基于雙回路SOC調節的風電場功率平滑控制

針對風電并網發電系統的功率波動問題，研究了一種基于雙回路SOC調節的混合儲能系統風電場功率平滑控制策略。對含有全釩液流電池和鋰電池的混合儲能系統，通過雙回路SOC調節控制，合理分配鋰電池和液流電池的實際輸出功率，并實時更新混合儲能的荷電狀態。

該控制策略實現了風電有功功率的平滑需求，并且使鋰電池和全釩液流電池的SOC值穩定在安全范圍內，可以有效減少鋰電池的充放電次數，達到保護電池的目的。通過仿真實驗，驗證了控制方法的有效性。

風能已成為世界上主要的清潔能源之一，但風力發電具有間歇性、波動性、隨季節變化等特點，大規模集中并網會造成電網發電與負荷偏差、頻率不穩定等問題［1，2］。平滑風電場輸出功率以減小大規模風電并網造成的問題具有極其重要的意義。

隨著儲能和電力電子技術的發展，利用儲能技術平滑風電場輸出功率、減少風電波動對電力系統的影響成為了近年來的研究熱點［3］。［4］提出了一種移動平均法平滑風電功率的控制策略。該方法同時考慮儲能電池荷電狀態（State of Charge，SOC）和風電功率波動率，在平抑風電輸出功率波動的同時減小儲能電池使用次數。

［5］提出了一種利用模型預測控制（ModelPredictive Control，MPC）平滑風電場輸出功率波動方法。該方法通過短期功率預測以并網風電功率的波動范圍、電池儲能荷電狀態SOC、儲能出力大小等為約束，滾動優化實現對儲能的優化控制。

［6］提出了一種基于實測電池荷電狀態的儲能控制方法。該方法根據實測的電池荷電狀態，實時調節濾波時間常數，使電池的荷電狀態穩定在最優工作范圍內，提高電池使用壽命。［7］為了平滑風電場輸出功率的波動，提高風能的利用率，提出了基于虛擬理想粒子的多目標改進粒子群算法（particle swamoptimization algorithm，PSO），并用該算法對模型進行了求解。

［8］提出了一種分布式光儲直流供電系統功率平滑控制方法，采用最大功率跟蹤法實現最大功率輸出。［9］為了合理分配混合儲能輸出功率提出了一種基于電池荷電狀態SOC的功率分配方法，利用等效時間常數作為功率分配效果的評判指標。

［10］提出了一種混合儲能平抑風電輸出功率波動新方法，利用蓄電池穩定直流母線電壓，超級電容器快速補償負載功率波動的高頻分量，減小負載突變情況下對直流母線的沖擊。［11］提出了一種基于經驗模態分解技術平抑風電功率波動的混合儲能功率控制方法，利用經驗模態分解方法，對非平穩風功率進行分解，并使用超級電容器和蓄電池分別平抑風電功率的高頻部分和低頻部分。

［12］提出了基于小波包分解的風電功率平滑方法，在分析了風電功率的幅頻特性后利用混合儲能裝置對不同頻率的功率進行吸收。

鋰電池和全釩液流電池的功率分配是實現儲能平滑風電場輸出功率的重點。在時域上，一般利用滑動平均法來計算儲能所需的輸出功率和并網功率，再檢測鋰電池和液流電池的荷電狀態SOC進行各儲能功率的分配，，但在分配過程中仍存在如滑動平均法的窗口大小選擇困難、儲能在高低電位時充放電的保護等問題。

在頻域上，一般利用小波理論分配儲能輸出功率或者利用濾波器分配儲能功率，但存在各頻段的分界頻率難以界定、鋰電池和全釩液流電池出現正負相反的輸出功率、控制指令延時等問題。

由于風力發電具有間歇性和隨機性的特點，混合儲能系統在對風電場輸出功率進行平滑時，充放電的功率及其分布取決于風速變化，充放電平衡成為功率控制中必須解決的問題。由于儲能系統的容量是有限的，會使其在平滑風電場輸出功率時，有可能導致儲能設備的SOC受限或者過充過放，進而無法利用儲能設備的輸出功率進行平滑風電場有功功率。

為了能夠使混合儲能系統可以長期有效的對風電場輸出功率進行優化調節，設計有針對性的控制策略優化其SOC是十分必要的。

圖1 基于混合儲能系統的風力發電波動平抑拓撲結構

結論

針對風電并網時發電系統的功率波動問題，本文提出了一種基于雙回路SOC調節的風電場功率平滑控制策略。該控制策略可以有效地平滑風電場輸出的有功功率，避免了混合儲能系統過度充放電，減小了鋰電池的充放電次數，延長了鋰電池的使用壽命的同時，利用儲能系統有效的平滑風電輸出功率。