儲能電池實現(xiàn)風光儲微電網(wǎng)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(nèi)蒙古工業(yè)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(huán)境污染問題，全球能源結(jié)構(gòu)逐步由傳統(tǒng)能源向可再生能源轉(zhuǎn)移。風能和太陽能作為可再生能源代表，得到了大規(guī)模的開發(fā)與利用，但二者出力的隨機波動性限制了部分地區(qū)的風、光消納水平，導致出現(xiàn)了較嚴重的棄風、棄光問題[1]。微電網(wǎng)可將各類分布式電源、儲能裝置進行有效集成，組成源-網(wǎng)-荷-儲一體化運行系統(tǒng)，以提高可再生能源的利用率。但目前我國的微電網(wǎng)發(fā)展仍處于研發(fā)示范階段，儲能技術(shù)在微電網(wǎng)項目中的應(yīng)用依然有所欠缺。因此，研究儲能技術(shù)在微電網(wǎng)中的靈活應(yīng)用對于促進微電網(wǎng)向商業(yè)化成熟階段過渡具有重要意義。

目前，應(yīng)用于可再生能源微電網(wǎng)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(shù)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(yīng)速度快、空間要求低的優(yōu)點，近年來受到廣泛關(guān)注。

學術(shù)界和工業(yè)界對儲能電池在可再生能源微電網(wǎng)等各種場合的應(yīng)用進行了大量研究。文獻[6]考慮了負荷響應(yīng)并建立了源-儲-荷相協(xié)調(diào)的分布式互動優(yōu)化模型，通過典型孤島微電網(wǎng)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(xiàn)了多目標協(xié)同優(yōu)化；文獻[7]分析了風力發(fā)電與光伏發(fā)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(jié)合風能、太陽能和潮汐能的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，使用儲能電池來平滑和調(diào)整間歇性可再生能源發(fā)電，以匹配負荷變化(擾動)，從而可經(jīng)濟有效地配置儲能與可再生能源規(guī)模。綜上所述，與負荷需求響應(yīng)相結(jié)合的儲能控制策略在考慮分布式電源靈活性調(diào)控的同時，又考慮了儲能容量的充裕度，有助于對微電網(wǎng)進行有效控制和能量管理。因此，合理安排微電網(wǎng)中的可再生能源出力、制定高效的能源管理方式，以及協(xié)調(diào)源-網(wǎng)-儲出力的控制策略是實現(xiàn)微電網(wǎng)優(yōu)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(tǒng)具有維穩(wěn)能力的基礎(chǔ)上，根據(jù)風電機組、光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲能電池系統(tǒng)的數(shù)學模型，構(gòu)建了源-網(wǎng)-荷-儲一體化的風光儲微電網(wǎng)(下文簡稱“微電網(wǎng)”)，并提出了微電網(wǎng)分別在并網(wǎng)和孤島運行模式下跟隨負荷需求響應(yīng)的儲能控制策略；然后在MATLAB/Simulink 中搭建了該微電網(wǎng)的仿真模型，通過導入實測風速和太陽輻照度數(shù)據(jù)驗證了所提控制策略的有效性。

1 微電網(wǎng)分析

1.1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域的能源需求合理構(gòu)建微電網(wǎng)，將其內(nèi)部的分布式電源、儲能系統(tǒng)及負荷作為整體進行協(xié)同管理，可實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)規(guī)劃、運行優(yōu)化和交互響應(yīng)，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(qū)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(wǎng)模型。該微電網(wǎng)由2 MW直驅(qū)永磁同步風電機組、1 MW 光伏發(fā)電系統(tǒng)和500 kWh 儲能電池系統(tǒng)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。其中，PMSG 為直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機；nvp、nvs分別為儲能電池并聯(lián)與串聯(lián)的個數(shù)；Ls為串聯(lián)電抗；Rs為串聯(lián)電阻。

微電網(wǎng)內(nèi)的最佳配置應(yīng)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?shù)啬茉葱枨蟮目勺冃裕瑢崿F(xiàn)當?shù)乜稍偕茉吹淖罴牙?。本文中微電網(wǎng)的功率平衡關(guān)系可表示為：

式中，Pg(t)為t 時刻配電網(wǎng)與微電網(wǎng)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(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率；PBESS(t)為t 時刻儲能電池系統(tǒng)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(tǒng)的數(shù)學模型

儲能電池系統(tǒng)的充/放電功率根據(jù)風電機組、光伏發(fā)電系統(tǒng)和負荷需求之間的功率變化進行實時調(diào)整。微電網(wǎng)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(wǎng)內(nèi)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(tǒng)的運行情況。當ΔP(t)＞0 時，微電網(wǎng)中的能量管理系統(tǒng)將根據(jù)當前儲能電池的荷電狀態(tài)(SOC)決定是否向儲能電池充電；當ΔP(t)＜0 時，能量管理系統(tǒng)將根據(jù)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(tǒng)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(xù)時間；ηc和ηd分別為儲能電池系統(tǒng)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(shù)，為了防止儲能電池進入過充、過放區(qū)域，控制儲能電池系統(tǒng)SOC，使其在規(guī)定的SOC 上限和下限內(nèi)運行，如式(4)所示，可以確保電池在較長時間內(nèi)保持良好狀態(tài)，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(wǎng)的運行控制策略

2.1 并網(wǎng)和孤島模式的系統(tǒng)控制

能量管理系統(tǒng)控制微電網(wǎng)的運行，并對微電網(wǎng)內(nèi)部的分布式電源和儲能電池系統(tǒng)的電力進行合理分配。

在并網(wǎng)運行模式下，風電和光伏發(fā)電優(yōu)先供給負荷，當其供應(yīng)的電力無法滿足負荷需求時，會根據(jù)儲能電池系統(tǒng)的SOC 來決定是利用配電網(wǎng)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(fā)電供給負荷后還有剩余時，也將根據(jù)儲能電池系統(tǒng)的SOC 來決定是向配電網(wǎng)進行售電還是向儲能電池充電。

在孤島運行模式下，微電網(wǎng)的電力供應(yīng)主要由風電、光伏發(fā)電及儲能電池系統(tǒng)提供，整個微電網(wǎng)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(tǒng)的需求較大。

2.2 儲能電池系統(tǒng)的能量管理

能量管理系統(tǒng)以負荷需求、分布式電源發(fā)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)將調(diào)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(wǎng)處于并網(wǎng)運行模式，則剩余電量將出售給配電網(wǎng)；若微電網(wǎng)處于孤島運行模式，則控制系統(tǒng)將調(diào)用發(fā)電限功率操作。

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

3)若分布式電源發(fā)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(tǒng)將調(diào)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(wǎng)處于并網(wǎng)運行模式，則剩余所需電力由配電網(wǎng)供給；若微電網(wǎng)處于孤島運行模式，則控制系統(tǒng)將調(diào)用減載操作。

3 復(fù)雜運行環(huán)境的模擬與仿真

在風電機組、光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲能電池系統(tǒng)數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，利用仿真軟件MATLAB/Simulink 建立微電網(wǎng)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(shù)據(jù)實時進行仿真，通過改變負荷需求，對上述各子系統(tǒng)的功率特性進行仿真分析，觀察在并網(wǎng)運行工況和孤島運行負載階躍工況下微電網(wǎng)對負荷需求的響應(yīng)情況。

3.1 微電網(wǎng)并網(wǎng)運行工況仿真

微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，接入的配電網(wǎng)為其提供電壓支撐。在此工況下，風電機組和光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)先為微電網(wǎng)中的負荷提供功率支撐，過剩功率饋入電網(wǎng)，而不足功率由儲能電池系統(tǒng)或配電網(wǎng)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(wǎng)的三相電壓及其子系統(tǒng)的三相電流變化情況如圖2 所示。其中，Ig為配電網(wǎng)電流；IW為風電機組的電流；IL為負荷的電流；UPCC為微電網(wǎng)的電壓。

微電網(wǎng)中各子系統(tǒng)的無功功率與有功功率情況如圖3 所示。在關(guān)聯(lián)參考方向(電流、電壓為同方向)下，若功率的數(shù)值為正，則為系統(tǒng)需求功率；若功率的數(shù)值為負，則為系統(tǒng)輸出功率。圖3 中Qg為配電網(wǎng)與微電網(wǎng)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(fā)電系統(tǒng)輸出的無功功率；QL為負荷需求的無功功率。

結(jié)合圖2 和圖3 可以看出，UPCC在運行過程中保持穩(wěn)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(fā)電系統(tǒng)根據(jù)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(fā)電系統(tǒng)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(wǎng)，負荷需求的無功功率由配電網(wǎng)提供。由配電網(wǎng)功率特性曲線可以看出，饋入配電網(wǎng)的有功功率Pg跟隨微電網(wǎng)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(wǎng)的靈活穩(wěn)定運行。

3.2 微電網(wǎng)孤島運行負載階躍工況仿真

微電網(wǎng)為孤島運行模式時，儲能電池系統(tǒng)通過逆變器為微電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)內(nèi)子系統(tǒng)的響應(yīng)特性曲線如圖4 所示。儲能電池系統(tǒng)的響應(yīng)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(wǎng)的電壓UPCC是由儲能電池經(jīng)過逆變器提供，結(jié)合圖4 和圖5 可以看出，在微電網(wǎng)運行過程中，其電壓保持穩(wěn)定狀態(tài)。風電機組按照風速變化輸出有功功率，光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)太陽輻照度的變化輸出有功功率，這與并網(wǎng)狀態(tài)下相似；風電機組和光伏發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)處于充電狀態(tài)，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(tǒng)跟隨負荷的需求而響應(yīng)，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(xiàn)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(jié)論

本文對包含有2 MW 風電機組、1 MW 光伏發(fā)電系統(tǒng)和500 kWh 儲能電池系統(tǒng)的風光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)進行了分析，并給出了微電網(wǎng)在并網(wǎng)和孤島運行狀態(tài)下能量管理系統(tǒng)跟隨負荷需求響應(yīng)控制儲能電池系統(tǒng)出力的控制策略；在MATLAB/Simulink 環(huán)境下模擬分析了微電網(wǎng)子系統(tǒng)在并網(wǎng)運行工況和孤島運行負載階躍工況下的響應(yīng)特性。結(jié)果表明，本文所提出的控制策略能夠維持微電網(wǎng)的功率平衡，實現(xiàn)風光儲微電網(wǎng)的靈活、安全運行。