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考虑铅炭电池组一致性的储能系统功率控制策略_严干贵

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考虑铅炭电池组一致性的储能系统功率控制策略_严干贵
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第44卷第11期2020年6月10日Vol.44No.11Jm.10,2020D01:10.7500/AEPS20190911004考虑铅炭电池组一致性的储能系统功率控制策略(现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教有部重点实验室(东北电力大学),吉林省吉林市132012)摘要:针对储能系统不规则充放电导致的电池组一致性变差及单体电池过充/过放问题,研究铅炭电池组一致性变化规律,提出考虑电池组一致性的储能系统功率控制策略。采用包含储能电池组、风/光发电、电动汽车和常规负荷的共直流母线型集中式微电网并网示范平台的实测数据对所提功率控制策略与传统控制策略进行对比仿真分析。仿真结果表明,所提控制策略可有效降低电池组荷电状态(SOC)变化范围,提升电池健康状态,提高电池组一致性,减少过放电池数量,增强储能系统双向调节能力。关键词:电池储能系统;铅炭电池;一致性;功率控制;过充/过放0引言率的反馈实时调整储能充放电目标功率,减小随着能源、生态和环境问题的日益严峻,风能、BESS安装容量。文献[11]将储能应用在削峰填谷太阳能等清洁可再生能源发电占比不断提高],电场景下,提出考虑电池充放电次数和放电深度的动态规划实时修正的控制策略。文献[12]采用双铅动汽车(electric vehicle,EV)作为节能减排的重要方炭BESS对微电网功率波动进行平抑,优化双铅炭式之一也得到飞速发展[41。风/光发电和EV充电电池充放电“路径”,最大限度地拓展可用容量,但采的间歇性、波动性特点使其大规模接入电网时会影用双铅炭电池增加了储能成本。上述研究将储能系响电网调度和电能质量,威胁电力系统安全稳定统简化为一个大的单体电池,基于此单体电池特性对储能系统功率进行控制,未考虑充放电过程电池电池储能系统(battery energy storage system,组一致性变化导致单体电池过充/过放的问题。BESS)具有控制方式灵活、建设周期短和对环境要本文选用性价比和安全性较高的铅炭电池为研求低等优点,可有效平抑风/光发电功率波动和EV究对象,研究铅炭电池组一致性变化规律,提出考虑充电功率波动,对提升具有高比例可再生能源发电电池组一致性的储能系统功率控制策略。最后采用占比的电力系统稳定性具有重要支撑作用⑧]。受电包含储能电池组、风/光发电、EV和常规负荷的共网功率波动不规则特性影响,BESS充放电具有不直流母线型集中式微电网并网示范平台的实测数据确定性,导致电池荷电状态(state of charge,SOC)越对所提控制策略的正确性和有效性进行了验证。限,电池组一致性变差,单体电池出现过充/过放,影响电池使用寿命,降低储能系统调节能力,因此必须1铅炭电池组一致性研究研究电池组运行特性和功率控制策略,以提升储能BESS大规模应用的有效途径是将电池串联成系统调节能力。文献[9]结合储能电池SOC和能量组,以获得较高的电压等级和较大的存储容量[B1。状态,利用模糊控制器动态调节储能系统出力,在保受制造工艺和运行工况差异的影响,各单体电池特证平滑风电功率的基础上减少储能电池到达平抑能性不同,导致电池电压不一致,电池组实际可用容量力死区的时间。文献[10]通过电池SOC和风电功降低1。选12节同批次、额定容量为200Ah的铅炭电收稿日期:2019-09-11;修回日期:2019-12-08。池串联组成电池组。在常温(25℃)下以10A电流上网日期:2020-04-16。对电池组进行恒流充电,电池电压波形如图1所示。东北电力大学博士科研启动基金资助项目(BSJXM-由图可知,充电末期各单体电池的电压分散度增大,2019101);国家自然科学基金资助项目(U1766204):国家电当t=18.2h时,8号电池达到电压上限2.35V,当整网公司科技项目(18-GW-05)。组电压达到电压上限28.2V(2.35V×12)时,有(C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.61学术研究6节电池电压超过2.35V,出现过充现象。有重要意义。2.30一电池2:一电池82储能系统功率控制策略2.25电池4电池112.1系统结构与功率平衡2.20-电池6:一电池12建立附录A图A1所示的共直流母线型拓扑结2.10构的集中式微电网并网系统。以图中标注的功率方2.05向为正方向,并网点功率即电源(风电、光伏)和负荷2.00(常规负荷和EV充电负荷)经直流母线汇聚后的不1.956.012.0182平衡功率P(t)为:h图110A电流充电时的电压波形P(t)=Pw(t)+P(t)-P(t)-P:(t)(3)Fig.1 Voltage waveform when charging with 10 A式中:Pw(t),P(t),P(t),P(t)分别为风力发电输current出功率、光伏发电输出功率、常规负荷用电功率、EV选12节同批次、额定容量为200Ah的铅炭电充电功率。池串联组成电池组,在常温下将满电状态的电池以限制微电网并网点功率波动幅值是微电网联网2.3A电流进行恒流放电。由实验结果可知:当=运行的前提条件。多类型储能系统协调控制技术及83.8h时,9号电池达到电压下限1.8V,此时,整组示范中规定,30min内并网点功率波动率(并网点功电池放电容量为192.7Ah,电池组实际可用容量为率波动幅值与微电网新能源总装机容量之比)应不额定容量的96.4%。大于7%,并网点不平衡功率需满足式(4)所示的限为定量分析电池组电压分散度,引入电压极差制条件8。受电源、负荷功率波动影响,P(t)波动r和标准差6,定义如下:幅值较大,当不满足上述要求时需采用储能对P(t)r=max U:-min Ui,j=1,2,…,n(1)进行平抑,平抑后并网目标功率P(t)表达式如式(5)所示。P(t)≤(Pw(t)+P(t)X7%(4)0=(2)P(t)=P(t)-P(t)(5)n式中:P(t)为储能电池组充电功率。0为n节电池的电压平均值。2.2系统约束条件r表示电池组中单体最高电压与最低电压差为了保证储能电池组在安全范围内运行,需对值,电压最高的单体电池限制电池组充电容量,电压储能电池进行功率限制和SOC限制。最低的单体电池限制电池组放电容量,r越大电池1)最大功率状态约束组一致性越差,电池组实际可用容量越低。8表示储能电池组充放电功率限制条件如下:电池组中单体电压的分散程度,8越小电池组电压(6)分散程度越小,电池组一致性越好。根据式(1)和式(2),得到2.3A电流放电初期式中:P(t)和P(t)分别为t时刻储能电池组的充、电池组电压极差和标准差分别为1mV和0.5mV,放电末期电池电压极差和标准差分别为101mV和池组的最大可接受充、放电功率,其值受电池工作电29.6mV。放电前后电压极差和标准差相差2个数流和边界SOC约束,具体求解过程如下。量级,随着放电时间增加,电池组中单体电压差异增大。100%这3个区间,其中,S.4为电池充电时的边界由实验结果可知,充放电末期单体电池电压分SOC约束,S.血为电池放电时的边界SOC约束。散度增加,充放电过程电池组电压表现为“扫帚”效应。如果考虑电池组安全约束,则电池组实际可为非边界SOC范围。在电池电压约束条件下,电池用容量降低,如果不考虑电池组安全约束,则在电池工作在非边界SOC范围内时,只要保证工作电流低组容量增加的同时,单体电池会出现过充/过放现于最大允许电流,电池电压就不会越限。电池工作象。因此,在储能系统功率控制过程中,考虑电池组在边界SOC范围内时,受电池内阻影响,大电流工一致性对提升电池组性能、延长电池组使用寿命具作会导致电池电压越限,电池出现过充/过放,影响严干贵,等考虑铅炭电池组一致性的储能系统功率控制策略电池使用寿命,因此采用电池工作电流和边界SOCSOC作为功率调节反馈量,根据电池SOC所在区间实时调节电池组充放电功率,防止SOC越限。边界SOC范围内不同充电电流对应的电压和根据文献[20]引入SOC约束调整系数Ksx,充SOC关系曲线以及不同放电电流对应的电压和电状态和放电状态下K的表达式分别如式(12)SOC关系曲线分别如附录A图A2、图A3所示(此和式(13)所示。数据为容量200Ah的铅炭电池实验数据)。10≤S(t)
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