徐傳進 吳 琪 徐正華 雷 凱 林云松

（東汽投資發(fā)展有限公司，四川 德陽，618000）

0 引言

隨著可再生能源的大規(guī)模發(fā)展以及智能電網建設的需要，大規(guī)模電能存儲以其可存可放、可調度、可控制的特點，成為了解決上述問題的有效途徑和重要方案。

在可再生能源中，風能和太陽能以其取之不盡、用之不竭的優(yōu)勢，得到了迅速的發(fā)展，但風能和太陽能都存在能量密度低、穩(wěn)定性差、間歇性的缺點[1]。隨著風能和太陽能裝機容量占電網容量比例的不斷增加，對電網的電能質量和安全運行造成的影響也越來越大[2]。大規(guī)模儲能系統(tǒng)可平滑風電、太陽能發(fā)電的輸出功率，調節(jié)供電的連續(xù)性與穩(wěn)定性，提高電能質量；同時，由于風電是 “反峰”電力，大規(guī)模儲能系統(tǒng)可在用電低谷時將多余的風電存儲起來，在用電高峰時送出，可提高風電利用率；最后，大規(guī)模儲能系統(tǒng)具有調壓調頻、孤網運行等功能，可提高電網的安全運行。

在智能電網的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電等各個環(huán)節(jié)中，儲能系統(tǒng)都得到了廣泛應用[3]。在發(fā)電環(huán)節(jié)，儲能系統(tǒng)可提高大規(guī)模風電、太陽能發(fā)電的安全并網運行能力，其容量配置需結合運行方式和應用目標進行計算；在輸電環(huán)節(jié)，儲能系統(tǒng)可充分利用現(xiàn)有的電網資源，提高輸電線路輸送能力和效率，降低輸電成本，還可以通過頻率、有功控制、無功控制來提高輸電網運行的安全穩(wěn)定性；在變配電環(huán)節(jié)，儲能系統(tǒng)可顯著提高電網穩(wěn)定性和可靠性，減小電網供電峰谷差；在用電環(huán)節(jié)，儲能系統(tǒng)可起到局部削峰填谷和備用電源的作用。所以，儲能系統(tǒng)是構建智能電網的重要組成部分。

結合大規(guī)模儲能系統(tǒng)在可再生能源領域和智能電網領域的應用，儲能系統(tǒng)的運行控制模式可歸結為波動平抑控制模式、調峰控制模式、調壓調頻控制模式、跟蹤計劃出力模式和孤島控制模式。

1 儲能系統(tǒng)工作原理

儲能系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：蓄電池堆 （BP）、 電池管理系統(tǒng) （BMS）、 儲能變流器（PCS）和儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)（EMS）等，如圖1所示。

圖1 儲能系統(tǒng)結構圖

如圖1所示，儲能系統(tǒng)主要根據(jù)上級調度指令或控制目標，由儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)分析并進行控制，同時與儲能變流器及電池管理系統(tǒng)通訊，一方面采集儲能變流器和蓄電池堆的實時狀態(tài)信息；另一方面將具體控制指令下發(fā)，由儲能變流器和蓄電池堆進行相應控制模式下的充放電，從而完成整個系統(tǒng)的控制目標[4]。

2 儲能系統(tǒng)組成

2.1 蓄電池堆 （BP）

蓄電池堆是實現(xiàn)電能存儲和釋放的載體，其集成過程為：多只電芯 （Cell）并聯(lián)形成單元電池（Unit）；多個單元電池串聯(lián)構成電池模塊（Block）；多個電池模塊串聯(lián)構成電池串 （BS）；多個電池串并聯(lián)組成電池堆 （BP）。蓄電池堆集成的環(huán)節(jié)，又稱為蓄電池的成組設計，基本原則有：

（1）單元電池中電芯的并聯(lián)數(shù)一方面取決于電芯的額定容量，另一方面取決于電池連接的安全可靠性。為了避免單元電池的均流控制問題，在滿足大容量電芯可靠性和安全性的前提下，應盡量減少單體電池的并聯(lián)數(shù)。

（2）電池模塊中的單元電池的串聯(lián)數(shù)以方便管理和更換為原則，同時結合電池管理單元（BMU）的接口數(shù)目進行設計。

（3）電池組中電池模塊的串聯(lián)數(shù)應以儲能變流器的工作電壓范圍為設計依據(jù)，但考慮到串聯(lián)連接對電池容量的一致性要求較高，應在滿足工作電壓范圍的前提下，盡量減少模塊的串聯(lián)數(shù)。

（4）蓄電池堆中電池組的串、并聯(lián)數(shù)取決于儲能系統(tǒng)的總容量、冗余度和運行模式。

2.2 電池管理系統(tǒng) （BMS）

電池管理系統(tǒng)是用于監(jiān)測、評估及保護電池運行狀態(tài)的電子設備，應具備監(jiān)測功能、運行報警功能、保護功能、自診斷功能、均衡管理功能、參數(shù)管理功能和本地運行狀態(tài)顯示功能等。

一般電池管理系統(tǒng)采用分級控制，分為電池管理單元 （BMU）和電池管理系統(tǒng) （BMS）。BMU采集電池模塊中各單元電池的電壓和溫度；BMS收集一個串聯(lián)之路中的全部BMU信息，同時檢測本電池串的電流，并實現(xiàn)各種保護措施。相應的，電池串的均衡管理也分為兩級結構，BMU可實現(xiàn)電池模塊中的單元電池之間的均衡，BMS可實現(xiàn)各電池模塊之間的均衡，從而實現(xiàn)電池串內所有單元電池之間的均衡功能。

2.3 儲能變流器 （PCS）

儲能變流器是交/直流側可控的四象限運行的變流裝置，實現(xiàn)對電能的交直流雙向轉換。其結構主要由AC/DC交直變流器及輔助設備組成。為了實現(xiàn)對電池串的獨立充放電控制，同時避免電池串之間的環(huán)流，也可在蓄電池堆和AC/DC交直變流器之間加入DC/DC直直變流器。

由于儲能變流器是實現(xiàn)儲能系統(tǒng)控制目標的關鍵硬件，根據(jù)儲能系統(tǒng)在不同場合的應用需求，AC/DC交流變流器和DC/DC直直變流器應具備不同模式充電功能、不同模式放電功能、并網和離網的模式切換功能、保護功能、人機界面和通訊功能等。此外，AC/DC交直變流器還應具備孤島檢測功能、低電壓穿越功能、有功和無功的控制功能等；DC/DC直直變流器還應具備電壓切換功能、不同類型電源接入功能等。

2.4 儲能電站監(jiān)控系統(tǒng) （EMS）

儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)是整個儲能系統(tǒng)的控制中樞，負責監(jiān)控整個儲能系統(tǒng)的運行狀態(tài)，保證儲能系統(tǒng)處于最優(yōu)的工作狀態(tài)。儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)是聯(lián)結電網調度和儲能系統(tǒng)的橋梁，一方面接受電網調度指令，另一方面把電網調度指令分配至各儲能支路，同時監(jiān)控整個儲能系統(tǒng)的運行狀態(tài)，分析運行數(shù)據(jù)，確保儲能系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài)。

儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能有：SCADA功能、診斷預警功能、全景分析功能、優(yōu)化調度決策功能和有功無功控制功能。監(jiān)控系統(tǒng)通過對電池、變流器及其他配套輔助設備等進行全面監(jiān)控，實時采集有關設備運行狀態(tài)及工作參數(shù)并上傳至上級調度層，同時結合調度指令和電池運行狀態(tài)，進行功率分配，實現(xiàn)相應的控制策略和控制目標。

3 儲能系統(tǒng)控制模式

鑒于儲能在新能源發(fā)電接入和智能電網等領域的應用，本文對儲能系統(tǒng)的波動平抑控制模式、調峰控制模式、調壓調頻控制模式、跟蹤計劃出力模式和孤島控制模式的控制策略進行分析。

3.1 波動平抑控制模式

對于新能源發(fā)電的輸出功率信號中的低頻分量，由于其波動比較緩慢，功率變化率較小，注入電網時電力系統(tǒng)有充足的時間進行響應，然而高頻分量會導致功率變化率變大，短時間內會對電網造成嚴重的沖擊，給電網安全運行帶來隱患。儲能系統(tǒng)在波動平抑控制模式下可以通過其充放電來改變新能源輸出功率的幅值，剔除新能源輸出功率中的高頻分量，減小功率的變化，使輸出功率較為平滑。

這與信號處理中的低通濾波原理類似，低通濾波器通過對輸入信號的幅值進行處理，去除高頻分量，使輸出信號更加平滑。而儲能系統(tǒng)則通過其充放電來改變新能源輸出功率的幅值，使注入電網的電能更為平穩(wěn)。因而，利用儲能系統(tǒng)對新能源并網功率的平抑控制可以通過儲能系統(tǒng)的快速充放電控制實現(xiàn)，所以合理有效地對儲能系統(tǒng)的控制是新能源輸出功率波動平抑控制實現(xiàn)的關鍵。

圖2是能量波動平抑控制預期效果圖，當新能源輸出功率大于該時刻經平抑后的實際并網功率時，需要控制儲能系統(tǒng)快速吸收 “多余”功率；當新能源輸出功率小于該時刻經平抑后的實際并網功率時，控制儲能系統(tǒng)應快速補充相應的功率缺額。

圖3是能量波動平抑控制流程圖，通過對新能源輸出功率值PW進行低通濾波處理，得出新能源并網的參考功率Pref。新能源輸出功率值PW和參考的并網功率Pref間的差值△P=PW-Pref即為儲能系統(tǒng)的工作功率PB=△P。

圖2 能量波動平抑控制預期效果示意圖 （PW為新能源輸出功率；Pout為實際并網功率）

圖3 能量波動平抑控制流程圖

如圖3所示，新能源輸出功率值PW是輸入信號，輸出信號PB為儲能系統(tǒng)的工作功率。采用一階低通濾波器對新能源輸出功率進行平抑控制時，其低通濾波模型為：

其中，τ為濾波時間常數(shù)。由于是對新能源采樣輸出功率進行平抑，故需要對式 （1）進行離散化處理，設平抑控制周期為T，在t=kT時刻：

從而可以計算出該時刻儲能系統(tǒng)的工作功率

對新能源輸出功率進行儲能平抑控制前，要根據(jù)期望得到的平抑效果確定需要濾除的功率波動分量的頻率，即截止頻率fc，進而得到濾波時間常數(shù)τ。τ值決定了經平抑后風電場輸出功率的平滑程度。

在進行波動平抑控制模式下，要求儲能變流器和蓄電池堆具有快速大功率充放電的能力。

3.2 調峰控制模式

在調峰模式下，區(qū)別于波動平抑控制模式，儲能系統(tǒng)此時主要用于平滑一個時間段 （小時級別）的輸出功率，保證一個時間段的輸出功率的相對平滑。

為了實現(xiàn)對一個時間段內的輸出功率的平滑，需要引入新能源發(fā)電的功率預測功能，評估下一個時間段新能源具備的可能發(fā)電能力，用以制定儲能系統(tǒng)的控制策略。

3.2.1 功率平滑參考值的確定

貴州省的旅游資源主要是自然景觀和民族文化資源?！肮琶缃呃取毖鼐€的民族文化遺產具有其自身鮮明的特色，但是在普通游客看來，這些旅游資源在云南同樣存在并且云南的更加出名。比如：云南大理城、瀘沽湖畔的摩梭人、蒼山、洱海等。反觀貴州，雖然有多樣的民族文化資源“寶庫”的稱號，但是，長期以來，卻被打上了“夜郎自大”、“黔驢技窮”等負面標識。并且，貴州雖不是邊疆，但卻常被視為邊遠之地。這些長久以來在人們心中形成的刻板印象，給貴州的對外宣傳造成了巨大的阻力。除此以外，由于沒有形成一套完整系統(tǒng)的旅游配套服務設施，景區(qū)開發(fā)程度還比較低，不足以支撐鄉(xiāng)村旅游的健康發(fā)展。

功率平滑參考值是指：根據(jù)新能源發(fā)電預測得到的預測功率曲線，引入儲能系統(tǒng)的充放電補償后，二者功率平滑后所得到期望值。

當新能源發(fā)電有電網調度時，功率平滑參考值就是電網調度給定的功率；當沒有電網調度計劃時，需要自給定一個合理的參考值作為參考，作為平滑功率輸出的目標。

在沒有電網調度計劃時，為了實現(xiàn)調峰模式的要求，首先必須優(yōu)先確定接下來時間段的功率平滑參考值。本文制定該值的原則是：以功率平滑參考值作為參考，其與新能源功率預測曲線圍成的區(qū)域必須滿足：可充電區(qū)域的面積≥放電區(qū)域面積，且二者越接近越好，即：

如圖4所示，只有當平滑參考值為Pref2時，才滿足式 （5）的要求，也滿足 “可充電區(qū)域的面積與放電區(qū)域面積越接近越好的原則”時，才能通過儲能系統(tǒng)的充放電完成平滑功率到Pref2的目的。

3.2.2 儲能電站充放電功率的確定

在確定了功率平滑參考值的情況下，可以確定調峰模式下儲能系統(tǒng)的充放電功率。

圖5 儲能系統(tǒng)充放電功率示意圖

以圖5中的A、B、C、D、E為例，調峰模式下的控制策略為：

（1）估計各個區(qū)域的能量大小，以區(qū)域B為例：

圖6 求解區(qū)域B能量示意圖

在圖5中，選取區(qū)域B的起點A為坐標原點，得到圖6，其中：Pnext為新能源功率預測曲線，Pref為功率平滑參考值曲線， Pnext（k△ti）、 Pref（k△ti）分別為區(qū)域B中預測時間點為k△t時刻的新能源功率預測值、功率平滑參考值，區(qū)域B具有的能量即為區(qū)域B部分的圖形面積：

（2）分別判斷A、B、C、D、E區(qū)域的能量是否大于相應的能量閾值△；

（3）確定滿足條件的區(qū)域B、E分別應為儲能系統(tǒng)充電與放電，其余區(qū)域無需充放電，達到“削峰填谷”的作用；

（4）根據(jù)當前儲能系統(tǒng)的充放電能力以及當前區(qū)域需要充或放的能量大小，確定當前儲能系統(tǒng)的充放電功率大小。

在進行調峰控制模式下，要求儲能系統(tǒng)的容量較大，根據(jù)目前研究及示范工程可知，此模式下儲能系統(tǒng)的容量約為新能源發(fā)電系統(tǒng)容量的20%～30%。

3.3 調壓調頻控制模式

儲能系統(tǒng)工作于調壓調頻控制模式時，主要用于無功功率輸出調節(jié)、頻率調節(jié)等，通過與監(jiān)控系統(tǒng)或調度系統(tǒng)相配合，可以實現(xiàn)調壓調頻功能。儲能變流器具有電壓調節(jié)和頻率調節(jié)的接口，儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)通過該接口下發(fā)電壓或頻率期望值，即可實現(xiàn)調壓調頻。

目前，儲能系統(tǒng)相對于大電網容量來說，本身裝置容量非常小，調壓調頻作用尚不明顯。但今后隨著儲能系統(tǒng)容量的增加，以及更多儲能系統(tǒng)裝置的投運，儲能系統(tǒng)參與全網無功電壓優(yōu)化控制、頻率調節(jié)的作用會越來越重要。

3.4 跟蹤計劃出力控制模式

儲能系統(tǒng)工作在跟蹤計劃出力控制模式下，儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)計劃出力曲線，控制儲能系統(tǒng)的充放電過程，使得整個電站的實際功率輸出盡可能地接近計劃出力，從而增加可再生能源輸出功率的確定性。在該模式下，計劃出力曲線既可以是根據(jù)自然條件預測得出的預測出力曲線，也可以是電網為其制定的計劃出力曲線，其控制原則如下：

（1）充分利用自然資源，即優(yōu)先由新能源發(fā)電滿足出力需要，在新能源發(fā)電出力超出計劃出力時，多余的能量應給儲能電池充電；

（2）若新能源發(fā)電不能滿足計劃出力的需要，此時，若儲能電池能量充足，則考慮由儲能電池放電提供所需能量；

（3）根據(jù)儲能電池容量和預測新能源出力曲線合理選擇充放電區(qū)間，盡可能長時間地維持總輸出功率滿足預測出力曲線；

（4）若計劃出力超出了電站的的調節(jié)范圍，則應盡可能地調節(jié)電站出力接近計劃出力曲線。

圖7 跟蹤計劃出力控制模式控制策略圖

該模式下系統(tǒng)控制流程如圖7所示，在電網未給出計劃出力時，新能源發(fā)電功率預測系統(tǒng)根據(jù)氣象數(shù)據(jù)，預測出新能源發(fā)電系統(tǒng)在長期內 （一天或者數(shù)小時內）的出力曲線，作為發(fā)電站計劃出力曲線，新能源發(fā)電短期功率預測系統(tǒng)根據(jù)氣象數(shù)據(jù)（數(shù)小時內），預測出新能源發(fā)電在短期內的出力曲線，儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)短期出力曲線和計劃出力曲線，結合新能源發(fā)電實時運行數(shù)據(jù)，優(yōu)化計算出儲能系統(tǒng)充放電功率。

3.5 孤島運行控制模式

儲能系統(tǒng)運行在孤島運行控制模式時，儲能系統(tǒng)可以為孤網提供穩(wěn)定的電壓和頻率，為就地負載繼續(xù)提供電能。

儲能變流器具有就地監(jiān)控系統(tǒng)，可以通過對交流側電壓及頻率的實時檢測，在電網斷電后迅速進行判斷并在一定的時間內斷開與電網的連接，繼續(xù)為就地負載供電。

4 相關支撐技術

儲能系統(tǒng)實現(xiàn)上述控制模式，還需其他相關技術的支撐，如風電場功率預測技術、蓄電池充放電控制技術等。

儲能系統(tǒng)工作在調峰模式和跟蹤計劃出力模式下，均需要以新能源發(fā)電預測功率為控制依據(jù)。功率預測精確性直接影響著控制的效果，目前風電場功率預測主要依據(jù)現(xiàn)場實時氣象數(shù)據(jù)，結合風力發(fā)電機組特性，利用先進的預測算法進行風力發(fā)電功率預測。

蓄電池堆是所有儲能系統(tǒng)控制模式實現(xiàn)的基礎，其通過與儲能變流器相配合，進行相應的充放電。因此，對蓄電池堆充放電進行優(yōu)化管理，增加蓄電池堆使用壽命，對提高儲能系統(tǒng)工作可靠性和經濟性具有極大的作用。通過蓄電池充放電控制技術，對蓄電池堆進行分組，結合儲能系統(tǒng)各控制模式下的輸出功率要求，并參考各蓄電池組的充放電能力及其他狀態(tài)信息，進行最優(yōu)的功率分配。

5 總結

在新能源發(fā)電功率預測技術、蓄電池充放電控制技術等支撐下，大規(guī)模儲能系統(tǒng)通過其波動平抑控制模式、調峰控制模式、調壓調頻控制模式、跟蹤計劃出力控制模式及孤島控制模式等，可使新能源發(fā)電輸出功率更加平滑，更具可控性；并在智能電網建設的各個環(huán)節(jié)中得到廣泛應用，提高智能電網的穩(wěn)定性。因此，大規(guī)模儲能系統(tǒng)在新能源發(fā)電接入和智能電網建設中將發(fā)揮越來越重要的作用。

隨著國家風光儲示范工程一期項目的實施，越來越多的機構和企業(yè)開始研究大規(guī)模儲能系統(tǒng)的控制模式和應用效果。在不久的將來，隨著相關技術的不斷進步，大規(guī)模儲能系統(tǒng)將成為解決新能源發(fā)電并網和智能電網建設的重要途徑。

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[3]甄曉亞,尹忠東,孫舟.先進儲能技術在智能電網中的應用和展望[J].電氣時代,2011，（1）：44-47

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