)節(jié)電池儲(chǔ)能的輸出功率,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能之間的功率分配。3等效充放電系數(shù)由于超級(jí)電容器比電池具有更多的循環(huán)次數(shù),故HESS的運(yùn)行壽命取決于電池壽命,故可通過(guò)測(cè)算電池運(yùn)行壽命以評(píng)價(jià)運(yùn)行控制策略的可用性。電池運(yùn)行壽命與充放電深度密切相關(guān),可將電池在不同充放電深度下的充放電次數(shù)等效為全充全放條件下的充放電次數(shù),從而根據(jù)電池在全充全放條件下的最大循環(huán)次數(shù)計(jì)算電池的運(yùn)行壽命,據(jù)此測(cè)算在采用所設(shè)計(jì)控制策略下的電池壽命。設(shè)電池的充放電深度為Cdepth,最大循環(huán)次數(shù)為NBESS,鋰離子電池的NBESS與Cdepth的關(guān)系見(jiàn)附錄A圖A1。定義電池的等效充放電系數(shù)為:式中:NBESS(x)為Cdepth=x時(shí)電池的最大循環(huán)次數(shù),x∈(0,1);NBESS(1)為Cdepth=1時(shí)電池的最大循環(huán)次數(shù)。α(x)的含義是電池在充放電深度為x時(shí)充放電1次等效為全充全放條件下的充放電次數(shù),取值范圍為0~1。設(shè)電池每天充放電次數(shù)為n,充放電深度分別為x1,x2,…,xn,則電池每天等效充放電次數(shù)為:電池運(yùn)行壽命TBESS的計(jì)算公式如下:通過(guò)TBESS即可測(cè)算在采用所設(shè)計(jì)控制策略下的電池運(yùn)行壽命,為評(píng)價(jià)HESS控制策略的可用性提供理論依據(jù)。4鋰離子電池運(yùn)行特性仿真取某裝機(jī)容量為49.3MW的風(fēng)電場(chǎng),采用由鋰離子電池和超級(jí)電容器組成的HESS對(duì)其輸出功率波動(dòng)進(jìn)行平抑仿真:采樣間隔Δt=10s;鋰離子電池與超級(jí)電容器最大充放電功率分別為5MW和4.9MW,額定容量分別為5MW·h和0.4MW·h,充放電效率均為0.9,鋰離子電池運(yùn)行壽命曲線見(jiàn)附錄A圖A1;儲(chǔ)能介質(zhì)初始荷電狀態(tài)初始值取50%。4.1風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)選取低通濾波截止頻率fc(fc=1/(2πτ))為1/3600Hz,滑動(dòng)平均值時(shí)間尺度Ta=10min,圖2給出了經(jīng)HESS平抑前后風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率和HESS充電功率的波形圖。圖2(a)中,平抑后的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率每分鐘最大波動(dòng)量ΔPmax為572.9kW,遠(yuǎn)小于平抑前風(fēng)電場(chǎng)輸出功率每分鐘最大波動(dòng)量3651.2kW,風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)程度明顯降低。由圖2(b)可知,HESS充電功率波動(dòng)劇烈,但是電池只承擔(dān)慢變分量(小時(shí)級(jí))的平抑控制。圖3給出了HESS充電功率局部放大圖(06:35:00—06:41:40)。由圖可知:超級(jí)電容器承擔(dān)了對(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)快變分量的平抑,其充電功率在零值附近上下波動(dòng),相當(dāng)于在短時(shí)間尺度(分鐘級(jí))內(nèi)對(duì)HESS的總充電功率進(jìn)行“削峰填谷”。圖4給出了不同截止頻率下平抑前后的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率局部放大圖(06:35:00—06:41:40)。由圖可知:逐漸減小fc時(shí),平抑后的風(fēng)電場(chǎng)輸出功率更趨平緩。表1給出了平抑前后風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的各頻次分布。由表1可知:當(dāng)fc由1/900Hz減小到1/2700Hz時(shí)(10-4Hz量級(jí)頻率),平抑后風(fēng)電功率中大于10-4Hz頻段分量的占比逐漸減小,平抑控制效果顯著。圖5給出了不同fc下的HESS充電功率局部放大圖(06:35:00—06:41:40)。由圖可知:在所選fc下電池均保持較平穩(wěn)的放電狀態(tài),有效避免了不必要的頻繁充放電。4.2電池運(yùn)行壽命分析fc取不同數(shù)值時(shí)HESS的工作性能,結(jié)果如表2所示。由表2可知,當(dāng)fc逐漸降低時(shí),ΔPmax逐漸減小,即HESS需要對(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)進(jìn)行更為頻繁的平抑調(diào)控,從而導(dǎo)致電池運(yùn)行壽命隨之降低,例如由1275.7d減小到838.8d。取fc=1/2700Hz,分析在不同Ta下電池的運(yùn)行壽命和超級(jí)電容器荷電量日變化最大值。設(shè)ΔSC-SOC,max為超級(jí)電容器每天荷電狀態(tài)變化的峰谷差,分析結(jié)果如表3所示。由表3可得到如下結(jié)論。1)TBESS和ΔSC-SOC,max均隨Ta的增大而增加,當(dāng)Ta=2min時(shí),TBESS=174.3d,ΔSC-SOC,max=23.9%;當(dāng)Ta=14min時(shí),TBESS=1228.9d,ΔSC-SOC,max=82.7%。由此可知,當(dāng)fc=1/2700Hz時(shí),在給定儲(chǔ)能配置下,Ta=14min時(shí),可最大限度延長(zhǎng)電池運(yùn)行壽命,且可充分利用超級(jí)電容器的容量。2)當(dāng)Ta>14min并逐漸增大,直至ΔSC-SOC,max達(dá)到100%,此時(shí)如增加超級(jí)電容器的容量配置,電池壽命也可得到進(jìn)一步延長(zhǎng),即通過(guò)增加超級(jí)電容器投資換取電池壽命的延長(zhǎng),在工程應(yīng)用中可根據(jù)電池與超級(jí)電容器的實(shí)際成本選取適當(dāng)?shù)腡a,以達(dá)到投資成本的最小化。5控制策略仿真分析本文提出了一種基于低通濾波滯環(huán)控制和滑動(dòng)平均值相結(jié)合的HESS控制策略,其中,電池對(duì)風(fēng)電功率趨勢(shì)性波動(dòng)分量進(jìn)行平抑,而超級(jí)電容器則對(duì)其中的快變波動(dòng)分量進(jìn)行平抑。此外,提出了內(nèi)蘊(yùn)