抑制可再生能源输出功率波动的电池储能系统的控制方法

摘要

本发明是一种抑制可再生能源输出功率波动的电池储能系统的控制方法。该控制方法基于低通滤波原理，通过一阶巴特沃兹低通滤波器对可再生能源输出功率值进行滤波，得到可再生能源输出功率目标值，利用电池储能系统的充放电控制补偿可再生能源输出功率目标值与测量值之间的差值，从而达到抑制可再生能源输出功率波动的目的。本发明基于基本滤波原理，利用可再生能源输出功率抑制效果好和加入反馈环节，避免电池的过充过放，并进行了创新，在加入反馈环节时，通过调节滤波时间常数的大小，间接地改变储能系统的输出功率，从而在抑制可再生能源输出功率波动的同时，有效地避免了电池的过充过放，维持了电池储能系统的稳定运行，延长了电池的使用寿命。

主权项

一种抑制可再生能源输出功率波动的电池储能系统的控制方法，该控制方法基于低通滤波原理，通过一阶巴特沃兹低通滤波器对可再生能源输出功率值进行滤波，得到可再生能源输出功率目标值，利用电池储能系统的充放电控制补偿可再生能源输出功率目标值与测量值之间的差值，从而达到抑制可再生能源输出功率波动的目的；其特征在于该控制方法的具体过程是：可再生能源输出功率为P_r；电池储能系统的输出功率为P_bat；注入配电网的功率为P_line；电池储能系统输出功率参考值为P_{bat_ref}；根据能量平衡原理得，P_r+P_bat‑P_line＝0   (1)其中，P_bat为正，表示电池储能系统放电；P_bat为负，表示电池储能系统充电；可再生能源输出功率P_r，通过一阶巴特沃兹低通滤波器，得到可再生能源输出功率参考值P_{r_ref}，其与P_r相减得到电池储能系统的输出功率参考值P_{bat_ref}，P_{bat_ref}为正表示电池储能系统放电，P_{bat_ref}为负表示电池储能系统充电；储能控制器通过电池管理系统BMS上传的电池SOC值，根据可变滤波时间常数的调整方法改变滤波时间常数的大小，从而使电池的SOC值稳定在一定的范围内；其中，一阶巴特沃兹低通滤波器如下式所示：$H\left(s\right)=\frac{1}{1+\mathrm{sT}}---\left(2\right)$其中，s为微分算子；T为滤波时间常数；一阶巴特沃兹低通滤波器的幅频函数是一个单调递减的函数，在频率等于截止频率w_c时，幅值为0.707；滤波控制方法中各个变量的关系如下：$P_{r\_\mathrm{ref}}\left(s\right)=\frac{1}{1+\mathrm{sT}}·P_r\left(s\right)---\left(3\right)$$P_{\mathrm{bat}\_\mathrm{ref}}\left(s\right)=P_{r\_\mathrm{ref}}\left(s\right)-P_r\left(s\right)=\frac{\mathrm{sT}}{1+\mathrm{sT}}·P_r\left(s\right)---\left(4\right)$将(3)式中的s用来表示，并差分后得：$P_{r-\mathrm{ref}}\left(t\right)=\frac{T_d}{T}[P_r\left(t\right)-P_{r\_\mathrm{ref}}(t-1)]+P_{r\_\mathrm{ref}}(t-1)---\left(5\right)$由(4)式得，P_{bat_ref}(t+1)＝P_{r_ref}(t)‑P_r(t)   (6)其中，T_d为计算周期，P_{r_ref}(t‑1)为可再生能源输出功率参考值P_{r_ref}(t)上一时刻的参考值,由式(5)知，在实际系统中计算周期T_d是确定的，所以下一时刻电池储能系统输出功率的参考值P_{bat_ref}(t+1)只与当前时刻的可再生能源输出功率P_r(t)、前一时刻可再生能源输出功率的参考值P_{r_ref}(t‑1)和滤波时间常数T有关；电池的荷电状态SOC是指电池当前的剩余电量,实际工程中，由于单体电池存储容量和工作电压较低，因此大容量电池储能系统都是由多个电池组串并联组成的；电池管理系统BMS对各个电池组的SOC值进行估算，然后再通过比较得到整个电池储能系统的SOC值；在滤波控制方法的基础上，加入了SOC反馈控制，当SOC值在限定值范围内时，电池储能系统采用预先设定的滤波时间常数值进行控制；当SOC值超过限定值时，通过改变滤波时间常数的大小，逐渐地改变电池的输出功率，从而使电池的SOC值稳定在限定的范围内，有效地避免了电池的深充深放；电池SOC根据其限值进行分档，将SOC分为工作范围[SOC_min,SOC_max]，调整范围[SOC_min,SOC_low]U[SOC_high,SOC_max]，正常范围(SOC_low,SOC_high)以及禁止范围[0,SOC_min)U(SOC_max,1]；其中0≤SOC_min＜SOC_low＜SOC_high＜SOC_max≤1，SOC_max与SOC_min分别为电池SOC上下限，即电池工作时SOC范围不许超过[SOC_min,SOC_max]，当电池SOC值等于SOC_max时，储能逆变器限制充电，只允许放电，当电池SOC值小于等于SOC_min时，储能逆变器限制放电，只允许充电；SOC_max与SOC_min设置的目的为避免电池因过充过放而导致寿命急剧下降，一般SOC_max取1，SOC_min取0.3；SOC_high与SOC_low分别为电池正常工作时SOC值的上下限，其设置的目的是保留一定的运行调节裕度，当SOC在(SOC_low,SOC_high)范围内运行时，滤波时间常数不变，电池正常运行；当SOC在[SOC_min,SOC_low]U[SOC_high,SOC_max]范围内运行时，滤波时间常数开始变化，以便避免或延缓SOC向SOC_min或SOC_max逼近；SOC上下限裕度取10％，即SOC_low＝SOC_min+0.1，SOC_high＝SOC_max‑0.1；滤波时间常数的修正方法主要是根据电池目前的SOC值以及可再生能源波动大小，基于滤波时间常数与储能输出功率的关系，优化选取滤波时间常数变化率，对其滤波时间常数进行修整，从而避免或延缓SOC向SOC_min或SOC_max逼近，以便能够保证电池持续的补偿效果，并延长其寿命；其中，T_d为计算周期；T_(t)为当前时刻的滤波时间常数；T_(t+1)为下一时刻的滤波时间常数；T_max、T_min为滤波时间常数的上下限；C为滤波时间常数的变化率；C与T_d的乘积为滤波时间常数的修正量，如下式所示：ΔT＝C·T_d   (7)滤波时间常数越大，所需电池功率、容量越多；故当SOC运行在调整范围[SOC_min,SOC_low]U[SOC_high,SOC_max]时，其滤波时间常数应减小，当SOC越逼近其上下限时，其滤波时间常数也应越逼近其下限T_min，从而避免或延缓SOC向SOC_min或SOC_max逼近，以便能够保证电池持续的补偿效果，并延长其寿命；可变滤波时间常数控制方法过程如下：第一步，采集电池BMS系统提供的SOC值；第二步，判断SOC值，若SOC大于SOC_max，储能逆变器限制充电，只允许放电，并跳到第四步；否则，进行下一步；第三步，若SOC小于SOC_min，储能逆变器限制放电，只允许充电，进行下一步；第四步，若SOC小于SOC_high且大于SOC_low，则电池以初始滤波时间常数进行定时间常数控制，转到第五步；若SOC大于SOC_high，则判断P_bat是否大于0，若P_bat大于0，则增大滤波时间常数，若P_bat小于0，则减小滤波时间常数，转到第五步；若SOC小于SOC_low，则判断P_bat是否大于0，若P_bat大于0，则减小滤波时间常数，若P_bat小于0，则增大滤波时间常数，转到第五步；第五步，由公式(5)计算出当前时刻可再生能源输出功率经过滤波后的参考值P_{r_ref}(t)，进行下一步；第六步，由公式(6)计算出下一时刻电池储能系统输出功率的参考值P_{bat_ref}(t+1)，并将控制指令下达到储能逆变器，返回第一步。