風(fēng)能與光伏微電網(wǎng)中儲(chǔ)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(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2.松原市供電公司,吉林 松原 138000)

風(fēng)能與光伏微電網(wǎng)中儲(chǔ)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(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2.松原市供電公司,吉林 松原 138000)

為了提高風(fēng)能與光伏微電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,闡述了風(fēng)能與光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)建模與控制方法。在微電網(wǎng)平抑功率波動(dòng)方式和計(jì)劃出力方式運(yùn)行情況下,對(duì)風(fēng)能與光伏微電網(wǎng)進(jìn)行電壓頻率控制,并利用DIgSILENT/Power Factory仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所建模型及其控制方法的正確性。仿真結(jié)果表明,風(fēng)能與光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng) 量測(cè)信息協(xié)調(diào)控制,能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)有效跟蹤計(jì)劃出力曲線運(yùn)行,提高了風(fēng)能與光伏微電網(wǎng)安全穩(wěn)定性。

風(fēng)能與光伏微電網(wǎng);儲(chǔ)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(chǎn)生的碳排放嚴(yán)重污染了人類賴以生存的環(huán)境[1-3],以致使風(fēng)能與光伏微電網(wǎng)成為各國(guó)電力系統(tǒng)領(lǐng)域研究的重要課題之一[4-5]。由于儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電以及負(fù)荷需求協(xié)調(diào)控制相對(duì)困難,使微電網(wǎng)在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行存在一定的問(wèn)題[6-7],因此,本文對(duì)風(fēng)能與光伏微電網(wǎng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了建模,設(shè)計(jì)出了可平抑可再生能源電站功率波動(dòng)性問(wèn)題的控制方法,使可再生能源電站按計(jì)劃調(diào)度曲線規(guī)劃出力,提高了風(fēng)能與光伏微電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 風(fēng)能與光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的組成

風(fēng)能與光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)為主要的能源供應(yīng)系統(tǒng),后備電源和儲(chǔ)能單元為儲(chǔ)能系統(tǒng),儲(chǔ)能單元由蓄電池和燃料電池設(shè)備組成。當(dāng)風(fēng)能與光伏系統(tǒng)出力過(guò)剩,即微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)出力超過(guò)電網(wǎng)調(diào)度指定的負(fù)荷需求時(shí),通過(guò)控制儲(chǔ)能系統(tǒng),使其吸收風(fēng)光系統(tǒng)發(fā)出過(guò)剩功率[8]。反之,風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)負(fù)荷需求的差值由儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)償。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)建模與控制方法

儲(chǔ)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(kāi)關(guān)站。電荷狀態(tài)(State of Charge,SOC)是判斷電池能量的標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)蓄電池的荷電狀態(tài)低于其設(shè)定值η時(shí),啟動(dòng)燃料電池,否則燃料電池將作為備用儲(chǔ)能。

儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)綜合控制策略。

2.1 蓄電池組模型

當(dāng)蓄電池處于充滿狀態(tài)下時(shí),其額定容量為Qn,在蓄電池組放電的過(guò)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(guān)系[9]:

(1)

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

以溫度25 ℃時(shí)蓄電池的特性為標(biāo)準(zhǔn),補(bǔ)償蓄電池的內(nèi)阻和極化反應(yīng)缺額,由于蓄電池工作時(shí)內(nèi)阻和極化反應(yīng)受溫度影響,補(bǔ)償因子與電池極化效應(yīng)因數(shù)Ct以及電池溫度Tb的關(guān)系為

(2)

式中:Cp為極化效應(yīng)溫度補(bǔ)償因子;Cr為電阻溫度補(bǔ)償因子。

蓄電池組的運(yùn)行電動(dòng)勢(shì)E與初始內(nèi)電勢(shì)E0的數(shù)學(xué)關(guān)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(chǔ)能,起到保障儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的作用,采用質(zhì)子交換膜燃料電池常用模型,其電壓VFC與電流IFC關(guān)系為

(4)

式中:NF-S為燃料電池組所串聯(lián)電池的個(gè)數(shù);V0為開(kāi)路時(shí)的電壓值;Acell為電池的有效活性面積;Jn指實(shí)際運(yùn)行的電流密度;J0為電池運(yùn)行過(guò)程中所能達(dá)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(chǔ)能系統(tǒng)控制方法

建立可再生能源電站與儲(chǔ)能系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度,其功能定位主要有:平抑可再生能源電站功率波動(dòng)性問(wèn)題和按計(jì)劃調(diào)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(dòng)方式下儲(chǔ)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(chǔ)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(cè)電池運(yùn)行狀態(tài),并網(wǎng)逆變器對(duì)蓄電池輸出進(jìn)行控制。

圖2 平抑功率波動(dòng)方式下儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合控制系統(tǒng)圖

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

計(jì)劃出力方式下儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)的主電源,燃料電池為備用電源。

圖3 按計(jì)劃出力方式下儲(chǔ)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(duì)并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)進(jìn)行功率控制。用功率平衡控制器對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的有功功率Pload、無(wú)功功率Qload、風(fēng)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(jìn)行協(xié)調(diào)控制,輸出功率的有功、無(wú)功參考值Pc、Qc經(jīng)過(guò)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(guò)電流控制器得到并網(wǎng)逆變器同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下觸發(fā)脈沖Pc,md與Pc,mq,達(dá)到儲(chǔ)能系統(tǒng)同步并網(wǎng)目的。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真分析

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

3.1 設(shè)置風(fēng)能與光伏的參數(shù)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)初始功率為0.1 MW,功率因數(shù)設(shè)定為cosφ=0.98,風(fēng)速設(shè)置如圖4所示。光伏系統(tǒng)功率因數(shù)設(shè)定為cosφ=-0.98,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度設(shè)置如圖5所示。

圖4 風(fēng)速變化曲線

圖5 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化曲線

3.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)

功率控制器有功、無(wú)功動(dòng)態(tài)跟蹤情況如圖6所示。

圖6 功率控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況

從圖6可以看出,當(dāng)風(fēng)速和太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí),風(fēng)光系統(tǒng)功率會(huì)有一定程度的波動(dòng),會(huì)使電網(wǎng)頻率和電壓有一定偏移。為了降低影響電能質(zhì)量的功率波動(dòng),儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)定頻率和電壓控制策略,使微電網(wǎng)的有功、無(wú)功實(shí)際值接近公用電網(wǎng)的有功、無(wú)功參考值,使微電網(wǎng)能夠向負(fù)荷提供穩(wěn)定的功率。

當(dāng)系統(tǒng)有功功率缺額(Pnet<0)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率供應(yīng)不滿足系統(tǒng)要求時(shí),啟動(dòng)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(dòng)燃料電池系統(tǒng)代替蓄電池補(bǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)功率過(guò)剩時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池吸納其過(guò)剩功率。當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)功率不足時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)蓄電池系統(tǒng),如果蓄電池荷電狀態(tài)(SOC)小于25%,開(kāi)始啟動(dòng)燃料電池來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)功率。蓄電池的功率變化和燃料電池的功率動(dòng)態(tài)如圖9和圖10所示。

在仿真過(guò)程中,風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)24時(shí)段內(nèi)輸出有功、無(wú)功功率。光伏發(fā)電系統(tǒng)功率因數(shù)設(shè)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(dāng)風(fēng)光系統(tǒng)功率過(guò)剩(Pnet>0)時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池吸納其過(guò)剩功率。當(dāng)風(fēng)光系統(tǒng)功率不足(Pnet<0)時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)蓄電池系統(tǒng),如果蓄電池荷電狀態(tài)(SOC)小于25%,開(kāi)始啟動(dòng)燃料電池來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)功率。

當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)功功率過(guò)剩(Qnet>0)時(shí),其過(guò)剩的無(wú)功功率由儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)吸收;當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)功功率不足(Qnet<0)時(shí),其無(wú)功缺額部分由儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池和燃料電池提供,如儲(chǔ)能系統(tǒng)所產(chǎn)生的無(wú)功功率不能滿足要求,則進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。由此可見(jiàn),儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)電壓頻率控制實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能和光伏并網(wǎng)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)有功、無(wú)功輸出的平穩(wěn)性;通過(guò)與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)量測(cè)信息協(xié)調(diào)控制,實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能與光伏微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)有效跟蹤計(jì)劃出力曲線運(yùn)行。在一定程度上提高了并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓水平。

5 結(jié) 論

1) 儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)電壓頻率控制實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能與光伏并網(wǎng)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)有功、無(wú)功輸出的平穩(wěn)性。

2) 儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)量測(cè)信息協(xié)調(diào)控制,實(shí)現(xiàn)風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)有效跟蹤計(jì)劃出力曲線運(yùn)行,在一定程度上提高了并網(wǎng)點(diǎn)的電壓。

3) 通過(guò)對(duì)風(fēng)能與光伏微電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行建模及利用DIgSILENT/Power Factory平臺(tái)對(duì)平抑功率波動(dòng)方式和計(jì)劃出力方式下進(jìn)行了仿真分析,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制方法和儲(chǔ)能系統(tǒng)的正確性。

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(責(zé)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(chǔ)能技術(shù)的研究工作。

TM727

A

2095-6843(2015)06-0491-05