大規(guī)模儲能系統(tǒng)控制模式研究

徐傳進(jìn) 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(wǎng)建設(shè)的需要，大規(guī)模電能存儲以其可存可放、可調(diào)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(fēng)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(fēng)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(fēng)能和太陽能裝機容量占電網(wǎng)容量比例的不斷增加，對電網(wǎng)的電能質(zhì)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(fēng)電、太陽能發(fā)電的輸出功率，調(diào)節(jié)供電的連續(xù)性與穩(wěn)定性，提高電能質(zhì)量；同時，由于風(fēng)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(fēng)電存儲起來，在用電高峰時送出，可提高風(fēng)電利用率；最后，大規(guī)模儲能系統(tǒng)具有調(diào)壓調(diào)頻、孤網(wǎng)運行等功能，可提高電網(wǎng)的安全運行。

在智能電網(wǎng)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(yīng)用[3]。在發(fā)電環(huán)節(jié)，儲能系統(tǒng)可提高大規(guī)模風(fēng)電、太陽能發(fā)電的安全并網(wǎng)運行能力，其容量配置需結(jié)合運行方式和應(yīng)用目標(biāo)進(jìn)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性，減小電網(wǎng)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(gòu)建智能電網(wǎng)的重要組成部分。

結(jié)合大規(guī)模儲能系統(tǒng)在可再生能源領(lǐng)域和智能電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用，儲能系統(tǒng)的運行控制模式可歸結(jié)為波動平抑控制模式、調(diào)峰控制模式、調(diào)壓調(diào)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(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，儲能系統(tǒng)主要根據(jù)上級調(diào)度指令或控制目標(biāo)，由儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)分析并進(jìn)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(jìn)行相應(yīng)控制模式下的充放電，從而完成整個系統(tǒng)的控制目標(biāo)[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(gòu)成電池模塊（Block）；多個電池模塊串聯(lián)構(gòu)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(shè)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(yīng)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(jié)合電池管理單元（BMU）的接口數(shù)目進(jìn)行設(shè)計。

（3）電池組中電池模塊的串聯(lián)數(shù)應(yīng)以儲能變流器的工作電壓范圍為設(shè)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(yīng)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?cè)萘?、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(hù)電池運行狀態(tài)的電子設(shè)備，應(yīng)具備監(jiān)測功能、運行報警功能、保護(hù)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(hù)措施。相應(yīng)的，電池串的均衡管理也分為兩級結(jié)構(gòu)，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(nèi)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(cè)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(zhuǎn)換。其結(jié)構(gòu)主要由AC/DC交直變流器及輔助設(shè)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(biāo)的關(guān)鍵硬件，根據(jù)儲能系統(tǒng)在不同場合的應(yīng)用需求，AC/DC交流變流器和DC/DC直直變流器應(yīng)具備不同模式充電功能、不同模式放電功能、并網(wǎng)和離網(wǎng)的模式切換功能、保護(hù)功能、人機界面和通訊功能等。此外，AC/DC交直變流器還應(yīng)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(yīng)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(fù)責(zé)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(jié)電網(wǎng)調(diào)度和儲能系統(tǒng)的橋梁，一方面接受電網(wǎng)調(diào)度指令，另一方面把電網(wǎng)調(diào)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(yù)警功能、全景分析功能、優(yōu)化調(diào)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(shè)備等進(jìn)行全面監(jiān)控，實時采集有關(guān)設(shè)備運行狀態(tài)及工作參數(shù)并上傳至上級調(diào)度層，同時結(jié)合調(diào)度指令和電池運行狀態(tài)，進(jìn)行功率分配，實現(xiàn)相應(yīng)的控制策略和控制目標(biāo)。

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(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用，本文對儲能系統(tǒng)的波動平抑控制模式、調(diào)峰控制模式、調(diào)壓調(diào)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(jìn)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(wǎng)時電力系統(tǒng)有充足的時間進(jìn)行響應(yīng)，然而高頻分量會導(dǎo)致功率變化率變大，短時間內(nèi)會對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，給電網(wǎng)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(jìn)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(wǎng)的電能更為平穩(wěn)。因而，利用儲能系統(tǒng)對新能源并網(wǎng)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(guān)鍵。

圖2是能量波動平抑控制預(yù)期效果圖，當(dāng)新能源輸出功率大于該時刻經(jīng)平抑后的實際并網(wǎng)功率時，需要控制儲能系統(tǒng)快速吸收 “多余”功率；當(dāng)新能源輸出功率小于該時刻經(jīng)平抑后的實際并網(wǎng)功率時，控制儲能系統(tǒng)應(yīng)快速補充相應(yīng)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(jìn)行低通濾波處理，得出新能源并網(wǎng)的參考功率Pref。新能源輸出功率值PW和參考的并網(wǎng)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(yù)期效果示意圖 （PW為新能源輸出功率；Pout為實際并網(wǎng)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(jìn)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(jìn)行平抑，故需要對式 （1）進(jìn)行離散化處理，設(shè)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(jìn)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(jìn)而得到濾波時間常數(shù)τ。τ值決定了經(jīng)平抑后風(fēng)電場輸出功率的平滑程度。

在進(jìn)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(diào)峰控制模式

在調(diào)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(nèi)的輸出功率的平滑，需要引入新能源發(fā)電的功率預(yù)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(chǎn)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(fù)面標(biāo)識。并且，貴州雖不是邊疆，但卻常被視為邊遠(yuǎn)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(wù)設(shè)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(yù)測得到的預(yù)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(dāng)新能源發(fā)電有電網(wǎng)調(diào)度時，功率平滑參考值就是電網(wǎng)調(diào)度給定的功率；當(dāng)沒有電網(wǎng)調(diào)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(biāo)。

在沒有電網(wǎng)調(diào)度計劃時，為了實現(xiàn)調(diào)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(yù)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(dāng)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(diào)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(diào)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(biāo)原點，得到圖6，其中：Pnext為新能源功率預(yù)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(yù)測時間點為k△t時刻的新能源功率預(yù)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(yīng)的能量閾值△；

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

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

在進(jìn)行調(diào)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(diào)壓調(diào)頻控制模式

儲能系統(tǒng)工作于調(diào)壓調(diào)頻控制模式時，主要用于無功功率輸出調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)等，通過與監(jiān)控系統(tǒng)或調(diào)度系統(tǒng)相配合，可以實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)頻功能。儲能變流器具有電壓調(diào)節(jié)和頻率調(diào)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(diào)壓調(diào)頻。

目前，儲能系統(tǒng)相對于大電網(wǎng)容量來說，本身裝置容量非常小，調(diào)壓調(diào)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(wǎng)無功電壓優(yōu)化控制、頻率調(diào)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(yù)測得出的預(yù)測出力曲線，也可以是電網(wǎng)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(yīng)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(yù)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(yù)測出力曲線；

（4）若計劃出力超出了電站的的調(diào)節(jié)范圍，則應(yīng)盡可能地調(diào)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(wǎng)未給出計劃出力時，新能源發(fā)電功率預(yù)測系統(tǒng)根據(jù)氣象數(shù)據(jù)，預(yù)測出新能源發(fā)電系統(tǒng)在長期內(nèi) （一天或者數(shù)小時內(nèi)）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(yù)測系統(tǒng)根據(jù)氣象數(shù)據(jù)（數(shù)小時內(nèi)），預(yù)測出新能源發(fā)電在短期內(nèi)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(jié)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(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓和頻率，為就地負(fù)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(cè)電壓及頻率的實時檢測，在電網(wǎng)斷電后迅速進(jìn)行判斷并在一定的時間內(nèi)斷開與電網(wǎng)的連接，繼續(xù)為就地負(fù)載供電。

4 相關(guān)支撐技術(shù)

儲能系統(tǒng)實現(xiàn)上述控制模式，還需其他相關(guān)技術(shù)的支撐，如風(fēng)電場功率預(yù)測技術(shù)、蓄電池充放電控制技術(shù)等。

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

蓄電池堆是所有儲能系統(tǒng)控制模式實現(xiàn)的基礎(chǔ)，其通過與儲能變流器相配合，進(jìn)行相應(yīng)的充放電。因此，對蓄電池堆充放電進(jìn)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(jīng)濟(jì)性具有極大的作用。通過蓄電池充放電控制技術(shù)，對蓄電池堆進(jìn)行分組，結(jié)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(jìn)行最優(yōu)的功率分配。

5 總結(jié)

在新能源發(fā)電功率預(yù)測技術(shù)、蓄電池充放電控制技術(shù)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(diào)峰控制模式、調(diào)壓調(diào)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(wǎng)建設(shè)的各個環(huán)節(jié)中得到廣泛應(yīng)用，提高智能電網(wǎng)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(wǎng)建設(shè)中將發(fā)揮越來越重要的作用。

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

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