基于模糊控制的混合儲(chǔ)能功率優(yōu)化分配研究

王 偉 趙 曄 宋光明 祁 鳴

（國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司合肥供電公司，安徽合肥 230022）

0 引言

以風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電為代表的波動(dòng)性微電源具有間歇性和隨機(jī)性，其輸出功率波動(dòng)會(huì)給電網(wǎng)和用戶帶來(lái)沖擊，造成多方面不良影響[1]。儲(chǔ)能系統(tǒng)憑借其可以雙向出力且響應(yīng)迅速的特點(diǎn)，為微電網(wǎng)功率波動(dòng)問(wèn)題提供了新的解決方法。

不同的儲(chǔ)能裝置的特性和適用場(chǎng)合差異很大，目前混合儲(chǔ)能技術(shù)因?yàn)榫邆涠喾N儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)，成為研究的焦點(diǎn)[2]。

本文給出了一種基于離散傅里葉變換的功率平滑方法，能夠根據(jù)給定的平滑目標(biāo)確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率。利用超級(jí)電容和鋰電池構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，提出了一種基于模糊控制理論的功率優(yōu)化分配策略，該策略能夠兼顧兩種儲(chǔ)能介質(zhì)的荷電狀態(tài)和最大充放電功率約束，實(shí)現(xiàn)波動(dòng)功率的有效劃分。

1 功率平滑

1.1 平滑目標(biāo)

功率數(shù)據(jù)的波動(dòng)程度可采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的方差和標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)衡量，但失去了時(shí)間尺度上的信息。本文定義了時(shí)間T內(nèi)可再生能源輸出功率的最大波動(dòng)率：

式中：Iflu，T為時(shí)間T內(nèi)能源輸出功率的最大波動(dòng)率；Pinstall為能源發(fā)電系統(tǒng)的額定裝機(jī)功率；pi為時(shí)間T內(nèi)各采樣時(shí)刻能源發(fā)電系統(tǒng)輸出功率值。

本文對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的波動(dòng)要求是，在時(shí)間T內(nèi)，最大波動(dòng)率Iflu，T滿足設(shè)定要求：

1.2 基于離散傅里葉變換的平滑方法

本文采用基于離散傅里葉變換的濾波方法[3]，濾除劇烈波動(dòng)的高頻段信號(hào)，保留變化相對(duì)緩慢的低頻段信號(hào)。其中高頻功率通過(guò)儲(chǔ)能進(jìn)行消納，低頻功率由風(fēng)光與儲(chǔ)能聯(lián)合平滑。儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收消納的功率由下述幾個(gè)步驟獲得：

1）對(duì)可再生能源出力樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅里葉變換；

2）確定滿足給定功率波動(dòng)約束的系統(tǒng)平滑輸出功率；

3）確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的目標(biāo)輸出功率。

2 功率優(yōu)化分配

為了改善混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行性能并延長(zhǎng)其使用壽命，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收的波動(dòng)功率需要在超級(jí)電容和鋰電池之間進(jìn)行優(yōu)化分配，然而，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電過(guò)程需兼顧兩種不同儲(chǔ)能介質(zhì)的荷電狀態(tài)，不便于精確地給出功率分配的比例系數(shù)。本文基于模糊控制理論對(duì)充放電功率進(jìn)行劃分，基本原則為：超級(jí)電容的充放電優(yōu)先級(jí)高于鋰電池，兩種儲(chǔ)能介質(zhì)的荷電狀態(tài)均不得越出設(shè)定的限值。

2.1 模糊控制及隸屬度函數(shù)

將超級(jí)電容當(dāng)前時(shí)刻荷電狀態(tài)水平SSOC_SC（t）以及鋰電池當(dāng)前荷電狀態(tài)SSOC_B（t）相對(duì)于初始狀態(tài)SSOC_B（0）的偏差值作為模糊控制的兩個(gè)輸入量，分別用X1（t）和X2（t）表示，即：

以混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率分配因數(shù)d（t）作為模糊控制的輸出變量。

當(dāng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充電時(shí)，輸入變量和輸出變量隸屬度函數(shù)如圖1所示。

圖1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充電時(shí)輸入/輸出變量的隸屬度函數(shù)

當(dāng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)放電時(shí)，為充分發(fā)揮超級(jí)電容可重復(fù)快速充放電的優(yōu)勢(shì)，提升超級(jí)電容的放電順序優(yōu)先級(jí)，對(duì)輸入變量X1的隸屬度函數(shù)做一定的修改，如圖2所示，輸入變量X2和輸出變量d的隸屬度函數(shù)維持不變，同圖1。

圖2 放電時(shí)輸入變量X1的隸屬度函數(shù)

2.2 模糊控制規(guī)則

當(dāng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充電時(shí)，優(yōu)先采用超級(jí)電容承擔(dān)充電功率以存儲(chǔ)足夠的能量用于下一時(shí)刻的功率平滑，僅當(dāng)超級(jí)電容的荷電狀態(tài)較高或者鋰電池的荷電狀態(tài)低于其初始荷電狀態(tài)的差值較大時(shí)，才由鋰電池吸收較多的充電功率。充電時(shí)采用的模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充電時(shí)的模糊控制規(guī)則

當(dāng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)放電時(shí)，同樣由超級(jí)電容優(yōu)先放電，以盡可能減少鋰電池充放電次數(shù)，僅當(dāng)超級(jí)電容的荷電狀態(tài)較低或者鋰電池的荷電狀態(tài)高于其初始荷電狀態(tài)的差值較大時(shí)，才由鋰電池釋放較多的能量。放電時(shí)采用的模糊控制規(guī)則如表2所示。

表2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)放電時(shí)的模糊控制規(guī)則

2.3 解模糊

將按照模糊規(guī)則運(yùn)算獲得的輸出，即t時(shí)刻混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率分配因數(shù)的模糊值通過(guò)解模糊運(yùn)算轉(zhuǎn)化為實(shí)際計(jì)算的確定值d（t），解模糊算法采用加權(quán)平均法[4]，即：

式中：μ1i（X1（t））為輸入變量X1（t）的第i個(gè)隸屬度函數(shù)值，其中i是集合{SS，S，M，L，LL}中元素；μ2j（X2（t））為輸入變量X2（t）的第j個(gè)隸屬度函數(shù)值，j是集合{NL，NM，ZE，PM，PL}中的元素；dij為與輸入變量X1i（t）和X2j（t）相對(duì)應(yīng)的模糊輸出量。

若t時(shí)刻超級(jí)電容和鋰電池的參考功率分別為PSC_ref（t）和PB_ref（t），那么它們可用下式表達(dá)：

式中：PHES_ref為儲(chǔ)能系統(tǒng)目標(biāo)功率。

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率優(yōu)化分配方法如圖3所示。

圖3 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率優(yōu)化分配策略圖

3 算例分析

以江蘇省某湖心島地區(qū)微電網(wǎng)為例，采用由超級(jí)電容和鋰電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑可再生能源輸出功率的波動(dòng)。超級(jí)電容和鋰電池的仿真參數(shù)如表3所示[5]。

表3 超級(jí)電容和鋰電池的仿真參數(shù)

以系統(tǒng)輸出目標(biāo)外電量百分比RE,abd=0，即混合儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑后的系統(tǒng)實(shí)際輸出功率曲線與給定的目標(biāo)輸出功率曲線完全吻合的情況為例，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑前后可再生能源的輸出功率如圖4所示，相鄰采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔為1 min，平滑目標(biāo)選取為20 min最大功率波動(dòng)率控制在10%以內(nèi)。平滑前20 min最大功率波動(dòng)率為33.66%，平滑后下降為9.26%。

圖4 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑前后的輸出功率

采用本文所述的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率優(yōu)化分配方法，超級(jí)電容和鋰電池的輸出功率分別如圖5所示。

圖5 兩種儲(chǔ)能介質(zhì)的充放電功率

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電次數(shù)為1 440次，超級(jí)電容和鋰電池的充放電次數(shù)分別為1 438、606次，表明所提出的功率優(yōu)化分配方法能有效減少鋰電池的充放電次數(shù)，本算例中下降率超過(guò)50%。另外，值得指出的是，對(duì)比超級(jí)電容和鋰電池充放電狀態(tài)變換次數(shù)，不難發(fā)現(xiàn)超級(jí)電容充放電狀態(tài)變換頻繁，而鋰電池的變換頻率不及其1/10，這表明超級(jí)電容吸收了短時(shí)波動(dòng)功率，而鋰電池吸收了長(zhǎng)時(shí)功率波動(dòng)，說(shuō)明本文采用的功率分配方法能夠充分發(fā)揮兩種儲(chǔ)能介質(zhì)各自的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

本文采用離散傅里葉變換實(shí)現(xiàn)了波動(dòng)功率的平滑，提出了基于模糊控制理論的功率優(yōu)化分配策略，通過(guò)仿真驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

1）采用的基于離散傅里葉變換的功率平滑方法能夠獲得較好的平滑效果，對(duì)于功率劇烈波動(dòng)的場(chǎng)合具有很好的適應(yīng)性；

2）提出的功率優(yōu)化分配策略能夠充分發(fā)揮兩種儲(chǔ)能介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，有效減少能量型儲(chǔ)能的充放電次數(shù)。