儲能電池實現風光儲微電網靈活安全運行的仿真研究

賈偉青，陳俊清，趙 耀，梁曉莉，任永峰*

(1. 內蒙古工業大學能源與動力工程學院，呼和浩特 010051；2. 北京天潤新能投資有限公司，北京 100029)

0 引言

近年來，面對日趨嚴重的能源危機和環境污染問題，全球能源結構逐步由傳統能源向可再生能源轉移。風能和太陽能作為可再生能源代表，得到了大規模的開發與利用，但二者出力的隨機波動性限制了部分地區的風、光消納水平，導致出現了較嚴重的棄風、棄光問題[1]。微電網可將各類分布式電源、儲能裝置進行有效集成，組成源-網-荷-儲一體化運行系統，以提高可再生能源的利用率。但目前我國的微電網發展仍處于研發示范階段，儲能技術在微電網項目中的應用依然有所欠缺。因此，研究儲能技術在微電網中的靈活應用對于促進微電網向商業化成熟階段過渡具有重要意義。

目前，應用于可再生能源微電網中的能量存儲方式主要包括化學儲能[2](如儲氫)、電化學儲能[3](如鋰離子電池、液流電池、鉛酸電池)、電磁儲能[4](如超導磁、超級電容儲能)、機械儲能[5](如飛輪儲能、抽水蓄能、壓縮空氣儲能)等。其中，與其他形式的儲能技術相比，電化學儲能以電池作為能量存儲的載體，具有安裝速度快、運行成本低、對干擾的響應速度快、空間要求低的優點，近年來受到廣泛關注。

學術界和工業界對儲能電池在可再生能源微電網等各種場合的應用進行了大量研究。文獻[6]考慮了負荷響應并建立了源-儲-荷相協調的分布式互動優化模型，通過典型孤島微電網的算例仿真驗證了該模式下可再生能源可得到充分利用，負荷追隨可再生能源出力，實現了多目標協同優化；文獻[7]分析了風力發電與光伏發電之間的互補性，并指出利用這種互補性搭配儲能電池可減少由于風、光的間歇性造成的輸電容量需求；文獻[8]建立了一個結合風能、太陽能和潮汐能的數據驅動模型，使用儲能電池來平滑和調整間歇性可再生能源發電，以匹配負荷變化(擾動)，從而可經濟有效地配置儲能與可再生能源規模。綜上所述，與負荷需求響應相結合的儲能控制策略在考慮分布式電源靈活性調控的同時，又考慮了儲能容量的充裕度，有助于對微電網進行有效控制和能量管理。因此，合理安排微電網中的可再生能源出力、制定高效的能源管理方式，以及協調源-網-儲出力的控制策略是實現微電網優勢最大化的重要研究方向。

本文在考慮風光互補特性及儲能電池系統具有維穩能力的基礎上，根據風電機組、光伏發電系統和儲能電池系統的數學模型，構建了源-網-荷-儲一體化的風光儲微電網(下文簡稱“微電網”)，并提出了微電網分別在并網和孤島運行模式下跟隨負荷需求響應的儲能控制策略；然后在MATLAB/Simulink 中搭建了該微電網的仿真模型，通過導入實測風速和太陽輻照度數據驗證了所提控制策略的有效性。

1 微電網分析

1.1 微電網的結構

應根據不同區域的能源需求合理構建微電網，將其內部的分布式電源、儲能系統及負荷作為整體進行協同管理，可實現各子系統之間的協調規劃、運行優化和交互響應，從而有效提高可再生能源利用率和能源利用成本。本文參考某園區的負荷需求，建立了可再生能源滲透率達100%的風光儲微電網模型。該微電網由2 MW直驅永磁同步風電機組、1 MW 光伏發電系統和500 kWh 儲能電池系統構成，其結構圖如圖1 所示。其中，PMSG 為直驅永磁同步風力發電機；nvp、nvs分別為儲能電池并聯與串聯的個數；Ls為串聯電抗；Rs為串聯電阻。

微電網內的最佳配置應為可以滿足用戶的最終需求且成本最低的配置，以便更好地滿足當地能源需求的可變性，實現當地可再生能源的最佳利用。本文中微電網的功率平衡關系可表示為：

式中，Pg(t)為t 時刻配電網與微電網交換的有功功率；PW(t)為t 時刻風電機組輸出的有功功率；PPV(t)為t 時刻光伏發電系統輸出的有功功率；PBESS(t)為t 時刻儲能電池系統充/放電的有功功率；PL(t)為t 時刻負荷需求的有功功率。

1.2 儲能電池系統的數學模型

儲能電池系統的充/放電功率根據風電機組、光伏發電系統和負荷需求之間的功率變化進行實時調整。微電網中t 時刻n 個分布式電源輸出的有功功率與負荷需求的有功功率之間的差值ΔP(t)可表示為：

式中，Pm(t)為t 時刻微電網內第m 個分布式電源輸出的有功功率。

ΔP(t)的大小決定了儲能電池系統的運行情況。當ΔP(t)＞0 時，微電網中的能量管理系統將根據當前儲能電池的荷電狀態(SOC)決定是否向儲能電池充電；當ΔP(t)＜0 時，能量管理系統將根據當前儲能電池的SOC 決定儲能電池是否放電。

t 時刻儲能電池系統中儲能電池的充、放電SOC 可表示為：

式中，Δt 為儲能電池充/放電持續時間；ηc和ηd分別為儲能電池系統的充電效率和放電效率；EBESS(t-1)為(t-1)時刻儲能電池的剩余容量。

儲能電池的成本和壽命取決于其充、放電的次數，為了防止儲能電池進入過充、過放區域，控制儲能電池系統SOC，使其在規定的SOC 上限和下限內運行，如式(4)所示，可以確保電池在較長時間內保持良好狀態，提高儲能電池的使用壽命。

式中，SOCul為SOC 的上限，此處取0.8；SOCll為SOC 的下限，此處取0.2。

2 微電網的運行控制策略

2.1 并網和孤島模式的系統控制

能量管理系統控制微電網的運行，并對微電網內部的分布式電源和儲能電池系統的電力進行合理分配。

在并網運行模式下，風電和光伏發電優先供給負荷，當其供應的電力無法滿足負荷需求時，會根據儲能電池系統的SOC 來決定是利用配電網還是利用儲能電池來為負荷進行電力補給；當風電和光伏發電供給負荷后還有剩余時，也將根據儲能電池系統的SOC 來決定是向配電網進行售電還是向儲能電池充電。

在孤島運行模式下，微電網的電力供應主要由風電、光伏發電及儲能電池系統提供，整個微電網的出力需滿足對負荷需求變化的實時跟隨，通常此運行模式下對儲能電池系統的需求較大。

2.2 儲能電池系統的能量管理

能量管理系統以負荷需求、分布式電源發電量和儲能電池SOC 作為輸入，對信息進行處理，并生成信號，控制儲能電池系統的運行。其控制方式主要存在以下3 種情況。

1)若分布式電源發電量與負荷需求的差值為正值，且儲能電池未完全充電時，控制系統將調用充電操作；剩余電量將分配到所有儲能電池中，直到儲能電池充電到SOC 上限。當儲能電池充電至SOC 上限后，若此時微電網處于并網運行模式，則剩余電量將出售給配電網；若微電網處于孤島運行模式，則控制系統將調用發電限功率操作。

2) 若分布式電源發電量與負荷需求相等時，則不需要儲能電池系統動作，其將從微電網中斷開。

3)若分布式電源發電量與負荷需求的差值為負值且儲能電池未完全放電至SOC 下限時，控制系統將調用放電操作。當儲能電池完全放電到SOC 下限后，若此時微電網處于并網運行模式，則剩余所需電力由配電網供給；若微電網處于孤島運行模式，則控制系統將調用減載操作。

3 復雜運行環境的模擬與仿真

在風電機組、光伏發電系統和儲能電池系統數學模型的基礎上，利用仿真軟件MATLAB/Simulink 建立微電網的仿真模型。在模擬場景中，采用某典型日08:00～16:00 的實測風速和太陽輻照度數據實時進行仿真，通過改變負荷需求，對上述各子系統的功率特性進行仿真分析，觀察在并網運行工況和孤島運行負載階躍工況下微電網對負荷需求的響應情況。

3.1 微電網并網運行工況仿真

微電網并網運行時，接入的配電網為其提供電壓支撐。在此工況下，風電機組和光伏發電系統優先為微電網中的負荷提供功率支撐，過剩功率饋入電網，而不足功率由儲能電池系統或配電網補給。仿真模型接入0.6 MW 有功負載和0.3 MVar 感性無功負載，微電網的三相電壓及其子系統的三相電流變化情況如圖2 所示。其中，Ig為配電網電流；IW為風電機組的電流；IL為負荷的電流；UPCC為微電網的電壓。

微電網中各子系統的無功功率與有功功率情況如圖3 所示。在關聯參考方向(電流、電壓為同方向)下，若功率的數值為正，則為系統需求功率；若功率的數值為負，則為系統輸出功率。圖3 中Qg為配電網與微電網交換的無功功率；QW為風電機組輸出的無功功率；QPV為光伏發電系統輸出的無功功率；QL為負荷需求的無功功率。

結合圖2 和圖3 可以看出，UPCC在運行過程中保持穩定。負荷需求的有功功率PL約為0.6 MW，無功功率QL約為0.3 MVar；風電機組按照風速變化輸出有功功率PW，其IW的幅值變化與其有功功率曲線的變化趨勢一致；光伏發電系統根據太陽輻照度的變化輸出有功功率PPV；由于風電機組和光伏發電系統輸出的有功功率之和大于負荷需求的有功功率，因此剩余的有功功率會全部饋入配電網，負荷需求的無功功率由配電網提供。由配電網功率特性曲線可以看出，饋入配電網的有功功率Pg跟隨微電網的總功率的變化而變化，輸出的無功功率Qg約為0.3 MVar，符合功率平衡條件，保證了微電網的靈活穩定運行。

3.2 微電網孤島運行負載階躍工況仿真

微電網為孤島運行模式時，儲能電池系統通過逆變器為微電網提供電壓支撐，仿真模型接入0.6 MW 有功負載和0.3 MVar 感性無功負載；微電網由08:00 運行至12:00 時，負荷需求的有功功率階躍增至1.5 MW，微電網內子系統的響應特性曲線如圖4 所示。儲能電池系統的響應特性曲線如圖5 所示，其中，PESS、QESS分別為儲能逆變器的有功功率和無功功率；IESS為儲能逆變器的電流；UB為儲能電池充電電壓；IB為儲能電池充電電流。

由于微電網的電壓UPCC是由儲能電池經過逆變器提供，結合圖4 和圖5 可以看出，在微電網運行過程中，其電壓保持穩定狀態。風電機組按照風速變化輸出有功功率，光伏發電系統根據太陽輻照度的變化輸出有功功率，這與并網狀態下相似；風電機組和光伏發電系統輸出的有功功率大于負荷需求的有功功率，因此，儲能電池系統處于充電狀態，儲能逆變器為負荷提供0.3 MVar 的無功功率。儲能電池充電電流隨風電機組有功功率的波動而變化。在t=12:00之后，隨著負荷功率需求的增加，儲能電池系統跟隨負荷的需求而響應，負荷變化前、后儲能電池需求功率的階躍變化導致了儲能電池充電電流的階躍變換，儲能電池的充電電壓隨其充電電流減小出現階躍式降低，儲能電池SOC曲線增長速度變緩，顯示其充電速度降低，驗證了儲能控制策略的有效性。

4 結論

本文對包含有2 MW 風電機組、1 MW 光伏發電系統和500 kWh 儲能電池系統的風光儲微電網系統進行了分析，并給出了微電網在并網和孤島運行狀態下能量管理系統跟隨負荷需求響應控制儲能電池系統出力的控制策略；在MATLAB/Simulink 環境下模擬分析了微電網子系統在并網運行工況和孤島運行負載階躍工況下的響應特性。結果表明，本文所提出的控制策略能夠維持微電網的功率平衡，實現風光儲微電網的靈活、安全運行。