周姝燦，盧洵，劉新苗，龔賢夫，左鄭敏，彭虹橋

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣州510620；2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣州510620)

0 引言

鋰電池儲能電站由于其資源配置靈活、響應(yīng)速度快、不受天氣以及地理位置的影響等優(yōu)勢，在促進(jìn)可再生資源整合和提高系統(tǒng)運(yùn)行靈活性中體現(xiàn)了巨大的潛力[1 - 3]。其中，在不可調(diào)度的間歇發(fā)電資源滲透率較高的系統(tǒng)中，大規(guī)模電網(wǎng)側(cè)儲能電站可以有效地抑制頻率波動、電壓波動，具有削峰填谷的作用，受到了國內(nèi)外儲能領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注[4 - 6]。例如，2018年江蘇鎮(zhèn)江東部為緩解燃煤機(jī)組退役對用電高峰的影響，投運(yùn)了總功率為101 MW、總?cè)萘繛?02 MWh的8座儲能電站，是目前世界最大規(guī)模的儲能項(xiàng)目，可實(shí)現(xiàn)萬千瓦等級在毫秒級的負(fù)荷響應(yīng)，在用電高峰期發(fā)揮了極強(qiáng)的頂峰作用，大幅提高了江蘇電網(wǎng)對可再生能源的接納能力[7]。2021年4月21日，國家發(fā)改委、國家能源局在《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見(征求意見稿)》中指出，到2025年，新型儲能總裝機(jī)規(guī)模達(dá)30 GW以上，其中在電網(wǎng)側(cè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)布置大容量鋰電池儲能將成為實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)碳達(dá)峰碳中和的關(guān)鍵支撐之一。

目前國內(nèi)外對大容量儲能電站的建模與仿真方法的研究多針對儲能電站的某一組成部分，而少有文獻(xiàn)對儲能電站的整體建模與仿真進(jìn)行總體介紹和研究。文獻(xiàn)[8]中建立了儲能電站中電池的戴維南模型并采用擴(kuò)展卡爾曼濾波方法進(jìn)行荷電狀態(tài)估計(jì)，以模擬電池的動態(tài)特性，文獻(xiàn)[9]在單體鋰電池模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行縮放以等效建立儲能電站的電池組模型。文獻(xiàn)[10 - 11]中建立了儲能電站的協(xié)同控制模型，解決了多儲能單元之間的電壓和頻率異步問題。文獻(xiàn)[12 - 13]雖然提出了儲能電站的整體建模與仿真方法，但缺乏對建模與仿真細(xì)節(jié)的闡述，不便于進(jìn)一步探究。

本文從鋰電池組建模、儲能變流器和換流變參數(shù)設(shè)計(jì)、控制策略以及等值建模方法4個(gè)方面詳細(xì)闡述了鋰電池儲能電站仿真建模中的關(guān)鍵方法，并基于江蘇鎮(zhèn)江東部電網(wǎng)側(cè)百兆瓦級鋰電池儲能電站的布置方式和設(shè)計(jì)參數(shù)在PSCAD 4.6.2中搭建了大容量鋰電池儲能電站的等值仿真模型。最后，仿真測試驗(yàn)證了所提出的等值仿真方法的正確性。

1 大容量儲能電站布置方式

如圖1所示，目前大容量鋰電池儲能電站一般采用戶外集裝箱式電池艙布置方案。電池艙作為一個(gè)儲能單元，主要由鋰電池組、儲能變流器(power conversion system PCS)、換流變壓器、電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)等組成。電池艙內(nèi)鋰電池組由單體鋰電池根據(jù)電池組額定電壓和額定容量進(jìn)行一定數(shù)量的串并聯(lián)組成，然后通過成套的PCS以及換流變壓器升壓至指定電壓。整個(gè)儲能電站根據(jù)總?cè)萘坑啥鄠€(gè)電池艙并聯(lián)組成，各電池艙的運(yùn)行狀態(tài)由其內(nèi)部的BMS監(jiān)測，其相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳至總站的數(shù)據(jù)采集(supervisory control and data acquisition，SCADA)和能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)，上級電網(wǎng)調(diào)度中心可通過實(shí)時(shí)以太網(wǎng)和百兆以太網(wǎng)與總站的SCADA和EMS通信，以監(jiān)控儲能電站整體運(yùn)行狀態(tài)并控制PCS運(yùn)行[14]。

圖1 大容量儲能電站布置方式Fig.1 Layout mode of large capacity energy storage power station

2 大容量鋰電池儲能電站建模

2.1 鋰電池組建模

鋰電池組由單體鋰電池串并聯(lián)組成，因此電池組建模主要包括單體鋰電池模型和串并聯(lián)模型兩部分。常用的單體鋰電池的等效電路模型包括Linear模型、Thevenin模型、PNGV模型和MC模型[15]。其中MC模型能充分反應(yīng)電池的動態(tài)電氣特性，建模精度較其他3種等效模型更高，但MC模型隨著并聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)的增加參數(shù)辨識將變得十分困難，在當(dāng)前鋰電池建模的研究中，通常采用二階RC網(wǎng)絡(luò)，作為建模精確度與復(fù)雜度之間的最佳折衷。二階MC模型的等效電路圖如圖2所示。其中，Ibatt為充放電電流；Uoc為開路電壓；R0為電池內(nèi)阻。兩個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)中的極化電阻Ri和極化電容Ci刻畫鋰電池的極化電壓特性，其中一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)中的R1和C1描述電池的短期暫態(tài)過程，另一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)中的R2和C2描述電池的長期暫態(tài)過程。電路中的所有非線性電路參數(shù)都是荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)的函數(shù)，曲線擬合方法常用于獲取非線性電路參數(shù)的具體表達(dá)式，表達(dá)式的一般形式如式(1)所示。通過安時(shí)積分等方法估算出的SOC值可用于實(shí)時(shí)更新各電路參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)鋰電池的精確建模。

(1)

式中：KSOC為電池荷電狀態(tài)；Uoc為電池開路電壓函數(shù)，λoc、aoc、boc、coc、doc、foc為Uoc表達(dá)式的各項(xiàng)擬合參數(shù)；R0為電池內(nèi)阻函數(shù)，a0、λ0、f0為R0表達(dá)式的各項(xiàng)擬合參數(shù)；Ri為第i個(gè)電池極化電阻函數(shù)，aRi、λRi、fRi為Ri表達(dá)式的各項(xiàng)擬合參數(shù)；Ci為第i個(gè)電池極化電容函數(shù)，aCi、λCi、fCi為Ci表達(dá)式的各項(xiàng)擬合參數(shù)，i∈1, 2； 以上擬合參數(shù)均為常數(shù)，由實(shí)際電池測試數(shù)據(jù)擬合確定。

圖2 二階MC鋰電池模型Fig.2 Second-order MC lithium battery model

鋰電池組建模中對單體電池進(jìn)行串并聯(lián)有兩種方式：先串后并和先并后串。根據(jù)工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，采用先串后并(Ns個(gè)單體電池串聯(lián)組成一個(gè)電池堆，然后Np個(gè)電池堆并聯(lián))的電池組布置方式有利于后期電池檢測與更換[16 - 17]。假設(shè)儲能電站采用規(guī)格參數(shù)完全相同的單體鋰電池，忽略串并聯(lián)支路的能量利用率和電流不平衡度對電池組整體性能的影響，電池組的串并聯(lián)數(shù)的確定如式(2)—(3)所示。

(2)

(3)

式中：Ns、Np分別為電池組中單體電池的串聯(lián)數(shù)和電池堆的并聯(lián)數(shù)；Upack為電池組的額定輸出電壓，kV；Ubattery為單體電池的電壓，V；Spack為電池組的額定容量，MWh；Cbattery為單體電池的額定容量，Ah。

2.2 PCS和換流變參數(shù)設(shè)計(jì)

PCS的換流電抗器作為PCS與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換的中間環(huán)節(jié)，對實(shí)現(xiàn)兩者之間的功率交換、濾波以及故障恢復(fù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。換流電抗器包括換流變壓器漏抗和相電抗器，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)PCS無功功率輸出范圍以及輸出電壓增益確定，此外還要滿足電流跟蹤速度的要求和電流諧波的要求[18 - 19]。具體而言，換流電抗器的電感L應(yīng)滿足式(4)。

(4)

換流變壓器可以降低PCS允許損耗和電壓電流諧波分量以及隔離交直流零序分量，其二次側(cè)額定電壓值直接影響PCS有功無功功率的運(yùn)行范圍，在選擇二次側(cè)電壓時(shí)應(yīng)考慮直流電壓、直流電壓利用率、調(diào)制比、換流電抗器以及PCS運(yùn)行范圍。

2.3 儲能電站控制策略

儲能電站的控制策略體現(xiàn)在對PCS的控制上，通過一系列控制策略使得PCS能夠控制儲能單元的充放電功率、維持交流側(cè)電壓，減小并網(wǎng)波動。如圖3所示，儲能電站的上層控制包括定PQ控制、定交流電壓控制、內(nèi)環(huán)電流控制、孤島模式下的V/f控制以及調(diào)制波的生成模塊[20 - 21]。

在并網(wǎng)模式下，PQ控制采用內(nèi)外環(huán)解耦的控制方式。外環(huán)控制中，有功功率類控制采用定有功功率控制，以控制儲能電站以設(shè)定功率進(jìn)行充放電；無功功率類控制采用定無功功率控制或定交流電壓控制，以控制儲能電站的無功功率或維持交流母線電壓。如圖3所示，正常情況下采用定無功功率控制，即故障信號開關(guān)打開，系統(tǒng)此時(shí)沒有故障；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，故障信號開關(guān)關(guān)閉，此時(shí)采用定交流電壓控制。在孤島模式下采用V/f控制，維持交流母線電壓和頻率保持不變。此外，外環(huán)控制中還包括Q/V、P/f下垂控制以實(shí)現(xiàn)有差調(diào)節(jié)；電流限制模塊用于限制暫態(tài)下的故障電流。內(nèi)環(huán)電流控制通過外環(huán)控制傳遞來的d軸和q軸電流信號進(jìn)行PI調(diào)節(jié)以生成的d軸和q軸的電壓分量，經(jīng)極坐標(biāo)變換后得到理想調(diào)制波的幅值和相角，再由dq-abc變換單元，產(chǎn)生調(diào)制波所需的abc三相電壓，傳遞至下層控制單元，實(shí)現(xiàn)PCS閥級開關(guān)動作。

根據(jù)電化學(xué)儲能系統(tǒng)PCS技術(shù)規(guī)范GB/T 34120—2017[22]，當(dāng)PCS交流側(cè)電壓d軸分量降低至0.85以下或超過1.2出現(xiàn)低壓穿越或高壓穿越時(shí)應(yīng)保證儲能變流器不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行；否則，允許儲能變流器切出。對故障期間沒有切出的儲能變流器，其有功功率在故障解除后應(yīng)能快速恢復(fù)，從故障解除開始，以至少每秒30%額定功率的變化率恢復(fù)至故障之前的值。在交流側(cè)由于短路故障等發(fā)生電壓跌落時(shí)，PCS注入電網(wǎng)的動態(tài)無功電流IT應(yīng)實(shí)時(shí)跟蹤并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化，并應(yīng)滿足式(5)。

(5)

式中：UT為PCC點(diǎn)電壓標(biāo)幺值：IN為PCS額定電流標(biāo)幺值。

2.4 儲能電站等值建模方法

大容量儲能電站一般采用多個(gè)PCS并聯(lián)的布置方式，即由多個(gè)小容量儲能單元(如0.5 MW/1 MWh)并聯(lián)組成。在對儲能電站進(jìn)行建模與仿真時(shí)，若對組成儲能電站的全部小容量儲能單元均進(jìn)行單獨(dú)建模將會大大降低模型的計(jì)算速度與效率。由于各儲能單元輸出外特性基本一致，故在進(jìn)行建模時(shí)可以對儲能電站進(jìn)行等值，將單個(gè)儲能單元容量等值放大以建立所需容量的儲能模型。本文參考PSCAD Type4風(fēng)電場模型建立縮放單元模型。將小容量儲能單元的輸出電流擴(kuò)大一定倍數(shù)，然后通過可控電流源注入交流系統(tǒng)，擴(kuò)大注入交流系統(tǒng)的功率，從而等效建模百兆瓦級儲能電站的功率輸出。此縮放元件會產(chǎn)生少量無功功率，所以采用電流源進(jìn)行縮放建模，適用于對少量無功功率的增加沒有影響的系統(tǒng)?？s放單元的模型如圖4所示，縮放單元的建模類似于n-1條并聯(lián)的無損傳輸線，傳輸線阻抗X參考PSCAD中Type- 4 Wind Turbine 模型取為0.025 p.u.，n為需等值的儲能電站總功率與單個(gè)儲能單元輸出功率的比值，縮放單元中的總注入電流為(n-1)iabc，總阻抗為X/(n-1)，其中，iabc為儲能單元輸出的三相電流瞬時(shí)值。

圖4 縮放單元模型Fig.4 Scale unit model

3 大容量鋰電池儲能電站仿真

根據(jù)第2節(jié)提出的大容量儲能電站建模方法并參照江蘇鎮(zhèn)江東部電網(wǎng)側(cè)百兆瓦級儲能電站的布置方式和系統(tǒng)參數(shù)，如電池組容量為1 MW/2 MWh，以及PCS升壓艙內(nèi)PCS的額定容量等。本文在PSCAD中搭建了大容量鋰電池儲能電站的等值仿真模型，如圖5所示。

圖5 基于PSCAD的儲能電站仿真模型Fig.5 Simulation model of energy storage power station based on PSCAD

該模型采用兩個(gè)0.5 MW/1 MWh的儲能單元并聯(lián)、每個(gè)儲能單元配置一個(gè)500 kW的PCS和一個(gè)550 kVA換流變壓器升壓至10 kV[23]。為了模擬百兆瓦級的儲能功率輸出，根據(jù)2.4節(jié)儲能電站等值建模方法，經(jīng)并聯(lián)形成的1 MW/2 MWh儲能單元模型通過功率縮放單元將輸出功率擴(kuò)大100倍，以等值建模百兆瓦級的儲能電站，最后通過升壓變壓器接入220 kV電網(wǎng)。模型具體參數(shù)如表1所示。

表1 儲能電站仿真模型參數(shù)Tab.1 Simulation model parameters of energy storage power station

3.1 儲能單元仿真測試

本文單體鋰電池采用中國TCL超級電池公司的商用鋰離子聚合物電池產(chǎn)品TCL-PL- 383562(電池規(guī)格為4 V/0.85 Ah)的實(shí)驗(yàn)擬合參數(shù)，具體參數(shù)表達(dá)式詳見文獻(xiàn)[16]。采用第2.1節(jié)所述電池組建模方法在PSCAD中搭建的電池組仿真模型如圖6所示。為搭建額定輸出電壓為1 000 V的0.5 MW/1 MWh儲能單元模型，由式(2)—(3)求得Ns應(yīng)取250，Np應(yīng)取1 176。SOC值可通過安時(shí)積分法獲得。

圖6 電池組仿真模型Fig.6 Battery pack simulation model

3.1.1 單體鋰電池Voc測試

單體鋰電池的建模準(zhǔn)確性是儲能單元及儲能電站模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。鋰電池二階MC模型中的非線性電路參數(shù)由實(shí)驗(yàn)曲線擬合獲得，準(zhǔn)確性可得到保障。其中，開路電壓Voc(KSOC)作為可控電壓源的電壓輸入代表了鋰電池的能量源，是鋰電池參數(shù)中最為重要的部分。文獻(xiàn)[16]在80 mA的恒定放電電流下放電約37 000 s測試了單體鋰電池Voc的變化曲線。本文將放電電流擴(kuò)大1 000倍，即在80 A的放電電流下仿真37 s，以等效該實(shí)驗(yàn)場景，仿真曲線與實(shí)驗(yàn)曲線(將實(shí)驗(yàn)所得曲線的時(shí)間坐標(biāo)相應(yīng)減少1 000倍)的對比如圖7所示。

圖7 單體鋰電池Voc測試曲線Fig.7 curves of Voc test of single lithium battery

PSCAD仿真結(jié)果與參考文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了本文搭建的鋰電池模型的正確性。限于文章篇幅，對于參考文獻(xiàn)中不同放電電流下的Voc變化不再一一對比。

3.1.2 充放電測試

根據(jù)文獻(xiàn)[24]，在熱備用狀態(tài)下，對0.5 MW/1 MWh儲能單元進(jìn)行如下充放電測試：分別將儲能單元有功功率設(shè)定值Pref設(shè)置為-0.25PN、 0.25PN、 -0.5PN、 0.5PN、 -0.75PN、 0.75PN、 -PN和PN(PN為額定充放電功率，取PN=0.5 MW， 功率設(shè)定值為負(fù)值表示放電，為正值表示充電)，每個(gè)設(shè)定值運(yùn)行3 s，并分別進(jìn)行±1.1PN的過載測試，所得測試曲線如圖8所示。

圖8 充放電測試曲線Fig.8 Charge-discharge test curves

由圖8可得，儲能單元的充放電功率可準(zhǔn)確跟蹤功率設(shè)定點(diǎn)且具備±1.1PN的過載充放電能力，平均功率控制精度為0.508 8%。具體的充放電響應(yīng)時(shí)間、充放電調(diào)節(jié)時(shí)間、充放電轉(zhuǎn)換時(shí)間測試結(jié)果如表2所示，測試結(jié)果均滿足國標(biāo)GB/36547—2018[25]的要求。在以上功率設(shè)定值時(shí)儲能單元的SOC曲線如圖9所示，隨著充放電功率的增加，SOC值的變化率增加，但由于儲能單元的容量為1 MWh而仿真時(shí)間以秒為單位，SOC值從初始的90%開始到仿真結(jié)束時(shí)只會發(fā)生微弱變化。

表2 充放電響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間測試結(jié)果Tab.2 Simulation model parameters of energy storage power station

圖9 SOC測試曲線Fig.9 State of charge test curves

3.2 儲能電站仿真測試

3.2.1 充放電測試

在兩個(gè)并聯(lián)儲能單元的基礎(chǔ)上通過設(shè)置縮放單元的縮放因子分別為1、30、80、100時(shí)進(jìn)行充放電測試，測試所得曲線如圖10所示。

圖10 不同縮放因子下的充放電功率測試曲線Fig.10 Charging and discharging power test curves under different scaling factors

儲能電站模型的充放電功率可準(zhǔn)確跟蹤到設(shè)定值，平均控制精度為0.508 8%，與不經(jīng)縮放的儲能單元模型的控制精度相同。此外，對額定功率為100 MW的儲能電站模型進(jìn)行與3.1.2節(jié)相同的充放電測試，測試結(jié)果如圖11所示，儲能電站模型的充放電功率可準(zhǔn)確跟蹤功率設(shè)定點(diǎn)且具備一定過載充放電能力，充放電響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、轉(zhuǎn)換時(shí)間與表2基本一致，故測試可得縮放單元可實(shí)現(xiàn)對儲能電站充放電特性的等值建模且基本不會影響功率控制效果，由于每次測量結(jié)果都會有偏差，存在一定的精度，所以百兆瓦級儲能電站模擬的平靜精度為多次測量結(jié)果的平均值。

圖11 充放電測試曲線Fig.11 Charge-discharge test curve

3.2.2 故障測試

6 s時(shí)在PCC點(diǎn)設(shè)置三相金屬性短路故障，故障持續(xù)0.12 s，測試所得儲能電站輸出功率、外環(huán)電流分量以及PCC點(diǎn)線電壓有效值如圖12所示。

圖12 三相短路故障測試曲線Fig.12 Test curves of three-phase short circuit fault

當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，儲能電站模型輸出的有功功率從100 MW驟降至20 MW，輸出無功功率從0突增至30 Mvar以支撐交流側(cè)電壓；PCC點(diǎn)線電壓有效值降低至0.85 p.u.以下，此時(shí)低電壓穿越模塊發(fā)揮作用，為維持交流側(cè)電壓，定無功功率控制切換為參考值為1 p.u.的定交流電壓控制，外環(huán)電流分量不超過低電壓穿越限值(如圖12(c)所示)。隨后在故障清除后可以看出功率、電壓、電流迅速恢復(fù)到初始值，暫態(tài)過程持續(xù)時(shí)間較短。

4 結(jié)語

本文從鋰電池、儲能變流器及換流變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)、控制策略以及等值方法4個(gè)部分詳細(xì)闡述了大容量儲能電站的仿真建模方法，根據(jù)所提出的建模方法參照江蘇鎮(zhèn)江東部電網(wǎng)側(cè)百兆瓦儲能電站的系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)，在PSCAD中搭建了大容量儲能電站的電磁暫態(tài)仿真模型。按照儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)的相關(guān)測試規(guī)范，對所搭建的儲能電站仿真模型進(jìn)行充放電特性測試和故障測試，測試結(jié)果表明，所建模型具備大容量儲能電站接入電網(wǎng)側(cè)的外特性分析仿真能力。在未來的研究中，將利用本文所搭建的等值仿真模型進(jìn)行大容量儲能電站在電網(wǎng)側(cè)的電壓、頻率響應(yīng)研究和削峰填谷能力分析。