CN104410093A - 储能电池的荷电状态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能电池的荷电状态控制方法，首先计算储能电池的SOC设定值SOC_ref和储能电池的当前SOC状态值SOC_bat的差值ΔSOC，同时将SOC_bat输入滤波时间常数控制模块得到滤波时间常数τ，将ΔSOC经过死区控制模块、PI控制器得到控制量P_SOC，将控制量P_SOC通过滤波时间常数为τ的低通滤波器得到SOC控制的功率量P_bat，将功率量P_bat与储能电池的给定功率P_ref叠加后采用限幅模块进行限幅，得到储能电池的实际给定功率本发明方法通过对储能电池的荷电状态进行有效控制，既能保证波动平抑效果，又能提高电池的使用寿命。

Description

储能电池的荷电状态控制方法

技术领域

本发明属于储能电池控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种储能电池的荷电状态控制方法。

背景技术

在风力发电/光伏发电系统中，由于风速/光照的随机性和波动性，导致其输出功率也存在随机性和波动性的特点。大规模的新能源并网发电会导致电网的频率和电压发生改变，从而影响电力系统的正常运行。在风电场或光伏电站的出口处配置一定容量的储能电池，利用储能电池的快速充放电特性，平抑其输出功率波动，是一种有效的解决办法。

储能系统在平抑风光功率波动的同时，需要对储能电池的荷电状态(State ofCharge，SOC)进行管理。文献“李霄,胡长生,刘昌金,等.基于超级电容储能的风电场功率调节系统建模与控制[J].电力系统自动化,2009,33(9):86-90”和“刘霞,江全元.风光储混合系统的协调优化控制[J].电力系统自动化,2012,36(14):95-100”针对电池/超级电容采用基于荷电状态反馈的SOC限制策略，当SOC过大时，限制充电，当SOC过小时，限制放电；但是该策略没有实现SOC的调节，当SOC接近边界时，储能系统将失去波动平抑能力。

文献“丁明,吴建锋,朱承治,等.具备荷电状态调节功能的储能系统实时平滑控制策略[J].中国电机工程学报,2013,33(1):22-29”和“张野,郭力,贾宏杰,等.基于平滑控制的混合储能系统能量管理方法[J].电力系统自动化,2012,36(16):36-41”根据SOC反馈状态，直接叠加充放电功率；当SOC过小时，给储能系统功率给定上叠加一个充电功率，当SOC过大时，给储能系统功率给定上叠加一个放电功率，从而实现SOC的控制。该方法可以有效地实现SOC的调节，但是会影响波动平抑的效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种储能电池的荷电状态控制方法，通过对风储/光储系统中的储能电池的荷电状态进行闭环控制，能够保证波动平抑效果并提高储能电池的使用寿命。

为实现上述发明目的，本发明储能电池的荷电状态控制方法包括以下步骤：

S1：将储能电池的SOC设定值SOC_ref和储能电池的当前SOC状态值SOC_bat作差得到ΔSOC＝SOC_ref-SOC_bat，同时将SOC_bat输入滤波时间常数控制模块得到滤波时间常数τ；

S2：将步骤S1得到的ΔSOC输入死区控制模块得到输出值e_SOC；

S3：将步骤S2得到的e_SOC输入PI控制模块得到控制量P_SOC；

S4：根据步骤S2得到的滤波时间常数τ，对变滤波时间常数的低通滤波器进行设置，将控制量P_SOC经过低通滤波器得到SOC控制的功率量P_bat；

S5：将功率量P_bat与储能电池的给定功率P_ref叠加，得到储能电池的修正给定功率

S6：采用限幅模块根据修正给定功率和当前SOC状态值SOC_bat的大小对修正给定功率限幅后，得到储能电池的实际给定功率

进一步地，步骤S1中的滤波时间常数控制模块的控制规律表达式为：

$\mathrm{\τ}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\τ}}_0+k_1\×{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}},& {\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}\∈[0,a)\\ {\mathrm{\τ}}_0+a(k_1-k_2)+k_2\×{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}},& {\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}\∈[a,b)\\ {\mathrm{\τ}}_0+{\mathrm{ak}}_1+(b-a)k_2,& {\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}\∈[b,1-b]\\ {\mathrm{\τ}}_0+{\mathrm{ak}}_1+(1-a)k_2-k_2\×{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}& {\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}\∈(1-b,1-a]\\ {\mathrm{\τ}}_0+{\mathrm{ak}}_1+(1-a)k_2-k_2\×{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}& {\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}\∈(1-a,1]\end{array}\right.$

其中，a、b是预设的SOC_bat区间分隔参数，取值范围为0＜a＜b＜0.5；τ₀为预设的滤波时间常数初始值；k₁、k₂为预设的调节参数，且k₁＜k₂。

进一步地，步骤S2中的死区控制模块的表达式为：

$\left\{\begin{array}{cc}{e}_{\mathrm{SOC}}=\mathrm{\&Delta;SOC},& \left|\mathrm{\&Delta;SOC}\right|\&GreaterEqual;c_2\\ e_{\mathrm{SOC}}=0,& \left|\mathrm{\&Delta;SOC}\right|<c_2\end{array}\right.$

其中，c₂为预设的SOC调节死区。

进一步地，步骤S3中的PI控制器的传递函数G_PI(s)为：

$G_{\mathrm{PI}}\left(s\right)=K_p+\frac{K_i}{s}$

其中，K_p为比例参数，K_i为积分参数，s表示拉普拉斯算子。

进一步地，步骤S4的低通滤波器的传递函数为：

$G_{\mathrm{LPF}}\left(s\right)=\frac{1}{\mathrm{\&tau;s}+1}$

其中，τ为滤波时间常数。

进一步地，步骤S6中的限幅模块的表达式为：

其中，c₁为功率上限幅时的SOC，c₃为功率下限幅时的SOC，P_H为设定的限制放电功率值，P_L为设定的限制充电功率值。

本发明储能电池的荷电状态控制方法，首先计算储能电池的SOC设定值SOC_ref和储能电池的当前SOC状态值SOC_bat的差值ΔSOC，同时将SOC_bat输入滤波时间常数控制模块得到滤波时间常数τ，将ΔSOC经过死区控制模块、PI控制器得到控制量P_SOC，将控制量P_SOC通过滤波时间常数为τ的低通滤波器得到SOC控制的功率量P_bat，将功率量P_bat与储能电池的给定功率P_ref叠加后采用限幅模块进行限幅，得到储能电池的实际给定功率

本发明针对现有储能系统的SOC管理策略很难在保证风光功率波动平抑效果的基础上对储能系统SOC进行有效地调节的问题做出改进，通过对储能电池的荷电状态进行闭环控制，可以使储能电池工作在浅充浅放区，充放电深度得到降低从而延长储能电池的使用寿命；同时通过在荷电状态闭环控制中加入可变时间常数的低通滤波器，可以减少对中频段波动平抑的影响。本发明方法通过对储能电池的荷电状态进行有效控制，既能保证波动平抑效果，又能提高电池的使用寿命。

附图说明

图1是本发明储能电池的荷电状态控制方法的流程示意图；

图2是滤波时间常数与荷电状态的关系图；

图3是本发明和对比方法的风储系统输出功率对比图；

图4是本发明和对比方法的储能电池荷电状态对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明储能电池的荷电状态控制方法的流程示意图。如图1所示，本发明储能电池的荷电状态控制方法包括以下步骤：

S1：采用减法器将储能电池的SOC设定值SOC_ref和储能电池的当前SOC状态值SOC_bat作差得到ΔSOC＝SOC_ref-SOC_bat，同时将SOC_bat输入滤波时间常数控制模块得到滤波时间常数τ。

滤波时间常数控制模块根据当前SOC状态值SOC_bat的范围，计算得到低通滤波器的滤波时间常数，不同的范围对应不同的电池状态，滤波时间常数的计算公式也不同。表1是滤波时间常数控制模块的控制规律。

SOCbat区间	电池状态	滤波时间常数
			[0,a)	过放	τ＝τ0+k1×SOCbat
[a,b)	较低	τ＝τ0+a(k1-k2)+k2×SOCbat
			[b,1-b]	正常	τ＝τ0+ak1+(b-a)k2
(1-b,1-a]	较高	τ＝τ0+ak1+(1-a)k2-k2×SOCbat
			(1-a,1]	满充	τ＝τ0+k1-k1×SOCbat

表1

根据表1即可得到滤波时间常数控制模块的控制规律表达式：

$\mathrm{\&tau;}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&tau;}}_0+k_1\&times;{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}},& {\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}\&Element;[0,a)\\ {\mathrm{\&tau;}}_0+a(k_1-k_2)+k_2\&times;{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}},& {\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}\&Element;[a,b)\\ {\mathrm{\&tau;}}_0+{\mathrm{ak}}_1+(b-a)k_2,& {\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}\&Element;[b,1-b]\\ {\mathrm{\&tau;}}_0+{\mathrm{ak}}_1+(1-a)k_2-k_2\&times;{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}& {\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}\&Element;(1-b,1-a]\\ {\mathrm{\&tau;}}_0+{\mathrm{ak}}_1+(1-a)k_2-k_2\&times;{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}& {\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}\&Element;(1-a,1]\end{array}\right.$

其中，a、b是预设的SOC_bat区间分隔参数，取值范围为0＜a＜b＜0.5；τ₀为预设的滤波时间常数初始值；k₁、k₂为预设的调节参数，且k₁＜k₂。

图2是滤波时间常数与荷电状态的关系图。如图2所示，滤波时间常数是一个分段函数。

S2：将步骤S1得到的ΔSOC输入死区控制模块得到输出值e_SOC。

本实施例中，死区控制模块的表达式为：

$\left\{\begin{array}{cc}{e}_{\mathrm{SOC}}=\mathrm{\&Delta;SOC},& \left|\mathrm{\&Delta;SOC}\right|\&GreaterEqual;c_2\\ e_{\mathrm{SOC}}=0,& \left|\mathrm{\&Delta;SOC}\right|<c_2\end{array}\right.$

其中，c₂为预设的SOC调节死区。

S3：将步骤S2得到的e_SOC输入PI(proportional integral，比例调节和积分调节)控制模块得到控制量P_SOC。

本实施例中，PI控制模块的传递函数G_PI(s)为：

$G_{\mathrm{PI}}\left(s\right)=K_p+\frac{K_i}{s}$

其中，K_p为比例参数，K_i为积分参数，s表示拉普拉斯算子。

S4：根据步骤S1得到的滤波时间常数τ，对变滤波时间常数的低通滤波器进行设置，将控制量P_SOC经过低通滤波器得到SOC控制的功率量P_bat。

低通滤波器的传递函数为：

$G_{\mathrm{LPF}}\left(s\right)=\frac{1}{\mathrm{\&tau;s}+1}$

其中，τ即为步骤S1得到的滤波时间常数。

S5：将功率量P_bat与储能电池的给定功率P_ref叠加，得到储能电池的修正给定功率即 $P_{\mathrm{ref}}^{*}=P_{\mathrm{bat}}+P_{\mathrm{ref}}.$

S6：采用限幅模块根据修正给定功率和当前SOC状态值SOC_bat的大小对修正给定功率限幅后，得到储能电池的实际给定功率

限幅模块的限幅模块的表达式为：

其中，c₁为功率上限幅时的SOC，c₃为功率下限幅时的SOC，P_H为设定的限制放电功率值，P_L为设定的限制充电功率值。

按照储能电池控制领域中的通常用法，功率量P(本发明中包括控制量P_SOC、功率量P_bat、给定功率P_ref、修正给定功率实际给定功率)为正时，表示给储能电池充电，P为负时，表示给储能电池放电。

为了说明本发明的有益效果，对本发明和对比算法进行了仿真验证。本实施例以风储系统为例进行仿真。仿真采用1500kW的风力发电机，储能系统的功率为400kW，电池容量为60AH。风力发电的功率数据采用内蒙古阿左旗风场一台东汽FD77的输出功率值。储能电池的给定功率P_ref均通过上一级(网级控制层)给定。

本发明方法的仿真参数为：滤波时间常数的初始值τ₀为16s，滤波时间常数的最大值τ3为60s，a、b分别为20％、40％，k₁、k₂分别为20、200；ΔSOC死区参数c₂设置为5％；PI控制中的K_p为18000，K_i为100；限幅处理中的c₁、c₃分别为80％、20％，P_H为-40kW，P_L为40kW。

对比方法1：采用背景技术中所述的文献“李霄,胡长生,刘昌金,等.基于超级电容储能的风电场功率调节系统建模与控制[J].电力系统自动化,2009,33(9):86-90”和“刘霞,江全元.风光储混合系统的协调优化控制[J].电力系统自动化,2012,36(14):95-100”中的功率限制策略，当SOC大于80％时，限制充电，当SOC小于20％时，限制放电。

对比方法2：采用背景技术中所述的文献“丁明,吴建锋,朱承治,等.具备荷电状态调节功能的储能系统实时平滑控制策略[J].中国电机工程学报,2013,33(1):22-29”和“张野,郭力,贾宏杰,等.基于平滑控制的混合储能系统能量管理方法[J].电力系统自动化,2012,36(16):36-41”中的直接功率叠加策略；同时带有方法1采用的功率限制策略，以保护电池。当SOC大于60％时，叠加50kW的放电功率，当SOC小于40％时，叠加50kW的充电功率。

图3是本发明和对比方法的风储系统输出功率对比图。图4是本发明和对比方法的储能电池荷电状态(SOC)对比图。对比图3和图4可知，在第500秒至第900秒，方法1的SOC过低，失去功率波动平抑能力。方法2和本发明方法通过主动调节SOC，从而保证了很好的功率波动平抑的能力。而且从图4可以看出，本发明方法中储能电池的SOC更加稳定。

根据文献“LI W,JOOS G.Comparison of energy storage system technologiesand configurations in a wind farm[C]//Power Electronics Specialists Conference,2007:1280-1285”，将原始风电功率数据和图3所示的风储系统输出功率数据进行FHC(波动谐波含量)的计算。表2是得到的各频段FHC值。

表2

由表2可知，无论是基于常规控制策略还是本发明控制策略，应用储能系统均能大幅减少中高频段风电功率的波动，而且对中频段波动的抑制效果最为明显，验证了风储系统在抑制风电并网对电网频率影响上的有效性。基于本发明控制策略的仿真结果相比功率限制策略(对比方法1)和功率叠加策略(对比方法2)，低频段波动小幅相差不大，中频段及高频段波动均有大幅的减小。相比于对比方法1，中频段波动减少34.1％；相比于方法2，中频段波动减少25.1％。

据文献“韩晓娟,程成,籍天明,等.计及电池使用寿命的混合储能系统容量优化模型[J].中国电机工程学报,2013,33(34):91-97”提出的雨流计算法来计算放电深度和次数，同时据该文献的等效循环寿命计算方法(等效循环寿命N值越小代表寿命损耗越小，等效寿命越长)。表3是对比方法1、对比方法2及本发明方法的充放电深度、次数及等效循环寿命计算结果统计。

表3

由表3可知，功率限制策略(对比方法1)由于未对储能能量进行调控，最大放电深度达到0.3，达到放电下限值0.2，从而失去放电能力，影响波动平抑效果。功率叠加策略(对比方法2)对储能能量进行了调控，最大放电深度有所降低，最大为0.24，没有达到放电下限值，保持了波动平抑的能力。本发明提出的方法，进行低频的SOC控制，最大放电深度仅0.12，充分保持了波动平抑的能力，同时使得电池处于浅充、浅放状态，延长了电池的使用寿命。相比于对比方法1，等效循环寿命延长8.5％；相比于对比方法2，等效循环寿命延长11.9％。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种储能电池的荷电状态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将储能电池的SOC设定值SOC_ref和储能电池的当前SOC状态值SOC_bat作差得到ΔSOC＝SOC_ref-SOC_bat，同时将SOC_bat输入滤波时间常数控制模块得到滤波时间常数τ；

S2：将步骤S1得到的ΔSOC输入死区控制模块得到输出值e_SOC；

S3：将步骤S2得到的e_SOC输入PI控制模块得到控制量P_SOC；

S4：根据步骤S2得到的滤波时间常数τ，对变滤波时间常数的低通滤波器进行设置，将控制量P_SOC经过低通滤波器得到SOC控制的功率量P_bat；

S5：将功率量P_bat与储能电池的给定功率P_ref叠加，得到储能电池的修正给定功率

S6：采用限幅模块根据修正给定功率和当前SOC状态值SOC_bat的大小对修正给定功率限幅后，得到储能电池的实际给定功率

2.根据权利要求1所述的荷电状态控制方法，其特征在于，所述步骤S1中的滤波时间常数控制模块的控制规律表达式为：

$\mathrm{\&tau;}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&tau;}}_0+k_1\&times;{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}},& {\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}\&Element;[0,a)\\ {\mathrm{\&tau;}}_0+a(k_1-k_2)+k_2\&times;{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}},& {\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}\&Element;[a,b)\\ {\mathrm{\&tau;}}_0+a{k}_1+(b-a)k_2,& {\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}\&Element;[b,1-b]\\ {\mathrm{\&tau;}}_0+a{k}_1+(1-a)k_2-k_2\&times;{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}},& {\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}\&Element;(1-b,1-a]\\ {\mathrm{\&tau;}}_0+a{k}_1+(1-a)k_2-k_2\&times;{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}},& {\mathrm{SOC}}_{\mathrm{bat}}\&Element;(1-a,1]\end{array}\right.$

其中，a、b是预设的SOC_bat区间分隔参数，取值范围为0＜a＜b＜0.5；τ₀为预设的滤波时间常数初始值；k₁、k₂为预设的调节参数，且k₁＜k₂。

3.根据权利要求1所述的荷电状态控制方法，其特征在于，所述步骤S2中的死区模块的表达式为：

$\left\{\begin{array}{cc}{e}_{\mathrm{SOC}}=\mathrm{\&Delta;SOC},& \left|\mathrm{\&Delta;SOC}\right|\&GreaterEqual;c_2\\ e_{\mathrm{SOC}}=0,& \left|\mathrm{\&Delta;SOC}\right|<c_2\end{array}\right.$

其中，c₂为预设的SOC调节死区。

4.根据权利要求1所述的荷电状态控制方法，其特征在于，所述步骤S3中的PI控制器的传递函数G_PI(s)为：

$G_{\mathrm{PI}}\left(s\right)=K_p+\frac{K_i}{s}$

其中，K_p为比例参数，K_i为积分参数，s表示拉普拉斯算子。

5.根据权利要求1所述的荷电状态控制方法，其特征在于，所述步骤S4的低通滤波器的传递函数为：

$G_{\mathrm{LPF}}\left(s\right)=\frac{1}{\mathrm{\&tau;s}+1}$

其中，τ为滤波时间常数。

6.根据权利要求1所述的荷电状态控制方法，其特征在于，所述步骤S6中的限幅模块的表达式为：

其中，c₁为功率上限幅时的SOC，c₃为功率下限幅时的SOC，P_H为设定的限制放电功率值，P_L为设定的限制充电功率值。