基于传统储能SOC的模糊控制策略研究.pdf

44doi:10.3969/j.issn.1009-3230.2023.06.010应用能源技术2023年第6 期（总第30 6 期）基于传统储能 SOC的模糊控制策略研究刘琛，周庆庆（山东电工时代能源科技有限公司，山东济南2 50 0 0 0）摘要：为了增强分布式能源的使用能力和降低微电网中传统储能设备的容量需求，提出了一种新颖的储能装置,将传统储能电池和超级电容器相结合，形成了三种能源的混合储能系统。同时为了更好地满足微电网内的功率需求，文中提出了一种基于传统储能电池荷电状态(SOC)的模糊控制策略来调节混合储能系统的输出功率，并对超级电容器的SOC进行了优化研究。通过仿真结果可以看出，采用我们设计的等效储能装置和模糊控制器能够有效地实现系统中的有功平衡,从而改善系统的频率稳定性。关键词：荷电状态；模糊控制；等效储能装置；储能中图分类号:TM615Research on Fuzzy Control Strategy Based onTraditional Energy Storage SOCLIU Chen,ZHOU Qingqing(Shandong Electric Power Times Energy Technology Co.Ltd.,Jinan 250000,China)Abstract:In order to enhance the utilization ability of distributed energy and reduce the capacitydemand of traditional energy storage devices in microgrids,a novel energy storage device is proposed,which combines traditional energy storage batteries and supercapacitors to form a hybrid energy storagesystem with three types of energy sources.At the same time,in order to better meet the powerdemand in the microgrid,a fuzzy control strategy based on the state of charge(SOC)of the traditionalenergy storage batery is proposed to regulate the output power of the hybrid energy storage system,and the SOC of the supercapacitor is optimized.The simulation results show that the equivalent energystorage device and fuzzy controller designed by us can effectively achieve the active balance in thesystem,thereby improving the frequency stability of the system.Key words:state of charge;fuzzy control;equivalent energy storage device;energy storage0引言由于可再生能源的大量接入与系统中非线性负载的增加,对微电网的稳定运行构成了巨大的威胁,特别是因负载的骤增与分布式发电量之间的功率不平衡对微电网的频率产生直接影响 1-3。为了解决这一问题,文献 4-5 提出了一种有利于微电网频率改善的储能电源虚拟同步收稿日期：2 0 2 3-0 5-0 8 修订日期：2 0 2 3-0 5-2 6作者简介：刘琛（1990）,男，本科，工程师,从事锂电池储能系统集成技术研究工作。文献标志码：A文章编号：10 0 9-32 30(2 0 2 3)0 6-0 0 44-0 5发电机的控制策略,将微电网中的储能装置虚拟化成同步发电机。同时,文献 6 7 中提出了微电网分布式发电直接功率控制策略，通过光伏发电虚拟化增加系统惯性，使分布式电源直接参与微网功率调整,增强了系统鲁棒性。针对多能源微电网功率失衡问题，本文构造了一种等效储能装置并提出了一种基于传统储能 SOC的三能源混合储能输出功率的模糊控制器。通过仿真表明,所设计的等效储能装置和模糊控制器有利于2023年第6 期（总第30 6 期）改善孤网微电网系统内有功功率平衡问题。因此,本文的研究对于解决微电网内有功功率平衡问题具有重要的理论和实际意义。1三能源混合储能系统1.1等等效储能装置(PEES)等效储能装置（PEES）是由质子交换膜燃料电池（PEMFC）、电解水装置以及储氢储氧装置等组合而成的三能源混合储能系统。当微电网中分布式电源发电过剩时,电解槽将吸收电能产生氢气、氧气并存储,提高可再生能源利用率。而当分布式发电不能满足负荷需求时，储氢储氧罐源源不断为PEMFC提供原料,从而产生电能为负荷供电 8 。此外,PEES还与超级电容和蓄电池并联,超级电容消纳瞬时功率，蓄电池平抑平均功率,最终稳定微电网中的小功率波动。通过PEES的合理设计和运用，可以实现孤网微电网中分布式发电与负载之间的功率平衡，从而使孤网下有功功率得以平衡。PEES的工作原理和结构示意图如图1所示。Buck型DC/DC变换器电能电解槽H,储氢装置Boost型DC/DC变换器图1PEES的工作原理和结构示意图1.2三能源混合储能装置三能源混合储能装置是由等效储能装置（PEES）、蓄电池和超级电容组合而成的系统如图2所示。三能源混合储能系统是由PEMFC等效储能并联在超级电容和蓄电池混合储能上,其中超级电容消纳瞬时功率，蓄电池平抑平均功率最终稳定微电网中的小功率波动。在孤网微电网系应用能源技术统内，三能源混合储能装置通过基于传统储能SOC 的模糊控制策略,协调各种储能之间的相互工作,更合理地对微电网系统的功率分配,从而解决系统内的有功功率平衡问题。PEMFC等效储能系统蓄电池双向DC/DC变换器逆变器微电网系统交流母线图2 三能源混合储能系统示意图2基于传统储能SOC的模糊控制策略2.1走超级电容目标SOC超级电容目标SOC是超级电容在微电网系统中的荷电状态目标值。在基于传统储能 SOC的模糊控制策略中,超级电容目标SOC是模糊控制器的一个输入变量,用于指导超级电容的充放电过程,以平抑系统内的功率波动。当微网中出现小功率不平衡时，超级电容优先进行平抑，因此超级电容目标SOC的设定对系统的功率平衡具02有重要影响。在模糊控制器的设计中,超级电容储氢装置目标SOC需要与微电网的需求功率和蓄电池的H,目标 SOC 等变量相结合,由于蓄电池（Bess）由于PEMFC自身的缺点，不可多次数充放电。作为模糊控制电能器的另一个输入变量,蓄电池SOC在约束范围内进行工作，考虑传统储能的有功输出表达式如式(1)所示：SOC-SOCrefPBe0.5(SOCmax-SOCmm)一Psc=0SOC-SOCref0.5(SOCmax-SOCmm)式中：Psc为超级电容实际输出功率;PBe为蓄电池实际输出功率；P为调整功率；SOCrer为超级电容预期值；SOCmmn和SOCmax为超级电容和蓄电池45超级电容PHPH(1)46的约束范围。2.2微电网需求功率微电网需求功率是微电网系统内部的负荷需求，是微电源输出功率和系统内部负荷量之间的差值 9-10 。微电网需求功率作为模糊控制器的第三个输人变量，其值为微电源输出功率和系统内部负荷量之间的差。在传统模糊控制基础上，将微电网需求功率与超级电容目标SOC、蓄电池目标SOC以及PEMFC等效储能的输出功率结合起来进行模糊控制，以实现合理的功率分配和平抑系统内的功率波动。在忽略损耗的前提条件下,微电网需求功率Ps的具体关系式如式（2）所示：Ps=Ppc-P,式中,PDG和PL为微电源输出功率和系统内部负荷量。2.3等效储能的输出功率微电网中PEMFC等效储能的输出功率PPEES作为模糊控制器的输出变量，是在考虑了微电网中所需功率、蓄电池及超级电容的前提下，将微电网所需功率更适合地分配给PEMFC等效储能装置、超级电容和蓄电池。其三者的关系如式(3)所示：(3)式中，nBes和nsc为超级电容、蓄电池充放电效率；PpEEs为PEMFC等效储能实际输出功率。考虑微电网中超级电容、蓄电池和PEMFC效储能等功率分配按照比例分配，所占比例分别为Ksc、K Be s、K p EEs，在比例分配关系如式（4）所示：Ksc+KBes+KpeEs=1此时，三能源混合储能各个储能所分配功率分别如式(5）（7)所示：KscPsPsc=mscKBoPsPBesmBess应用能源技术Pees=KprsPs=(1-Ksc-KBes)Ps(7)考虑微电网中超级电容及蓄电池的实际容量，根据负荷频率波动性和功率响应优先级，在比例分配上的约束为:KscKBesKpEES3MATLAB/Simulink仿真为了验证所提出的模糊控制策略的有效性采用MATLAB/Simulink进行仿真。3.1模糊控制器仿真分析文中使用MATLAB/Simulink对所设计的基于传统储能SOC的模糊控制器进行了仿真分析。通过建立微电网系统模型将模糊控制器应用于系统中,以评估其对系统内有功功率平衡问题的改善效果。在仿真过程中考虑了微电网内的需求功(2)率、超级电容的SOC和蓄电池的SOC作为输人变量,将PEMFC 等效储能的输出功率作为输出变量。通过对模糊控制器的仿真分析可以评估其在协调三能源混合储能之间相互工作,更合理对微电网系统的功率分配方面的效果。图3展示了传统模糊控制下传统储能的工作电流变化曲线；图4展示了SOC优化模糊控制下传统储能的工作电流变化曲线；图5展示了两种控制策略下的超级电容SOC对比仿真图。100806040V/甲200-20-40-60-80020406080100120140(4)时间/s图3传统模糊控制下传统储能电流从3图中可以看出，传统储能的电流波动较(5)大，特别是蓄电池电流输出过大容易造成寿命缩短。图4与图3对比可看出，蓄电池工作电流明(6)显降低，超级电容工作电流明显增加，这更大发挥2023年第6 期（总第30 6 期）超级电容蓄电池2023年第6 期（总第30 6 期）出超级电容的优势，保护了蓄电池的使用寿命。从图5两种控制策略下的超级电容SOC对比仿真看出，由于SOC变量的引入，超级电容的实际SOC 跟随了其预期SOC 变化,在某些情况下,使等效储能装置为超级电容充电，限制超级电容SOC 在所规定的允许范围内,其 SOC 得到了很好的优化。100806040V/日200-20-40-60-80020406080100120140时间/s图4SOC优化模糊控制下传统储能电流1SOC优化模糊控制传统模糊控制0.80.60.40.20020406080100120140时间/s图5两种控制策略下的超级电容SOC对比综合上述仿真结果表明，考虑传统储能SOC的模糊控制策略有利于优化储能装置的工作状态，保护蓄电池寿命，以及限制超级电容的SOC在合理范围内，从而改善了系统的稳定性和可靠性。3.2两种控制策略仿真对比分析两种控制策略的仿真对比分析主要包括对传统模糊控制和基于传统储能SOC 的模糊控制策略进行仿真比较。首先，通过仿真对比两种控制策略下传统储能的工作电流变化曲线，发现基于应用能源技术传统储能SOC的模糊控制策略下蓄电池工作电流明显降低，超级电容工作电流明显增加,更大程度发挥了超级电容的优势，保护了蓄电池的使用寿命。其次,对比两种控制策略下超级电容SOC的变化,发现基于传统储能SOC的模糊控制策略下超级电容的实际SOC跟随了其预期SOC变化，在某些情况下，使等效储能装置为超级电容充电，限制了超级电容SOC在规定的允许范围内。最超级电容蓄电池47后,通过对比两种控制策略下微电网的有功波动和频率波动如图6 和图7 所示。从有功偏差和频率偏差对比图发现基于传统储能 SOC 的模糊控制策略下微电网系统的有功波动和频率波动远小于传统模糊控制的微电网系统。因此,基于传统储能SOC的模糊控制策略有利于孤网微电网系统内有功功率稳定性，改善了频率质量。10一传统模糊控制8SOC优化模糊控制642-2-4-600.50.40.30.20.10-0.1-0.2-0.3-0.4g04结束语本文从储能角度出发，旨在解决多源微电网功率失衡问题。为了减少传统储能的容量,设计了一种等效储能装置,其与蓄电池、超级电容组合2.5图6 有功偏差对比图一传统模糊控制一SOC优化模糊控制2.557.5时间/s图7频率偏差对比图57.5时间/s1012.51012.51517.51517.548使用成为三能源混合储能。为了合理分配各种储能之间的关系,提出了一种基于考虑传统储能（荷电状态)的三能源混合储能输出功率的模糊控制器。该控制器以模糊控制为基础，考虑了传统储能SOC优化模块,更好地协调三能源混合储能的相互工作。通过仿真表明,所设计的等效储能装置和模糊控制器有利于改善孤网微电网系统内有功功率平衡问题。这一研究成果对微电网系统的稳定运行和功率平衡具有重要的理论和实际意义。参考文献1姜汉周，潘欢，纳春宁.混合负载下基于虚拟振荡器控制的离网逆变器控制策略研究 J.电力系统保护与控制,2 0 2 3,51(9):8 8-96.2张常友，朱作滨.基于储能协调的光储微网VSG控制策略研究 J.电气工程学报,2 0 2 3,18（1)：2 2 8-234.3石晓艳，王宾，刘瑞祺.分布式能源并网逆变器小信号稳定性分析 J.现代电子技术,2 0 2 2,45（15：8892.应用能源技术4曾伟，熊俊杰，李建林，等.直流微电网多储能并联电压和功率共享控制方法研究 J.电工电能新技术,2 0 2 3,42(9):36-45.5卢棚舜，朱金荣，王磊.基于虚拟同步发电机的并离网控制策略优化 J.电子设计工程,2 0 2 3,31(13):156-162.6程珊珊，王海鑫，杨子豪，等.虚拟同步发电机对系统低频振荡的影响及抑制方法综述 J.太阳能学报,2 0 2 3,44(8):119-12 9.7贺宇欣，张静竹.分布式光伏发电技术特性及对电力系统的影响分析 J.光源与照明,2 0 2 3(9):12 0-122.8朱作滨，孙树敏，丁月明，等.基于储能协调自适应VSG控制策略研究 J.太阳能学报,2 0 2 3,44(12)：410-419.9曹祥红，张军.微网并网电能质量改善方法研究J.科技通报,2 0 18,34(2):9 5-9 8.10董鹤楠，韩子娇，董雁楠，等.基于UPQC交直流混合微网电能质量改善方法研究 J.东北电力技术,2 0 2 0,41(11):1-7.2023年第6 期（总第30 6 期）