双锂电池–电容器混合储能系统控制策略设计
李军徽 ，穆
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钢 ，崔新振 ，葛延峰 ，高凤杰 ，金 鹏
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（1. 东北电力大学电气工程学院，吉林 132012；2. 国网辽宁省电力有限公司，沈阳 110006； 3. 国网辽宁省电力有限公司沈阳供电公司，沈阳 110811）
摘 要：针对电池储能用于平抑风电功率波动时频繁充放电切换工作状态降低了电池使用寿命的问题，提出了锂 电池寿命衰减程度评价方法，并根据此方法确定了锂电池在寿命周期内吞吐最大电量所对应的最佳运行充放电循 环深度。考虑到能量型储能介质和功率型储能介质的优势互补以及单电池储能运行充放电循环深度对电池带来的 不利影响，采用了基于双锂电池和超级电容器的混合储能系统主电路结构，并根据分段均值方法确定储能系统的 参考功率， 设计了锂电池运行在最佳充放电深度内的运行控制策略。 最后基于国内某风电场的实测风电功率数据， 对提出的储能系统结构和运行控制策略的合理性和有效性进行了验证。 算例结果表明， 在完成同一个目标指令时， 单储能运行时充放电循环深度与标准充放电循环深度的偏离程度较大，对电池储能寿命衰减的影响较大；而双电 池储能 A、B 单元能在所提出的协调控制策略下尽可能运行在标准充放电循环深度，从而提高了电池的使用寿命 和经济效益。 关键词：风电；双锂电池；超级电容器；控制策略；循环深度；电池使用寿命
第 41 卷 第 10 期：3224-3232 2015 年 10 月 31 日 DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.2015.10.006
高电压技术 High Voltage Engineering
Vol.41, No.10: 3224-3232 October 31, 2015
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基 金 资 助 项 目 ： 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 (973 计 划 ) (2013CB228201) ； 国 家 自 然 科 学 基 金 (51207018) ； 国 家 电 网 公 司 科 技 项 目 （SGLNSY00FZJS1500191） ；吉林市科技发展计划 (201464038)。 Project supported by National Basic Research Program of China(973 Program) (2013CB228201), National Natural Science Foundation of China (51207018), Science & Technology Project of SGCC (SGLNSY00FZJS1500191), Science and Technology Development Project of Jilin City (201464038).
李军徽，穆
钢，崔新振，等：双锂电池–电容器混合储能系统控制策略设计
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0 引言
风力发电以其无污染、一次能源可永久续用等 诸多优点而成为实现低碳电力可持续发展的重要选 择。但由于风能具有随机性、间歇性和不可准确预 测性，大规模风电并网势必给电力系统的运行、调 度与控制等带来诸多挑战
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理方法，计及多种约束条件下利用改进的粒子群优 化算法对微电源出力进行经济环保优化调度，延长 蓄电池使用寿命。文献[17]为了平滑连接于智能配 电网的大规模风电场出力，配置了集中电池储能系 统，提出了可以显著减少储能系统投资成本的优化 配置方法。文献[18]首次构建了一种综合社会经济 成本效益的模型，分析了储能系统的一次性投资和 收益, 通过使用抽水蓄能和压缩空气储能满足调峰 需求来验证所提模型的有效性。 以上研究基于电池储能的功率和容量约束优 化储能系统的运行控制， 但是应用于新能源场景时, 电池储能运行在充放电转换和不完整的充放电循环 状态，会给电池寿命带来不利影响，因此电池运行 过程中充电深度(DOC)和放电深度(DOD)对其运行 寿命的影响不可忽略。 为了刻画电池运行状态和其寿命的关系，本文 提出了锂电池寿命衰减程度评价方法，并根据此方 法确定了锂电池在寿命周期内吞吐最大电量所对应 的最佳运行充放电循环深度。考虑到能量型储能介 质和功率型储能介质的优势互补，本文储能整体结 构为锂电池和超级电容器构成的混合储能系统结 构，采用分段均值方法确定储能系统的参考功率， 然后在系统内部进行合理的分配，电池承担趋势性 慢变分量风电的平抑，超级电容器负责平抑快变分 量的风电；此外，为了让锂电池运行在最佳充放电 深度内，电池单元采用充电任务和放电任务分开的 双锂电池结构；最后，基于国内某风电场的实测运 行数据，对上文提出的储能系统结构和运行控制策 略的合理性和有效性进行了分析验证。
。因此，从电网安全经
济运行的角度出发，如何提高大规模风电可控程度 是风电并网亟待解决的问题。 储能系统由于能够实现电能的时空平移，具有 响应速度快、具备形成大规模的可能性等优点，而 被认为是改善间歇式电源可控性、提高其并网能力 的有效手段
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。目前，综合考虑地理位置、安装周
期等因素，电池储能在新能源接入领域具有广泛的 应用前景 。 文献[7]介绍了适用于风电的抽水蓄能、 压缩空气、电池储能、液流电池等储能技术的运行 原理以及主要特性，并讨论了在风电领域储能技术 应用的场景。文献[8]指出在孤立电网中利用储能系 统可以有效保证孤立系统运行的稳定性以及风能利 用的高效性。文献[9]提出了在储能控制系统中引入 功率预测反馈环节，加快了储能系统和风电系统结 合的应用速度。但是电池储能受到循环寿命和成本 的约束。因此，如何在有效提高大规模风电接入能 力的同时延长电池使用寿命、进而降低其使用成本 是电池储能在新能源接入工程中应用的关键。 已有学者对延长电池使用寿命的储能控制策 略进行了研究。 文献[10]将荷电状态(SOC)和低通滤 波器结合起来， 通过引入 SOC 反馈来调整滤波时间 常数，限制电池的过充过放。文献[11]在平滑可再 生能源输出功率波动的混合储能系统中，采用模糊 控制理论进行功率分配， 当超级电容器电量充足时， 由其独立补偿平滑所需功率，从而减少蓄电池充放 电次数；文献［12-13］采用滑动平均和低通滤波控 制，使功率型储能单元和能量型储能单元分别承担 储能系统功率参考指令中的高频部分和低频部分， 以发挥储能介质各自的优势。文献[14]兼顾并网功 率平滑度和延长储能系统使用寿命，提出了一种基 于变平滑时间常数和功率限幅的优化控制方法 , 该 方法考虑了电池最大功率、最大功率爬坡等因素对 储能系统寿命的影响。文献[15]设计了电池–超级电 容器混合储能系统的协调控制策略，以年预期寿命 成本最小为目标确定了储能单元的的配置。 文献[16] 提出了一种采用混合储能系统的微网多目标能量管
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Abstract：The service life of battery is reduced due to its work state of frequent charging and discharging conversion when the battery energy storage is applied to smooth wind power fluctuations. To this end, an evaluation method of the lithium battery life attenuation degree is presented and the best cycle depth of charge and discharge corresponding to the maximum throughput electricity in the life cycle of battery is established according to the method. The main circuit structure of hybrid storage system of dual lithium battery and super capacitors is adopted, considering that the running cycle depth of charge and discharge of the single battery has a detrimental effect on the lifetime of battery and the storage media of high energy density and high power density have complementary advantages. Meantime, the reference power of energy storage unit is determined by the piecewise average algorithm and the control strategy of dual battery units is designed to make the lithium battery running in the optimal charge and discharge depth. At last, based on the basic parameters of large-scale battery energy storage system in which wind farms have been installed in some region, the rationality and effectiveness of the above structure and operation control strategy of energy storage system are verified. The simulation results show that, the deviation between cycle depth of charge and discharge of the single battery and standard cycle depth of charge and discharge is remarkable at the same goal, and it has a great effect on the decay of battery energy storage life; the A and B units of double battery energy storage can run at the standard cycle depth by using the proposed coordinating control strategy, thus the battery lifetime and economic benefits are improved greatly. Key words：wind power; dual lithium battery; ultra capacitor; control strategy; cycle depth; lifetime of battery