，，

(1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.三峽新能源大連發(fā)電有限公司，遼寧 大連 116000)

基于儲(chǔ)能系統(tǒng)交互的新能源發(fā)電和負(fù)荷波動(dòng)柔性控制策略研究

王金星1，李明明2，劉青1

(1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.三峽新能源大連發(fā)電有限公司，遼寧 大連 116000)

針對(duì)含新能源接入輸電網(wǎng)的末端穩(wěn)定性較低的現(xiàn)象，基于某區(qū)域電網(wǎng)新能源發(fā)電和負(fù)荷波動(dòng)特性，通過(guò)建立風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、波動(dòng)負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和制定適合儲(chǔ)能系統(tǒng)與波動(dòng)負(fù)荷、新能源發(fā)電的動(dòng)態(tài)交互功率控制策略的方法，得到儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠通過(guò)交互功率抑制新能源和負(fù)荷波動(dòng)的結(jié)論?；赑SCAD/EMTDC平臺(tái)仿真的結(jié)果表明，所提控制策略能夠可靠消納新能源發(fā)電的功率波動(dòng)，有效消除“峰谷”差異對(duì)輸電網(wǎng)的影響，大大減小了用電高峰的發(fā)電和輸電壓力，顯著降低了電力系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量。

儲(chǔ)能系統(tǒng)；波動(dòng)負(fù)荷；新能源發(fā)電；控制策略

近年來(lái)風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電在國(guó)內(nèi)外的規(guī)?？焖贁U(kuò)大，發(fā)電容量迅速提高[1]，世界能源供給將實(shí)現(xiàn)石油、煤炭、天然氣和新能源的“四分天下”[2]；同時(shí)因新能源自身的間歇性、波動(dòng)性，局部電網(wǎng)對(duì)新能源電力的接納能力有限，導(dǎo)致“棄風(fēng)棄光”現(xiàn)象嚴(yán)重。大量新能源的浪費(fèi)對(duì)大功率輸電技術(shù)的穩(wěn)定性、靈活性提出了更高的要求。隨著高壓、特高壓柔性交流輸電技術(shù)的迅速發(fā)展，基于新能源發(fā)電的柔性輸電控制技術(shù)值得深入研究。

同時(shí)，因人們固有的生活習(xí)慣和作息規(guī)律，導(dǎo)致電力系統(tǒng)負(fù)荷晝夜差異較大，負(fù)荷“峰谷”現(xiàn)象明顯，這就造成電網(wǎng)負(fù)荷高峰期供電壓力較大以及負(fù)荷低谷期的發(fā)電機(jī)“空載”和“低載”現(xiàn)象[3]。每天上午的06∶00～08∶00易出現(xiàn)負(fù)荷迅速增加的“陡升”現(xiàn)象，晚上20∶00～23∶00易出現(xiàn)負(fù)荷迅速減小的“陡降”現(xiàn)象。負(fù)荷“峰谷”差異和“陡升陡降”現(xiàn)象給電力系統(tǒng)的發(fā)輸變電帶來(lái)了一定的技術(shù)困擾。

為降低大電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組備用容量，提高發(fā)電機(jī)組和輸變電設(shè)備的利用效率，本文提出基于儲(chǔ)能系統(tǒng)交互的新能源發(fā)電和負(fù)荷波動(dòng)控制技術(shù)，維護(hù)城市、農(nóng)村、牧區(qū)等局部電網(wǎng)的新能源發(fā)電和負(fù)荷穩(wěn)定，消除局部電網(wǎng)內(nèi)的功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，保證新能源安全并網(wǎng)和區(qū)域重要負(fù)荷可靠用電[4]。

1 新能源發(fā)電和負(fù)荷波動(dòng)特性分析

1.1 新能源發(fā)電特性分析

新能源發(fā)電的功率輸出特性分析是研究新能源電力并網(wǎng)和控制的基礎(chǔ)，研究新能源電力并網(wǎng)和控制是為更穩(wěn)定地輸出新能源發(fā)電功率。受自然環(huán)境和天氣情況影響，以風(fēng)能和太陽(yáng)能為代表的新能源呈現(xiàn)出較為明顯的波動(dòng)性和間歇性，給新能源電力接入的電網(wǎng)帶來(lái)一定的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)[5]。某區(qū)域風(fēng)電場(chǎng)250 h功率輸出特性曲線如圖1所示，呈現(xiàn)輸出電功率較為明顯的功率波動(dòng)和零功率極限輸出性質(zhì)，且無(wú)確定的波動(dòng)規(guī)律。由此可見，風(fēng)力發(fā)電功率輸出具有不穩(wěn)定和無(wú)規(guī)律的特點(diǎn)。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)功率輸出波動(dòng)曲線

光伏發(fā)電功率輸出最大限制因素是光照輻射強(qiáng)度，其受天氣陰晴和云層厚度及移動(dòng)情況的影響很大。某光伏電站內(nèi)光照輻射強(qiáng)度的波動(dòng)如圖2所示，分別由單位面積1 min、15 min、60 min采樣輻射功率曲線和晴朗天空的理想輻射功率曲線組成。1 min采樣輻射功率曲線表明，單位面積光照輻射強(qiáng)度隨時(shí)間有較明顯的波動(dòng)，隨采樣時(shí)間的增加，該采樣時(shí)間段內(nèi)平均輻射強(qiáng)度的波動(dòng)趨于減小。由此可知，瞬時(shí)光照輻射強(qiáng)度變化較快，而光照輻射強(qiáng)度在較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)研究是較為穩(wěn)定的。

風(fēng)能和太陽(yáng)能作為新能源發(fā)電的主要組成部分，其功率輸出有以天為周期的規(guī)律性，可用該規(guī)律進(jìn)行相應(yīng)發(fā)電控制和電力調(diào)度研究。某天24 h風(fēng)電機(jī)組功率輸出曲線和光伏電站功率輸出曲線如圖3所示。由圖3可見，風(fēng)電場(chǎng)夜間功率輸出較大，白天輸出功率相對(duì)較小，而光伏發(fā)電在白天功率輸出較大，夜間輸出功率為零，二者的功率輸出具有一定的互補(bǔ)性。合理地配置風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組容量和光伏電站容量，可使兩者功率輸出之和的特性曲線接近于電力負(fù)荷的功率特性曲線。

圖2 單位面積光照輻射功率波動(dòng)曲線

圖3 某天24小時(shí)新能源功率輸出曲線

1.2 負(fù)荷波動(dòng)模型

電網(wǎng)負(fù)荷同樣呈現(xiàn)以天為周期的變化規(guī)律，以某局部電網(wǎng)24 h負(fù)荷變化情況為研究對(duì)象，負(fù)荷功率波動(dòng)曲線如圖4所示[6]。圖4表明，每天00∶00～06∶00和23∶00～24∶00負(fù)荷處于較低水平，此時(shí)間段電源功率較富余；08∶00～21∶00負(fù)荷水平處于較高水平，電力系統(tǒng)供電較為緊張。鑒于此，需要用先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)等措施來(lái)“削峰填谷”，調(diào)整系統(tǒng)功率在時(shí)間上的分布，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全穩(wěn)定水平。

每天上午06∶00～08∶00出現(xiàn)了負(fù)荷迅速增加的“陡升”現(xiàn)象，晚上20∶00～23∶00出現(xiàn)了負(fù)荷迅速減小的“陡降”現(xiàn)象，如圖4中實(shí)線箭頭所示。負(fù)荷“陡升陡降”現(xiàn)象給電力系統(tǒng)的發(fā)輸變電帶來(lái)了一定的安全威脅，應(yīng)設(shè)法消除。

用電低谷時(shí)，用儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存系統(tǒng)富余的電能，并在用電高峰期釋放儲(chǔ)存的電能，區(qū)域電網(wǎng)對(duì)外部輸電功率的需求調(diào)整后曲線如圖4虛線所示。可見，06∶00～08∶00和20∶00～23∶00功率變化斜率明顯得到降低，如圖4中虛線箭頭所示。儲(chǔ)能裝置可在一定程度上減小“峰谷”現(xiàn)象，有效降低負(fù)荷“陡升陡降”對(duì)電源和輸電線路的影響。

圖4 某區(qū)域電網(wǎng)24小時(shí)負(fù)荷波動(dòng)曲線

通過(guò)分析和研究該局部電網(wǎng)某天24 h外部輸電線路功率需求實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，運(yùn)用傅里葉變換法，得到負(fù)荷24 h變化數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)方程如下：

f(t) =a0+a1costw+b1sintw+a2cos 2tw+

b2sin 2tw+a3cos 3tw+b3sin 3tw+

a4cos 4tw+b4sin 4tw+a5cos 5tw+

b5sin 5tw+a6cos 6tw+b6sin 6tw+

a7cos 7tw+b7sin 7tw

式中傅里葉系數(shù)為

a0=29.39，w=0.265 1，a1=-2.619，b1=-2.821，a2=-0.373 3，b2=-3.046，a3=-0.416 5，b3=0.597 9，a4=-0.487 6，b4=-0.512 7，a5=0.032 93，b5=-0.403 6，a6=0.143 8，b6=-0.136 8，a7=-0.206 1，b7=0.302 9。

2 新能源發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 新能源發(fā)電數(shù)學(xué)模型

新能源發(fā)電的數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行電氣計(jì)算和控制策略研究的基礎(chǔ)，是電器元件物理特性的數(shù)學(xué)表示，體現(xiàn)各參數(shù)的大小和邏輯關(guān)系。這里分別以風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電為例，介紹新能源電源的數(shù)學(xué)模型。

2.1.1 風(fēng)力發(fā)電數(shù)學(xué)模型

因?yàn)樽匀伙L(fēng)具有顯著的動(dòng)性和間歇性[7]，用陣風(fēng)、漸變風(fēng)等多分量模型能夠較準(zhǔn)確描述自然風(fēng)的風(fēng)速特性。風(fēng)速特性方程一般可以表述為

(1)

式中：VA、VB、VC、VD分別表示陣風(fēng)、突變風(fēng)、漸變風(fēng)、白噪聲風(fēng)的風(fēng)速；A和K是威布爾分布的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)；Γ表示伽馬函數(shù)；Vmax為最大風(fēng)速；T，T0為風(fēng)速變化起始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻；TG為指定風(fēng)速持續(xù)時(shí)間；SV是平均風(fēng)速和地表粗糙系數(shù)的變量；wi為采樣點(diǎn)頻率；φi為0 ～ 2π的隨機(jī)變量。

風(fēng)力機(jī)的葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)械能，并通過(guò)傳動(dòng)裝置將機(jī)械轉(zhuǎn)矩傳送給風(fēng)力發(fā)電機(jī)，發(fā)出電功率。風(fēng)力機(jī)的數(shù)學(xué)模型可用方程表示為

式中：CP是風(fēng)能利用系數(shù)；ρ是空氣密度；S為風(fēng)力機(jī)葉片橫掃面積；vw為計(jì)算風(fēng)速；λ為風(fēng)力機(jī)葉片葉尖速比；Г為風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

2.1.2 光伏發(fā)電模型

光伏發(fā)電將每一個(gè)類似于PN結(jié)的光伏電池串并聯(lián)組合成光伏陣列，經(jīng)換流裝置向負(fù)荷供電。晶體硅光伏電池發(fā)電通常采用雙二極管的模型結(jié)構(gòu)[8]，其等效電路如圖5(a)所示。由基爾霍夫定律能夠得到其輸出電流I和端口電壓U關(guān)系如下：

圖5 光伏電池發(fā)電等效電路

對(duì)于非晶體硅光伏電池發(fā)電，圖5(b)所示的單二極管模型結(jié)構(gòu)能更好地描述其特性[9-10]，輸出電流可表示為

式中：Iph是光生電流；Is1和Is2分別是二極管D1和二極管D2的反向飽和電流；Ish為光伏電池的漏電流；Rs和Rsh分別為等效串聯(lián)阻抗和并聯(lián)阻抗；T為光伏電池?zé)崃W(xué)溫度；q為電荷常量1.6×10-19C，K為玻爾茲曼常量1.38×10-23J/K；A為二極管特性參數(shù)且1≤A≤2。

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

目前新興的儲(chǔ)能系統(tǒng)有超導(dǎo)磁儲(chǔ)能(SMES)、蓄電池儲(chǔ)能(BESS)、超級(jí)電容器儲(chǔ)能(SCES)等，儲(chǔ)能系統(tǒng)一般由儲(chǔ)能元件、變流器(DC/DC、DC/AC)和控制系統(tǒng)構(gòu)成，如圖6所示。

圖6 儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

在d-q坐標(biāo)系下的電壓電流關(guān)系為

儲(chǔ)能系統(tǒng)交流側(cè)的輸出功率P、Q為

式中：u1d、u1q和u2d、u2q分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器交流側(cè)電壓U1∠δ1和U2∠δ2的d、q分量；id、iq分別為儲(chǔ)能交流側(cè)電流的d、q分量。

3 儲(chǔ)能和負(fù)荷功率交互的控制策略

針對(duì)新能源發(fā)電的波動(dòng)和負(fù)荷變化的“陡升陡降”現(xiàn)象，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效減緩負(fù)荷變化陡度，消除負(fù)荷高峰和低谷對(duì)輸電網(wǎng)的影響，抑制新能源發(fā)電波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。儲(chǔ)能系統(tǒng)與波動(dòng)負(fù)荷及新能源發(fā)電的交互控制分為內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制，如圖7所示。

圖7 平移負(fù)荷的儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

圖7中：w和wref分別為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)角頻率和其參考值，U和Uref分別為節(jié)點(diǎn)電壓和其參考值，Kwp、Kwi分別為有功PI調(diào)節(jié)的比例、積分系數(shù)，Kvp、Kvi分別為無(wú)功PI調(diào)節(jié)的比例、積分系數(shù)，K為有功調(diào)節(jié)因子，其值取決于R/X的大小，且當(dāng)R遠(yuǎn)小于X時(shí)K=0；Pset、Qset為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電放電功率的有功、無(wú)功設(shè)定值；PBESS、QBESS分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際輸出的有功、無(wú)功功率；iLa、iLb、iLc分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)的三相輸出電流，ua、ub、uc分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)的三相電壓。

有功功率控制過(guò)程：當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)角頻率w小于wref時(shí)，經(jīng)比例積分，儲(chǔ)能系統(tǒng)功率設(shè)定值Pset增加。Pset與儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出有功PBESS差值的比例積分值，與電壓、電流的DQ變換值加減運(yùn)算，再經(jīng)DQ反變換和PWM信號(hào)調(diào)制作用于晶閘管，觸發(fā)晶閘管開斷以增大儲(chǔ)能系統(tǒng)有功輸出，提升w至參考值wref。當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)角頻率w大于wref時(shí)，亦能通過(guò)調(diào)整維持w穩(wěn)定。

節(jié)點(diǎn)電壓控制過(guò)程：當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓U小于Uref時(shí)，經(jīng)比例積分得到誤差累計(jì)值，再減去有功變化對(duì)電壓影響，得到增大的儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)功設(shè)定值Qset。Qset與儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出QBESS差值的比例積分值，與電壓、電流DQ變換值相加減，再經(jīng)DQ反變換和PWM信號(hào)調(diào)制作用于晶閘管，觸發(fā)晶閘管開斷以增大儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)功輸出，提升電壓U至參考值Uref。當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓U大于Uref時(shí)，亦能通過(guò)調(diào)整維持U穩(wěn)定。

4 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略仿真

為驗(yàn)證儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略能夠有效地降低負(fù)荷波動(dòng)，消除負(fù)荷“峰谷”現(xiàn)象，抑制新能源發(fā)電波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，設(shè)外界輸電網(wǎng)為區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷輸送功率是恒定的，由儲(chǔ)能系統(tǒng)消除24 h負(fù)荷的變化，消納新能源的功率波動(dòng)?；赑SCAD/EMTDC平臺(tái)搭建的仿真模型如圖8所示。

圖8 儲(chǔ)能系統(tǒng)與波動(dòng)負(fù)荷和新能源功率交互仿真模型

設(shè)定負(fù)荷功率曲線變化如圖4所示，輸電線路輸送恒定功率28.5 MW，風(fēng)力和光伏等新能源發(fā)電功率之和如圖9所示，輸電線路和新能源發(fā)電功率之和與負(fù)荷功率的差值為儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)發(fā)出的電功率。儲(chǔ)能系統(tǒng)與波動(dòng)負(fù)荷、新能源發(fā)電功率的交互功率輸出如圖9蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(Battery Energy Storage System，BESS)所示。根據(jù)BESS控制策略，調(diào)整晶閘管觸發(fā)脈沖，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償區(qū)域電網(wǎng)用電高峰時(shí)系統(tǒng)缺少的有功功率，吸收用電低谷時(shí)富余功率，保持區(qū)域電網(wǎng)功率動(dòng)態(tài)平衡，同時(shí)消除新能源電力波動(dòng)對(duì)外界電網(wǎng)的影響。

圖9 儲(chǔ)能系統(tǒng)與區(qū)域電網(wǎng)動(dòng)態(tài)綜合仿真圖

如圖9所示，在每天的0 h～7 h、11 h～16 h和23 h～24 h時(shí)間內(nèi)，外界輸電線路與波動(dòng)的風(fēng)能和太陽(yáng)能電源的輸出功率之和，大于同時(shí)刻的負(fù)荷功率，此時(shí)將功率差值經(jīng)控制系統(tǒng)作用于BESS的變流器，向蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存多余的有功功率。同樣，每天7 h～11 h和16 h～23 h，電源功率之和小于同時(shí)刻的負(fù)荷功率，蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)向負(fù)荷補(bǔ)償欠缺的有功功率。圖9所示BESS充放電曲線仿真結(jié)果表明，BESS能夠與新能源電源和波動(dòng)負(fù)荷動(dòng)態(tài)地交互有功功率，實(shí)現(xiàn)24 h的有功功率的平衡調(diào)度，解決了風(fēng)能和太陽(yáng)能等新能源電源和負(fù)荷的功率波動(dòng)失衡問(wèn)題。

5 結(jié) 論

本文首先根據(jù)某區(qū)域電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的特性，建立風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、波動(dòng)負(fù)荷和儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，然后制定出適合儲(chǔ)能系統(tǒng)與波動(dòng)負(fù)荷和新能源發(fā)電的動(dòng)態(tài)交互功率的控制策略，最后基于PSCAD/EMTDC平臺(tái)搭建了仿真模型，通過(guò)仿真驗(yàn)證了提出控制策略的正確性。

蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)配合動(dòng)態(tài)交互跟蹤控制策略，能夠消除“峰谷”差異對(duì)外界輸電網(wǎng)的影響，可靠消納新能源電力波動(dòng)，顯著降低了電力系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量，能夠?yàn)殡娏ζ髽I(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

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Research on control strategy about new energy power generation and load fluctuation flexibility based on energy storage system interaction

WANG Jinxing1,LI Mingming2,LIU Qing1

(1.School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China；2.Three gorges new energy dalian power generation Co.,Ltd.,Dalian 116000，China)

In view of the phenomena of lower stability at the end of the transmission network with access to new energy, and based on the new energy power generation and load fluctuation characteristics of power grid in a region, the mathematical model comprised of wind power generation, photovoltaic power generation, fluctuating load and energy storage system is established and the dynamic interaction power control strategy is developed, suitable for energy storage system and fluctuating load and the new energy power generation. So much so, the conclusion is obtained that the energy storage system can suppress the new energy and load fluctuation through interactive power. Based on the results of PSCAD/EMTDC platform simulation, the proposed control strategy can reliably absorb the power fluctuation of the new energy power generation, effectively eliminate the influence of the "peak valley" difference on the transmission network, greatly reduce the power generation and transmission pressure at electricity peak, and significantly reduce the rotation reserve capacity of power system.

energy storage system; fluctuating load; new energy power generation; control strategy

2017-05-23。

王金星(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槿嵝越涣鬏旊?、新能源發(fā)電與并網(wǎng)穩(wěn)定性控制、電力系統(tǒng)儲(chǔ)能。

TM61

A

2095-6843(2017)05-0387-05

(編輯陳銀娥)