电池储能系统两模式协调控制策略

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电力系统及其自动化学报 Proceedings of the CSU - EPSA 第 33 卷第 2 期 2021 年 2 月 Vol. 33 No. 2 Feb. 2021 电池储能系统两模式协调控制策略魏炜 1 ，陈晗 1 ，朱洁 2 ，徐弢 1 ，赵贺 2 ，李子衿 2 （ 1. 天津大学智能电网重点实验室，天津 300072 ； 2. 国网北京市电力公司，北京 100031 ）摘要针对混合储能存在运行模式较为固定、利用水平有待提高的问题，基于一种分布式光伏 - 电池储能联合系统典型结构，提出了一种电池储能系统平抑波动 - 峰谷套利两模式协调控制策略。利用电池储能系统可运行于不同模式的特点，根据光伏发电功率中频分量的波动特性，对电池储能系统各电池组串的运行模式在平抑波动和峰谷套利之间进行动态分配和灵活调控，满足系统运行需求的同时，有效提高电池储能系统的利用水平。最后，通过典型算例对所提控制策略的有效性进行了验证。关键词电池储能系统；两模式协调控制策略；平抑波动；峰谷套利中图分类号 TM 615 文献标志码 A 文章编号 1003- 8930 （ 2021 ） 02 - 0116- 06 DOI 10. 19635/j.cnki.csu - epsa. 000673 Two - mode Coordinated Control Strategy for Battery Energy - storage System WEI Wei 1 ， CHEN Han 1 ， ZHU Jie 2 ， XU Tao 1 ， ZHAO He 2 ， LI Zijin 2 （ 1. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education ， Tianjin University ， Tianjin 300072 ， China ； 2. State Grid Beijing Electric Power Company ， Beijing 100031 ， China ） Abstract Aimed at the problems in a hybrid energy - storage system （ HESS ） such as fixed operating mode and insuffi ⁃ cient utilization level ， a two - mode （ i.e. ， smoothing fluctuation and peak - valley arbitrage ） coordinated control strategy for battery energy - storage system （ BESS ） is proposed in this paper ， which is based on a typical structure of distributed photovoltaic （ PV ） - BESS joint system. Considering that the BESS can operate in different modes ， the operating mode of each battery series in the BESS is dynamically distributed and flexibly regulated between these two modes according to the fluctuation characteristics of the intermediate - frequency component of PV power. As a result ， the operating require ⁃ ments for the system are satisfied ， and the utilization level of BESS is improved effectively at the same time. Finally ， the validity of the proposed control strategy is verified by a typical numerical example. Keywords battery energy - storage system （ BESS ）； two - mode coordinated control strategy ； smoothing fluctuation ； peak - valley arbitrage 以分布式光伏为代表的可再生能源发电技术具有可靠、清洁环保等优势，近年来在配电网中的应用规模快速增长。但其固有的随机波动性以及可控性差的问题，大量接入将对配网安全运行带来巨大威胁 [ 1 ] 。在配网中通过配置储能系统减少可再生能源高比例接入带来的不利影响，已成为学术界和工业界广泛认可的技术手段。电池储能系统具有可快速双向调节功率、充放电模式切换灵活等优势，在促进可再生能源消纳、提高配网安全性等方面发挥积极作用 [ 2 - 3 ] ，但目前电池储能系统的造价成本依旧偏高，限制了其在配网中的推广应用。研究合理的电池储能系统运行控制策略，在实现对可再生能源功率波动有效平抑的同时提高储能系统的利用效率，具有重要的现实意义。风、光等可再生能源发电在不同频段有不同的波动特性，对电力系统的影响也有所不同。现有研究主要是通过配置混合储能系统对不同频段的波动分量予以平抑。文献 [ 4] 提出了一种可再生能源功率高频分量由系统消纳、蓄电池和超级电容分别补偿其低频和中频分量的控制策略；文献 [ 5 ] 提出了一种混合储能容量配置方法，根据样本周期内不平衡功率低频和高频分量的最大幅值确定电池储能和超级电容的容量配置，但此方法存在储能系统配置冗余的情况；为应对可再生能源接入给系统安全性带来的影响，文献 [ 6 - 7] 提出了一种混合控制策略，其中电池储能和超级电容分别平抑波动幅度超收稿日期 2020- 09- 20 ；修回日期 2020 - 11 - 05 网络出版时间 2020 - 11- 10 17 04 58 基金项目国家重点研发计划资助项目（ 2016YFB 0900500， 2016 YFB 0900503 ）魏炜等电池储能系统两模式协调控制策略魏炜等电池储能系统两模式协调控制策略 · 117 · 第 33 卷出并网标准的风电功率信号的分钟级波动分量和秒级高频分量；文献 [ 8] 提出了一种最大功率跟踪和混合储能协调平抑光伏功率波动策略；文献 [ 9] 提出一种混合储能控制策略，混合储能可根据光伏发电波动情况运行于不同模式并协调切换。除此之外，混合储能还可根据不同储能类型进行平抑波动和峰谷套利，提高系统运行安全性和经济性。文献 [ 4 ， 10] 均是采用电池储能作为能量型储能进行削峰填谷，提高系统收益以及超级电容作为功率型储能平抑可再生能源高频波动的混合储能配置思路。可以看出，混合储能在处理可再生能源不同频段波动分量方面具有良好效果。但混合储能的组成和运行模式较为固定，存在储能资源利用不够充分的问题。实际上，电池储能系统具有较快的响应速度和较大的能量密度，在平抑可再生能源短期功率波动 [ 5 - 8 ， 11 ] 和峰谷套利 [ 4 ， 10， 12 - 13] 等不同场景均可发挥积极作用。根据系统中可再生能源功率波动情况对电池储能系统各电池组串的运行模式进行动态分配和灵活调控，以提高电池储能系统利用效率，具有一定的可行性。基于上述分析，本文首先建立了一种分布式光伏 - 电池储能联合系统，通过引入本地协调控制系统实现了光伏发电功率波动的预测和分解，以及控制信号的传递。在此基础上，提出了一种电池储能系统平抑波动 - 峰谷套利两模式协调控制策略。根据光伏发电功率中频波动分量，对电池储能系统各电池组串的运行模式进行动态分配和灵活调控，在满足系统平抑波动需求的基础上，实现系统运行经济性和电池储能系统利用水平的提升。 1 分布式光伏 - 电池储能联合系统为支撑电池储能系统两模式协调控制，本文建立了一种分布式光伏 - 电池储能联合系统，其结构如图 1 所示。其中，引入本地协调控制系统，其功能主要为对光伏功率进行超短期预测和频段分解，向配网调度机构反馈电池组串预分组和运行状态等信息以及向电池管理系统 BMS （ battery man ⁃ agement system ）转发配网调度机构的功率指令等。协调控制系统可与 BMS 系统和配网调度机构一起配合，实现光伏发电功率波动平抑以及峰谷套利。考虑到电池储能系统需响应不同频段的信号，本文选用磷酸铁锂电池，其充电倍数可达 3. 33，放电倍数高达 10 . 7 ，深度循环寿命可达到 4 700 次以上 [ 14 ] 。各电池组串经变流器接入电网，储能变流器同时接入协调控制系统和 BM S 系统的控制信号，根据其所在组串运行模式在 2 个控制信号之间进行切换。选取 1 min 作为光伏发电功率高频和中频的分界时间尺度，再选用 6 层 db5 小波包对光伏功率信号进行分解，得到对应 S 6, 0 频段的低频、 S 6, 1 S 6, 2 频段的中频和 S 6, 3 S 6, 63 频段的高频分量。中频波动分量由平抑波动模式的电池组串平抑，低频波动分量由峰谷套利模式的电池组串按照配网调度机构指令控制，高频波动分量由配电网消纳 [ 4 - 15] 。 2 电池储能系统两模式协调控制策略电池储能系统两模式协调控制策略可根据分布式光伏的功率波动特性动态调整各电池组串运行模式。基于协调控制系统分解的光伏功率中频分量，两模式协调控制原理见图 2。图中，控制策略主要分为电池组串容量分配策略（实线部分）以及两模式协调控制策略（虚线部分）两部分。 2. 1 电池储能容量分配策略电池储能容量分配策略主要用于根据光伏发电预测结果，对下一控制周期各电池组串的运行模式进行预分配。具体步骤如下。图 1 分布式光伏 - 电池储能联合系统结构 Fig. 1 Structure of distributed photovoltaic （ PV ） - battery energy - storage system （ BESS ） joint system 系统负荷变压器上级电网光伏逆变器光伏电站协调控制系统配网调度机构电池管理系统电池阻串变流器电池阻串变流器系统母线电池储能系统 P l o a d P l o a d P P V P b u y P P V P P V f . m i d P F l u c B P E S B P E S B . r e f P E S B . r e f P E S B . r e f 电力流信息流图 2 两模式协调控制原理 Fig. 2 Principle of two - mode coordinated control 峰谷套利电池组串峰谷套利电池组串平抑波动电池组串 BMS 协调控制系统配网调度机构光伏电站 P F l u c B P F l u c B S O C F l u c B P F l u c B P F l u c B . r e f S O C E S B P E S B P E S B . r e f P m a x P V f . m i d P E S . m a x B P E S . m a x B W E S B P E S B P E S B . r e f S O C E S B P E S B . r e f S O C E S B P E S B W E S B P P V f P P V P P V电力系统及其自动化学报 · 118 · 第 2 期步骤 1 协调控制系统基于光伏实测历史数据 P P V ，开展下一控制周期的光伏发电超短期预测，并将结果上报配网调度机构。步骤 2 协调控制系统对光伏预测功率 P P V f 进行小波分解，得到中频分量 P P V f . m i d ，并将其峰值 P m a x P V f . m i d 发送至 BMS 系统。步骤 3 BMS 系统对电池组串按规则进行运行模式分配，协调控制系统对下一控制周期峰谷套利模式的电池组串 SOC 进行估算，并连同 BMS 系统反馈信息上报配网调度机构。第 T 个控制周期内进行平抑波动和峰谷套利的电池组串数量分别为 ì í î n F l u c T m i n { é ù P m a x P V f . m i d T / P b a t . e a c h , n b a t } n E s T n b a t - n F l u c T （ 1 ）式中 n F l uc T 和 n E s T 分别为进行平抑波动和峰谷套利电池组串数量； P ba t . e a c h 为每组电池组串变流器额定功率； é ù · 表示向上取整； n ba t 为电池组串总数。因此该控制周期内运行于平抑波动模式和峰谷套利模式的电池组串最大充、放电功率 P F l uc T 和 P E s T 及容量 W F l uc T 和 W E s T 的求解公式分别为 { P F l uc T n F l u c T P ba t . e a c h P E s T n E s T P ba t . e a c h （ 2 ） { W F l uc T n F l uc T W ba t . e a c h W E s T n E s T W ba t . e a c h （ 3 ）式中， W ba t . e a c h 为每组电池组串额定容量。协调控制系统对下一控制周期峰谷套利模式的电池组串 SOC 进行估算，即 SO C E s B T 1 E B T - ∑ t 1 N t P E s B . r e f t Δ t - ∑ m 1 N m P F l uc B m Δ t s a m W B （ 4 ）式中 E B T 为电池组串在当前控制周期开始时的电量； N t 为调度周期总数； P E B . r e f t 为第 t 个调度周期内峰谷套利电池组串的充放电功率，取正表示放电，取负表示充电； Δ t 为调度周期时长； Δ t s a m 为光伏功率中频波动采样间隔； N m 为该控制周期内中频波动采样总次数； W B 为电池组串容量； P F l uc B m 为第 m 个中频采样点平抑波动模式电池组串的充放电功率，表达式为 P F l uc B m { m i n { - P P V . m i d m , P F l uc T } P P V . m i d m 0 （ 5 ） 2. 2 两模式协调控制策略两模式协调控制策略主要用于根据实时接收到的光伏发电信号，计算平抑波动模式电池组串的功率指令。具体步骤如下。步骤 1 BMS 系统将平抑波动电池组串变流器控制信号源切换为协调控制系统。步骤 2 协调控制系统对实时接收的信号 P P V 进行小波分解，得到中频分量 P P V . m i d ，各电池组串充放电功率信号的求解公式为 P F l uc B - P P V . m i d / n F l uc （ 6 ）图 3 给出了平抑波动电池组串 SOC 区域的划分情况。为避免平抑波动电池组串发生过充 / 过放的现象，需要根据各电池组串 SOC 对 P F l uc B 进行修正，规则如下。（ 1 ）当电池组串 SOC 在正常区域时，有 P F l uc B . r e f P F l uc B （ 7 ）（ 2 ）当电池组串 SOC 在过充警戒区域时，若 P F l uc B 0，其放电功率指令由式（ 7 ）求得；若 P F l uc B 0，电池组串应放慢放电速度，直到 SOC 减小至 SO C F l uc . M i n B 时停止，功率调整公式为 P F l uc B . r e f SO C t - S O C F l uc . m i n B SO C F l uc . l o w B - SO C F l uc . m i n B P F l uc B （ 9 ）然后将 SOC 尚处于正常区域的平抑波动电池组串按照上述方法进行再次分配，直至 P P V . m i d 分配图 3 平抑波动模式电池组串 SOC 区域划分情况 Fig. 3 SOC region division of battery series in smoothing fluctuation mode S O C F l u c . M a x B S O C F l u c . h i g h B S O C F l u c . l o w B S O C F l u c . M i n B 过充警戒区域正常区域过放警戒区域魏炜等电池储能系统两模式协调控制策略 · 119 · 第 33 卷完毕或所有电池组串均无可分配容量。步骤 3 BMS 系统接收经由协调控制系统发送的配网调度机构功率指令 P E s B . r e f ，下达给峰谷套利的电池组串，并将其信息反馈至配网调度机构。电池储能系统两模式协调控制流程见图 4 。 3 算例仿真本文以某地区 1 MW 装机容量的光伏电站为研究对象，分别在春季晴朗天气和多云天气下，搭建仿真模型来验证所提电池储能系统协调控制策略的有效性。其中，电池储能系统 PCS 额定功率为 500 kW ，额定容量为 1 500 kW · h ，电池组串总数为 16，单个电池组的额定功率为 31 . 25 kW [ 16 ] ， SOC 允许范围为 0. 15 0. 85 。各时段分时电价取值情况参见文献 [ 17 ] 。不同典型天气下光伏功率曲线、光伏功率中频分量幅值曲线以及电池组串分组情况分别如图 5 图 7 所示。通过图 6 和图 7 可以看出，与晴朗天气相比，多图 4 电池储能系统两模式协调控制流程 Fig. 4 Flow chart of two - mode coordinated control for BESS 开始协调控制系统基于 P P V 进行超短期功率预测并上报配网调度机构协调控制系统对 P P V f 进行小波包分解，并将 P m a x P V f . m i d 发送至 BMS 协调控制系统根据式（ 4 ）对下一控制周期峰谷套利电池组串 SOC 估算，将信息汇总后上报配网调度机构平抑波动模式电池组串变流器的控制信号源由 BMS 切换为协调控制系统进行峰谷套利模式协调控制系统接收向 BMS 转发配网调度机构下达的峰谷套利功率指令 BMS 接收峰谷套利功率指令并发送至峰谷套利电池组串变流器执行 BMS 收集电池组串状态信息，经协调控制系统向配网调度机构反馈进行平抑波动模式协调控制系统对 P P V 进行小波包分解，得到中频波动分量 P P V . m i d 协调控制系统根据式（ 6 ）式（ 9 ）得到平抑波动各电池组串充放电功率指令，并发送至平抑波动电池组串变流器执行 BMS 根据式（ 1 ）式（ 3 ）进行电池组串容量分配，并将分组信息发送至协调控制系统电池组串控制信号源为 BMS 结束电池组串容量分配阶段两模式协调控制阶段是否（ a ）晴朗天气 800 700 600 500 400 300 200 100 功率 / kW 0 时间 / h 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 实际功率预测功率 24 （ b ）多云天气 1 000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 功率 / kW 0 时间 / h 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 预测功率实际功率 24 图 5 不同典型天气下光伏功率曲线 Fig. 5 PV power curves under different typical weather conditions （ a ）晴朗天气（ b ）多云天气图 6 不同典型天气下光伏功率中频分量幅值曲线 Fig. 6 PV power intermediate - frequency component curves under different typical weather conditions 30 20 10 0 - 10 - 20 - 30 功率 / kW 0 时间 / h 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 250 200 150 100 50 0 - 50 - 100 - 150 - 200 功率 / kW 0 时间 / h 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24电力系统及其自动化学报 · 120 · 第 2 期云天气下中频分量波动幅值更大，在相应时段需要投入更多的电池组串进行平抑波动。晴朗天气下不同时段光伏中频分量幅值很小，只需投入 1 组电池组串参与平抑波动即可。不同天气条件下电池储能系统平抑波动前后光伏功率曲线和电池储能峰谷套利模式的充放电功率曲线分别如图 8 和图 9 所示。通过图 8 可以看出，在不同典型天气下，电池储能系统对光伏发电功率的波动均有明显的平抑效果。尤其是多云天气条件下，分配为平抑波动模式的电池组串较多，平抑波动的效果更为显著。通过图 9 可以看出，晴朗天气条件下，分配为峰谷套利模式的电池组串较多，电池储能系统可以通过峰谷套利获取更多的收益。根据文献 [ 11] 所提模型计算系统峰谷套利，多云天气下峰谷套利为 1 241. 46 元，晴朗天气下峰谷套利为 1 382 . 75 元。由此可以看出，本文所提电池储能两模式协调控制策略能够根据不同天气条件下光伏功率波动特性对电池组串灵活分配，在满足平抑波动要求的前提下实现收益的最大化，储能系统利用水平也得以提高。 4 结语本文针对平抑光伏并网功率波动的电池储能控制策略问题，建立了一种分布式光伏 - 电池储能联合系统，并提出了一种电池储能系统平抑波动 - 峰谷套利两模式协调控制策略，可根据光伏实时发电功率的中频波动分量，对各电池组串的运行模式进行动态分配和调控。算例结果表明，本文所提控制模型能够根据光伏波动性变化情况，对电池组串动态分配和灵活调控，满足系统平抑波动需求的同（ a ）晴朗天气 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 组数 00 00 06 00 时间平抑波动 06 00 12 00 12 00 18 00 18 00 24 00 峰谷套利 16 0 0 1 15 15 16 1 （ b ）多云天气 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 组数 00 00 06 00 时间平抑波动 06 00 12 00 12 00 18 00 18 00 24 00 峰谷套利 16 0 0 6 8 10 16 8 图 7 不同典型天气下电池组串在不同控制周期分组情况 Fig. 7 Division of battery series in different control cycles under different typical weather conditions （ a ）晴朗天气（ b ）多云天气图 8 不同天气条件下电池储能平抑波动前后光伏功率曲线 Fig. 8 PV power curves before and after smoothing fluctuation by battery energy - storage under different weather conditions 800 700 600 500 400 300 200 100 功率 / kW 0 时间 / h 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 24 平抑前平抑后 900 800 700 600 500 400 300 200 100 功率 / kW 0 时间 / h 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 平抑前平抑后（ a ）晴朗天气（ b ）多云天气图 9 不同典型天气下峰谷套利模式电池组串充放电情况 Fig. 9 Battery series charging and discharging in peak - valley arbitrage mode under different weather conditions 500 400 300 200 100 0 - 100 - 200 - 300 - 400 - 500 功率 / kW 0 时间 / h 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 500 400 300 200 100 0 - 100 - 200 - 300 - 400 - 500 功率 / kW 0 时间 / h 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24魏炜等电池储能系统两模式协调控制策略 · 121 · 第 33 卷时，提升电池储能系统的利用水平和系统经济性，有利于储能技术的推广应用。参考文献 [ 1] Kawabe K ， Tanak a K. 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