儲能系統(tǒng)平抑間歇性能源功率波動的控制策略研究

王　超，陳　巒，2，趙　敏

（1．電子科技大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都611731；2．電子科技大學(xué)電力系統(tǒng)廣域測量與控制四川省重點實驗室，四川 成都611731）

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儲能系統(tǒng)平抑間歇性能源功率波動的控制策略研究

王超1，陳巒1，2，趙敏1

（1．電子科技大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都611731；2．電子科技大學(xué)電力系統(tǒng)廣域測量與控制四川省重點實驗室，四川 成都611731）

摘要：風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)的隨機性和間歇性特點將會對風(fēng)光大規(guī)模并網(wǎng)造成不利影響。針對這一問題，提出了一種采用儲能系統(tǒng)平抑風(fēng)光輸出功率波動的控制方法。建立了光伏發(fā)電單元、風(fēng)機發(fā)電單元以及儲能單元的數(shù)學(xué)模型。給出了風(fēng)光儲并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制和平抑控制策略，并且對控制原理和過程進行了詳細分析。最終，通過仿真軟件搭建了風(fēng)光儲并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真平臺，分別對加入儲能平抑算法前后兩種情況進行了仿真研究，仿真結(jié)果表明采用本文提出的平抑控制策略能夠有效的減小輸出功率的振蕩幅度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；光伏發(fā)電；儲能系統(tǒng)；功率平抑；蓄電池；運行控制

為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，大力發(fā)展可再生能源具有重要現(xiàn)實意義。風(fēng)和太陽能是可再生能源中發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮膬煞N能源，在2003年，全球裝機風(fēng)電和光伏發(fā)電容量為39 GW和2.798 GW，在2012年，全球累積裝機容量已經(jīng)達到283 GW和101 GW，前后分別增加了7倍和36倍左右[1，2]。中國也在積極發(fā)展風(fēng)力和光伏發(fā)電，在2005年，兩者的裝機容量僅為1.1 GW和0.08 GW，而在2014年底，新的裝機容量已經(jīng)達到95.8 GW和28.1 GW，風(fēng)電和光伏的裝機容量分別增加了87倍和351倍[3，4]。

大規(guī)模的可再生能源的接入盡管能夠有力的緩解能源危機和環(huán)境污染進一步惡化，然而由于風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電對天氣變化十分敏感，使其輸出功率具有隨機性和間歇性特點，大規(guī)模間歇性能源的接入將會引起并網(wǎng)輸出功率波動程度較高，進而將會導(dǎo)致公共耦合點電壓幅值和頻率出現(xiàn)波動，嚴重影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性[5，6]。針對這一問題，通常需要在系統(tǒng)中配置儲能裝置平抑系統(tǒng)輸出功率波動，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[7-9]。為此，本文建立了間歇性能源的數(shù)學(xué)模型和電氣控制，通過加入儲能系統(tǒng)來平抑間歇性能源的輸出功率波動，最后通過仿真軟件搭建了仿真模型，對加入儲能系統(tǒng)前后兩種情況進行了仿真研究。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)建模

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。整個系統(tǒng)由三個部分組成，其中包括光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元以及蓄電池儲能系統(tǒng)，不同的單元內(nèi)部包括各自的控制系統(tǒng)。

圖1　風(fēng)光儲發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.2光伏電池的數(shù)學(xué)模型

光伏電池的工程簡化模型為：

式中，Uoc、Isc分別為開路電壓和短路電流；Um、Im分別為峰值電壓和電流；Sref、Tref分別為標準光照強度和溫度。

1.3風(fēng)力渦輪機數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力從風(fēng)能吸收的功率可以表示為：

式中，ρ為空氣密度；R為半徑；V為風(fēng)速；β為槳距角；λ為葉尖速比；Cp（λ，β）為風(fēng)能利用系數(shù)。

1.4永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型

采用q軸矢量定向，PMSM的定子電壓方程在dq坐標系為：

式中，usdq、isdq分別為定子電壓、電流dq分量；Rs為定子電阻；Ls為自感；ψ為磁鏈幅值。

1.5并網(wǎng)變換器的數(shù)學(xué)模型

以d軸進行定向，并網(wǎng)變換器的數(shù)學(xué)模型為：

式中：ugdq、vdq、sdq和idq分別為PCC電壓、變換器端電壓、開關(guān)函數(shù)以及電網(wǎng)電流的dq分量；ω為基波角頻率；L為濾波電感；R為等效串聯(lián)電阻；C為直流電容；udc為直流電壓。

1.6蓄電池的數(shù)學(xué)模型

本文采用了鋰離子蓄電池，其數(shù)學(xué)模型為：

式中，E0、E和V分別為電壓常數(shù)、空載電壓和端電壓；Q為容量；i為電流；R為內(nèi)阻；K、A和B分別為極化電壓、指數(shù)電壓和指數(shù)容量。

2　系統(tǒng)的控制策略

2.1光伏發(fā)電單元控制

圖2給出了最大功率跟蹤控制框圖。將采集的電流和電壓送入P&O模塊生成占空比信號D，將其與載波比較得到驅(qū)動脈沖gpv.

圖2　boost變換器的控制策略

圖3給出了光伏后級變換器的控制結(jié)構(gòu)，其主要作用將光伏輸出直流電變?yōu)榻涣麟妭鬏斀o電網(wǎng)和負載，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，采用直流電壓和電網(wǎng)電流雙閉環(huán)控制。首先將與udc相減經(jīng)過PI控制器得到，為了實現(xiàn)單位功率因數(shù)設(shè)置=0.將和分別與id和iq相減經(jīng)過PI控制器進行調(diào)節(jié)，并且在輸出信號中疊加補償項△vd和△vq得到調(diào)制信號和.最終將合成的調(diào)制信號送入正弦脈寬調(diào)制模塊得到驅(qū)動信號gpvb.

圖3　后級變換器的控制結(jié)構(gòu)

2.2風(fēng)機發(fā)電單元控制

PMSG的后級變換器與光伏一致，控制方式也一致，因此不再贅述。在此重點分析電機側(cè)變換器，其控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。首先將風(fēng)力機輸出功率和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速送入MPPT模塊得到轉(zhuǎn)速指令，將ω*與ω相減經(jīng)過比例積分控制器得到，為了實現(xiàn)勵磁和轉(zhuǎn)矩電流解耦，設(shè)置=0.將和分別與isd和isq相減經(jīng)過PI控制器進行調(diào)節(jié)，為了消除耦合，加入補償項△vsd和△vsq得到調(diào)制信號和.最終將合成的調(diào)制信號送入正弦脈寬調(diào)制模塊得到驅(qū)動脈沖。

圖4　PMSG電機側(cè)變換器的控制結(jié)構(gòu)

2.3蓄電池儲能系統(tǒng)的控制

為了避免間歇性能源輸出功率波動對并網(wǎng)點頻率和電壓幅值造成影響，本文采用儲能系統(tǒng)來平抑輸出功率波動。圖5給出了儲能系統(tǒng)的控制框圖，下面闡述控制策略的基本原理。以d軸進行定向，在dq坐標系下，有功和無功分別為：

式中，Pb、Qb分別為儲能系統(tǒng)有功和無功功率。

圖5　儲能系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

通過（14）和（15）能夠得到電流參考值為：

根據(jù)（16）和（17）可以看出，通過有功和無功生成電流指令實現(xiàn)電流閉環(huán)控制既可以實現(xiàn)功率控制。為了實現(xiàn)平抑風(fēng)儲輸出功率的波動，首先需要獲得風(fēng)儲輸出功率的平均功率，得到：

根據(jù)（18）得到儲能單元的有功功率參考值為：

式中，Pg為電網(wǎng)功率。

3　仿真驗證

為了驗證儲能系統(tǒng)平抑效果的有效性，利用Matlab/Simulink仿真軟件搭建系統(tǒng)的仿真模型，設(shè)置PMSG容量為25 kW，光伏發(fā)電單元容量為15 kW、儲能系統(tǒng)容量為30 Ah.圖6給出了平抑控制策略的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，風(fēng)速和光照強度發(fā)生隨機震蕩，為了實現(xiàn)最大化的利用風(fēng)能和太陽能，根據(jù)圖6（a）和圖6（c），圖6（b）和圖6（d）對比可以看出采用本文所研究的最大功率跟蹤算法能夠在風(fēng)速和光照快速變化的情況下始終保證系統(tǒng)運行在最大功率點。由于PV和PMSG輸出功率存在大幅度的波動，進而導(dǎo)致入網(wǎng)有功功率出現(xiàn)波動，如圖6（e）所示。為了減小功率波動，采用本文研究的平抑算法，根據(jù)圖6（f）能夠得到平抑前后的電網(wǎng)功率比對仿真結(jié)果，從結(jié)果可以看出，加入儲能單元之后，通過采用平抑算法能夠大幅度減小有功功率振蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖6 儲能平抑間歇性能源功率波動的仿真結(jié)果

圖7給出了平抑波動期間儲能系統(tǒng)的仿真波形。儲能系統(tǒng)吸收了一部分波動功率，減輕了間歇性能源輸出功率波動對電網(wǎng)的影響。

圖7　平抑功率波動期間儲能系統(tǒng)的仿真波形

4　結(jié)束語

利用本文提出的儲能平移功率波動方法，通過儲能系統(tǒng)連續(xù)吞吐波動功率能夠有效地減小間歇性能源輸出功率對電力系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。本文提出的控制策略具有結(jié)構(gòu)簡單，控制算法復(fù)雜程度低，適用性強，具有一定的工程應(yīng)用價值。

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中圖分類號:TM614

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0018-04

收稿日期：2016-01-26

作者簡介：王超（1986-），男，山東菏澤人，在讀碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)分析、運行及控制；陳巒（1973-），男，四川宜賓人，碩士，副教授，可再生能源、智能電網(wǎng)技術(shù)；趙敏（1985-），男，新疆昌吉人，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)分析、運行及控制。

Study on the Control Strategy for Balancing Fluctuant Power of Intermittent Energy Based on Energy Storage

WANG Chao1，CHEN Luan1，2，ZHAO Min1
（1.School of Energy Science and Engineering，UESTC，Chengdu Sichuan 611731，China；2.The Power System Wide-area Measurement and Control Sichuan Provincial Key Laboratory，UESTC，Chengdu Sichuan 611731，China）

Abstract：The output power of wind and photovoltaic generation system is random and intermittent，and large scale integrated access will have adverse effects on the power grid.In order to solve this problem，a control method based on energy storage system is proposed for balancing fluctuant output power of wind and solar system. The mathematical model of photovoltaic power generation unit，wind power generation unit and energy storage unit is established.The maximum power tracking（MPPT）control and power fluctuant Smoothing control strategy are given for wind-photovoltaic-storage power generation system，and the control principle and process are analyzed in detail.Eventually，the simulation platform of wind-photovoltaic-storage power generation system is built by simulation software，and the simulation research is carried out for adding energy storage and without energy storage respectively.The simulation results show that the proposed control strategy can effectively reduce the amplitude of output power and improve the system stability.

Key words：wind power generation；photovoltaic generation；energy storage system；coordinated control；battery；operation and control