新能源發(fā)電與儲能在泗洪電網中的協調控制研究

摘要：近年來新能源發(fā)電在泗洪地區(qū)得到了快速發(fā)展，同時也給泗洪電網帶來了不穩(wěn)定因素。為了充分發(fā)揮大規(guī)模儲能系統(tǒng)具有的能量存儲緩沖的特點，將儲能系統(tǒng)分別配置在各個新能源的發(fā)電系統(tǒng)側，實現平抑功率波動和降低諧波的作用。

關鍵詞：泗洪電網；新能源發(fā)電；儲能系統(tǒng)；平抑功率

【引言】：國家大力發(fā)展分布式電源，電動汽車（Electric Vehicle， EV）、直流電機、通信電源、光伏發(fā)電、燃料電池等各種技術的迅猛發(fā)展和廣泛應用，各種直流微源和直流負荷的大量涌現，環(huán)境友好、綠色清潔能源發(fā)電的技術日益成熟，政府對環(huán)境保護的愈加重視，整個宿遷地區(qū)新能源源發(fā)電已經接近用電負荷的40%。泗洪位于宿遷市南部，具有土地利用率不高，荒灘沼澤地面積廣特點，臨近洪澤湖天崗湖地段，具有風力資源豐富，日照充足等特點，水產養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達。光伏發(fā)電可以巧妙的結合當地養(yǎng)殖業(yè)，在魚塘、螃蟹塘里建光伏電站，實現“漁光互補”，水上的太陽能電池板發(fā)電，不影響水下養(yǎng)魚、養(yǎng)蟹，充分響應了江蘇省的光伏扶貧政策，增加老百姓收入。同時泗洪靠近洪澤湖、天崗湖的鄉(xiāng)鎮(zhèn)處于電網的負荷的邊緣，電能從城區(qū)用高架線路輸送，其基建成本高，損耗大，新能源發(fā)電接入當地電網，可以大大降低電能損耗。為響應國家可再生能源發(fā)展規(guī)劃，優(yōu)化泗洪電網結構，加快泗洪縣新能源產業(yè)發(fā)展，堅決貫徹可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針，泗洪近年來大力發(fā)展新能源發(fā)電。但是光照，風速等天氣狀況具有很強的波動性，造成新能源發(fā)電具有很強的隨機性，不為人所控制，進而造成新能源電站發(fā)電功率波動性明顯，增加注入電網的諧波，影響當地電網穩(wěn)定，降低提供給用戶的電能質量。

為了應對新能源發(fā)電的波動性對泗洪電網沖擊，將大規(guī)模儲能系統(tǒng)應用于新能源發(fā)電側。目前儲能系統(tǒng)受到重視的有空氣壓縮儲能系統(tǒng)，和大型蓄電池系統(tǒng)?？諝鈮嚎s儲能系統(tǒng)將新能源發(fā)出的電能帶動電動機轉動，壓縮空氣，在需要釋放能量時，緩慢放出空氣，推動發(fā)電機發(fā)電，起到能量存儲的作用。鑒于泗洪地區(qū)變電站已經全部采用了蓄電池儲能系統(tǒng)，且蓄電池儲能系統(tǒng)具有維護成本低優(yōu)勢，所以本文將只分析蓄電池儲能系統(tǒng)在新能源發(fā)電中的應用。

1、新能源項目介紹

泗洪新能源電站達到十幾個，已經投產的新能源發(fā)電有“龍集協和風電”，“梅花永樂光伏電站”，“泗洪佳訊光伏一期（9MW）”，“泗洪佳訊光伏二期（16MW）”，“魏營三有光伏電站”，“阿特斯光伏（10MW）”，“泗洪天崗湖光伏（109.9MW）”，正在建設的有“南京高傳機電天崗湖風電（49.5MW）”，這些新能源電站通過整流逆變接入35kV或者110kV電壓等級電網。

1.1 孫園三有光伏電站接入工程

孫園三有光伏電站逆變器輸出電壓為10KV，通過升壓變壓器將電壓提高到35kV接入電網，三有孫園15MW光伏電站以35kV電壓等級接入系統(tǒng)，該項目總發(fā)電容量為15MW，由12個光伏發(fā)電子單元組成，每個子單元發(fā)電容量1.25MW，由2 臺630KW 光伏并網逆變器、1臺1250kVA升壓變壓器以及相應的監(jiān)控單元等相關設備組成，單個1.25MW光伏升壓單元一次接線示意圖如圖1所示。12 個1.25MWp 太陽能產生的直流電經光伏并網逆變器逆變成交流電后就地升壓成35kV，通過高壓電纜送至35kV配電室35kV 母線，匯流后經1回35kV線路 接入系統(tǒng)電網。如圖1所示：

1.2 梅花鎮(zhèn)40MW漁光互補光伏工程

本工程共裝設40MW光伏組件，考慮系統(tǒng)安裝和維護的方便，把40MW并網發(fā)電系統(tǒng)分為37個光伏子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)分為32 個1MW和5個1.6MW 光伏并網發(fā)電單元，其中32MW光伏并網發(fā)電系統(tǒng)中每個發(fā)電單元由1 MW 光伏方陣、19 臺50KW 光伏并網逆變器、1臺1000kVA箱式升壓變壓器以及相應的監(jiān)控單元等相關設備組成，另外8 MW光伏并網發(fā)電系統(tǒng)中每個發(fā)電單元由1 .6MW 光伏方陣、30 臺50KW 光伏并網逆變器、1臺1600kVA箱式升壓變壓器以及相應的監(jiān)控單元等相關設備組成。根據計算，本光伏站無功缺額為7442.7kvar，感性無功缺額為286.16kvar。

2、新能源發(fā)電與蓄電池儲能系統(tǒng)的控制策略

2.1 新能源與電池的三種控制策略

新能源發(fā)電通過整流環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)接入電網，蓄電池可以直接通過逆變環(huán)節(jié)接入電網，即新能源發(fā)電和蓄電池最后都是通過逆變環(huán)節(jié)接入電網，對逆變器控制主要有PQ（有功/無功）控制，V/f（電壓/頻率）和下垂控制。

新能源發(fā)電和儲能采用PQ控制，輸出恒定的有功功率和無功功率，便于大電網對新能源發(fā)電的管理，但是不能維持恒定的頻率和電壓。而采用V/f控制，新能源和蓄電池將輸出恒定的電壓和頻率，可以維持恒定的頻率和電壓，適用于微網孤島運行模式。下垂控制具體包括電壓下垂控制和頻率下垂控制，電壓下垂控制中，電壓越低，輸出的無功越大；頻率下垂控制中，頻率越低，輸出的有功功率越高，可以通過調整逆變器輸出的頻率和電壓，自動的分配功率。

2.2 復合控制策略

新能源發(fā)電在并網發(fā)電和孤島運行時，分別采取不同的控制策略，即當孤島運行時，將儲能系統(tǒng)作為主體單元，采用V/f控制，而光伏單元采取下垂控制，以便大型儲能系統(tǒng)控制穩(wěn)定電壓和頻率，而光伏單元可以根據電壓和頻率自主分配有功和無功；當并網運行時，由于主電網提供電壓和頻率支撐，新能源發(fā)電采用下垂控制，而儲能系統(tǒng)通過充放電來平抑新能源發(fā)電功率波動，穩(wěn)定電網潮流，從而減少新能源發(fā)電對電網沖擊。在平抑功率波動方面，蓄電池不采用恒定的充放電方式，而是根據新能源發(fā)電的功率波動大小來決定蓄電池的充放電功率。設定某一時刻，系統(tǒng)平衡，蓄電池充放電功率為零，當新能源發(fā)電功率降低時，則蓄電池DC/DC變換器處于Buck工作模式，蓄電池充電；當新能源發(fā)電功率增加時變換器工作于Boost模式，蓄電池放電。endprint

3、蓄電池儲能系統(tǒng)的智能管理

分布式電源的儲能裝置要發(fā)揮能量緩沖的的功能，就是要在任意時刻，既可以從電網存儲電能，也可以對向電網釋放電能，就要對儲能裝置的荷電狀態(tài)剩余容量SOC（state of charge）進行恰當的管理。

通過對混合儲能裝置的能量進行管理，使儲能裝置的荷電狀態(tài)剩余容量SOC保持一個恰當的水平，即當一定的風速和光照強度對應儲能裝置適當的荷電狀態(tài)。例如：當風速達到最大時，風力發(fā)電機的儲能對應的應該是最高荷電狀態(tài)。由于下一時刻風速是下降的，對應的風力發(fā)電機輸出功率降低，需要儲能裝置提供功率，通過對荷電狀態(tài)進行管理，這時儲能裝置恰好可以提供最多的電能來應對風速降低帶來的功率降低。

通過儲能裝置控制器，通過檢測并網點的功率，計算出并網點功率與設定值的差別，然后通過蓄電池控制器調節(jié)蓄電池增發(fā)功率差額。儲能系統(tǒng)猶如彈簧一樣，具有能量存儲和緩沖作用，保證光伏微源注入電網的功率恒定，諧波含量低輸出。

利用計算機MATLAB進行仿真，通過模擬電網參數，得出在未采用儲能前，新能源發(fā)電通過電網公共點注入主網的諧波如表1所示，根據Q/GDW 617 -2011《光伏電站接入電網技術規(guī)定》，其二次諧波已經接近了規(guī)定值的上限。而采用了蓄電池儲能系統(tǒng)，其諧波次數大大降低。

結語

在新能源發(fā)電側配置大規(guī)模儲能系統(tǒng)，新能源發(fā)電和儲能系統(tǒng)采取合適的控制策略，同時對儲能系統(tǒng)SOC進行智能管理，可以平抑光伏和風力發(fā)電的功率波動，降低新能源發(fā)電注入主電網的諧波含量，提高了提供給客戶的電能質量。

【參考文獻】：

[1]于芃，周瑋，孫輝，等.用于風電功率平抑的混合儲能系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)設計[J].中國電機工程學報，2011（17）：127-133

[2]張犁，孫凱，吳田進，等.基于光伏發(fā)電的直流微電網能量變換與管理[J].電工技術學報，2013（02）：248-254

[3]王成山，武震，楊獻莘，等.基于微型壓縮空氣儲能的混合儲能系統(tǒng)建模與實驗驗證[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2014（23）：22-26

[4]張新松，顧菊平，袁越，等.基于電池儲能系統(tǒng)的風功率波動平抑策略[J].中國電機工程學報，2014（28）：4752-4760

[5]畢大強，范柱峰，解東光，等.海島直流微電網自治控制策略[J].電網技術，2015，39（4）：887-892.

作者簡介：桂永光，男，碩士研究生，助理工程師，從事電力系統(tǒng)運行控制與繼電保護技術endprint