風能與光伏微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)的建模與仿真

姚 銘,趙 鵬,張巖亮,張圓美,孫 悅

(1.東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012;2.松原市供電公司,吉林 松原 138000)

風能與光伏微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)的建模與仿真

姚 銘1,趙 鵬2,張巖亮1,張圓美1,孫 悅1

(1.東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012;2.松原市供電公司,吉林 松原 138000)

為了提高風能與光伏微電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性,闡述了風能與光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)建模與控制方法。在微電網(wǎng)平抑功率波動方式和計劃出力方式運行情況下,對風能與光伏微電網(wǎng)進行電壓頻率控制,并利用DIgSILENT/Power Factory仿真實驗驗證所建模型及其控制方法的正確性。仿真結果表明,風能與光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)通過與風力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng) 量測信息協(xié)調控制,能夠實現(xiàn)風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)有效跟蹤計劃出力曲線運行,提高了風能與光伏微電網(wǎng)安全穩(wěn)定性。

風能與光伏微電網(wǎng);儲能系統(tǒng);控制方法;仿真分析

目前,火電廠使用的大量化石燃料產生的碳排放嚴重污染了人類賴以生存的環(huán)境[1-3],以致使風能與光伏微電網(wǎng)成為各國電力系統(tǒng)領域研究的重要課題之一[4-5]。由于儲能系統(tǒng)與風力發(fā)電、光伏發(fā)電以及負荷需求協(xié)調控制相對困難,使微電網(wǎng)在穩(wěn)定狀態(tài)下運行存在一定的問題[6-7],因此,本文對風能與光伏微電網(wǎng)中的儲能系統(tǒng)進行了建模,設計出了可平抑可再生能源電站功率波動性問題的控制方法,使可再生能源電站按計劃調度曲線規(guī)劃出力,提高了風能與光伏微電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

1 風能與光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的組成

風能與光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)整體結構如圖1所示。風力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)為主要的能源供應系統(tǒng),后備電源和儲能單元為儲能系統(tǒng),儲能單元由蓄電池和燃料電池設備組成。當風能與光伏系統(tǒng)出力過剩,即微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)出力超過電網(wǎng)調度指定的負荷需求時,通過控制儲能系統(tǒng),使其吸收風光系統(tǒng)發(fā)出過剩功率[8]。反之,風力發(fā)電系統(tǒng)和太陽能發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)負荷需求的差值由儲能系統(tǒng)來補償。

2 儲能系統(tǒng)建模與控制方法

儲能系統(tǒng)由一定數(shù)量的蓄電池組、燃料電池組及并網(wǎng)逆變器單元并聯(lián)經(jīng)就地升壓變壓器送入高壓開關站。電荷狀態(tài)(State of Charge,SOC)是判斷電池能量的標準,當蓄電池的荷電狀態(tài)低于其設定值η時,啟動燃料電池,否則燃料電池將作為備用儲能。

儲能系統(tǒng)模型包括3部分:蓄電池組模型、燃料電池模型和儲能系統(tǒng)并網(wǎng)綜合控制策略。

2.1 蓄電池組模型

當蓄電池處于充滿狀態(tài)下時,其額定容量為Qn,在蓄電池組放電的過程中,電荷狀態(tài)即剩余電量百分比(SOC)與放電電流i(t)具有如下關系[9]:

(1)

式中:Mb-s為蓄電池組中電池串聯(lián)個數(shù)；Mb-p為蓄電池組中電池并聯(lián)個數(shù)。

以溫度25 ℃時蓄電池的特性為標準,補償蓄電池的內阻和極化反應缺額,由于蓄電池工作時內阻和極化反應受溫度影響,補償因子與電池極化效應因數(shù)Ct以及電池溫度Tb的關系為

(2)

式中:Cp為極化效應溫度補償因子;Cr為電阻溫度補償因子。

蓄電池組的運行電動勢E與初始內電勢E0的數(shù)學關系為[10]

(3)

式中:k為極化電壓常數(shù);A為電壓變化系數(shù);B為容量變化系數(shù)。

2.2 燃料電池模型[11]

燃料電池作為蓄電池組的備用儲能,起到保障儲能系統(tǒng)穩(wěn)定運行的作用,采用質子交換膜燃料電池常用模型,其電壓VFC與電流IFC關系為

(4)

式中:NF-S為燃料電池組所串聯(lián)電池的個數(shù);V0為開路時的電壓值;Acell為電池的有效活性面積;Jn指實際運行的電流密度;J0為電池運行過程中所能達到的最大電流密度;R為歐姆電阻;m為濃度系數(shù);n為連接損耗因數(shù)。

2.3 儲能系統(tǒng)控制方法

建立可再生能源電站與儲能系統(tǒng)統(tǒng)一調度,其功能定位主要有:平抑可再生能源電站功率波動性問題和按計劃調度曲線規(guī)劃可再生能源電站出力情況。

2.3.1 平抑功率波動方式下儲能系統(tǒng)并網(wǎng)綜合控制方法

蓄電池組綜合控制如圖2所示,儲能系統(tǒng)包括蓄電池控制系統(tǒng)和并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)兩部分,蓄電池組經(jīng)由電池控制系統(tǒng)、并網(wǎng)逆變器和變壓器接入電網(wǎng),其中電池控制系統(tǒng)檢測電池運行狀態(tài),并網(wǎng)逆變器對蓄電池輸出進行控制。

圖2 平抑功率波動方式下儲能系統(tǒng)綜合控制系統(tǒng)圖

2.3.2 按計劃出力方式下儲能系統(tǒng)并網(wǎng)綜合控制方法

計劃出力方式下儲能系統(tǒng)的控制系統(tǒng)如圖3所示,包含電池控制系統(tǒng)和并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)兩部分,蓄電池組作為儲能系統(tǒng)的主電源,燃料電池為備用電源。

圖3 按計劃出力方式下儲能系統(tǒng)綜合控制系統(tǒng)圖

在電池控制系統(tǒng)中,用電池控制器對并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)進行功率控制。用功率平衡控制器對電網(wǎng)負荷的有功功率Pload、無功功率Qload、風能與光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力(Pw-pv,Qw-pv)及其電池系統(tǒng)的收、發(fā)功率(Pb,Pbf)進行協(xié)調控制,輸出功率的有功、無功參考值Pc、Qc經(jīng)過功率控制器可以得到電流控制器的參考值Id,c、Iq,c,再經(jīng)過電流控制器得到并網(wǎng)逆變器同步旋轉坐標系下觸發(fā)脈沖Pc,md與Pc,mq,達到儲能系統(tǒng)同步并網(wǎng)目的。

3 儲能系統(tǒng)仿真分析

在DIgSILENT/Power Factory仿真軟件中對光伏與風能微電網(wǎng)建模后,運行得到以下波形。

3.1 設置風能與光伏的參數(shù)

風力發(fā)電系統(tǒng)初始功率為0.1 MW,功率因數(shù)設定為cosφ=0.98,風速設置如圖4所示。光伏系統(tǒng)功率因數(shù)設定為cosφ=-0.98,太陽輻射強度設置如圖5所示。

圖4 風速變化曲線

圖5 太陽輻射強度變化曲線

3.2 儲能系統(tǒng)功率調節(jié)

功率控制器有功、無功動態(tài)跟蹤情況如圖6所示。

圖6 功率控制器的動態(tài)響應情況

從圖6可以看出,當風速和太陽能輻射強度發(fā)生變化時,風光系統(tǒng)功率會有一定程度的波動,會使電網(wǎng)頻率和電壓有一定偏移。為了降低影響電能質量的功率波動,儲能系統(tǒng)通過定頻率和電壓控制策略,使微電網(wǎng)的有功、無功實際值接近公用電網(wǎng)的有功、無功參考值,使微電網(wǎng)能夠向負荷提供穩(wěn)定的功率。

當系統(tǒng)有功功率缺額(Pnet<0)、風力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率供應不滿足系統(tǒng)要求時,啟動蓄電池系統(tǒng),提供有功功率,如果蓄電池的荷電狀態(tài)(SOC)小于25%,啟動燃料電池系統(tǒng)代替蓄電池補償。蓄電池與燃料電池系統(tǒng)的功率變化如圖7和8所示。

圖7蓄電池出力變化曲線

圖8 燃料電池出力變化曲線

4 儲能系統(tǒng)運行特性分析

當微電網(wǎng)系統(tǒng)功率過剩時,儲能系統(tǒng)中蓄電池吸納其過剩功率。當微電網(wǎng)系統(tǒng)功率不足時,儲能系統(tǒng)開始啟動蓄電池系統(tǒng),如果蓄電池荷電狀態(tài)(SOC)小于25%,開始啟動燃料電池來補償系統(tǒng)功率。蓄電池的功率變化和燃料電池的功率動態(tài)如圖9和圖10所示。

在仿真過程中,風力發(fā)電系統(tǒng)24時段內輸出有功、無功功率。光伏發(fā)電系統(tǒng)功率因數(shù)設定為0.98超前。

圖9 蓄電池系統(tǒng)功率變化曲線

圖10 燃料電池功率變化曲線

當風光系統(tǒng)功率過剩(Pnet>0)時,儲能系統(tǒng)中蓄電池吸納其過剩功率。當風光系統(tǒng)功率不足(Pnet<0)時,儲能系統(tǒng)開始啟動蓄電池系統(tǒng),如果蓄電池荷電狀態(tài)(SOC)小于25%,開始啟動燃料電池來補償系統(tǒng)功率。

當微電網(wǎng)系統(tǒng)無功功率過剩(Qnet>0)時,其過剩的無功功率由儲能系統(tǒng)來吸收;當微電網(wǎng)系統(tǒng)無功功率不足(Qnet<0)時,其無功缺額部分由儲能系統(tǒng)中蓄電池和燃料電池提供,如儲能系統(tǒng)所產生的無功功率不能滿足要求,則進行無功補償。由此可見,儲能系統(tǒng)通過電壓頻率控制實現(xiàn)了風能和光伏并網(wǎng)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)有功、無功輸出的平穩(wěn)性;通過與風力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)量測信息協(xié)調控制,實現(xiàn)了風能與光伏微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)有效跟蹤計劃出力曲線運行。在一定程度上提高了并網(wǎng)點母線電壓水平。

5 結 論

1) 儲能系統(tǒng)通過電壓頻率控制實現(xiàn)了風能與光伏并網(wǎng)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)有功、無功輸出的平穩(wěn)性。

2) 儲能系統(tǒng)通過與風力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)量測信息協(xié)調控制,實現(xiàn)風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)有效跟蹤計劃出力曲線運行,在一定程度上提高了并網(wǎng)點的電壓。

3) 通過對風能與光伏微電網(wǎng)的儲能系統(tǒng)進行建模及利用DIgSILENT/Power Factory平臺對平抑功率波動方式和計劃出力方式下進行了仿真分析,驗證了所設計控制方法和儲能系統(tǒng)的正確性。

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(責任編輯 侯世春)

Modeling and simulation of energy storage system in wind energy and photovoltaic micro-gird

YAO Ming1, ZHAO Peng2, ZHANG Yanliang1, ZHANG Yuanmei1, SUN Yue1

(1. College of Electrical Engineering，Northeat Dianli University, Jilin 132012, China;2. Songyuan Power Supply Company, Songyuan 138000, China)

In order to enhance the stability of wind energy and photovoltaic micro grid, this paper expounded the modeling and control methods of energy storage system in the system. Under micro grid stabilizing fluctuation power mode and planning output mode, voltage frequency of wind energy and photovoltaic micro grid was controlled. The established model and its control method were verified by DIgSILENT/Power Factory simulation experiment. The simulation results show that the energy storage system of wind energy and photovoltaic micro grid is able to track the running of planning output curve by information measurement and coordinated control through wind and photovoltaic power generation system in wind energy and photovoltaic system, which enhances the security and stability of the micro-grid.

wind energy and photovoltaic micro-grid; energy storage system; control method; simulation analysis

2015-07-13。

姚 銘(1988—),男,碩士研究生,從事微電網(wǎng)儲能技術的研究工作。

TM727

A

2095-6843(2015)06-0491-05