儲能系統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．電子科技大學能源科學與工程學院，四川 成都611731；2．電子科技大學電力系統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．電子科技大學能源科學與工程學院，四川 成都611731；2．電子科技大學電力系統廣域測量與控制四川省重點實驗室，四川 成都611731）

摘要：風光發電系統的隨機性和間歇性特點將會對風光大規模并網造成不利影響。針對這一問題，提出了一種采用儲能系統平抑風光輸出功率波動的控制方法。建立了光伏發電單元、風機發電單元以及儲能單元的數學模型。給出了風光儲并網發電系統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光儲并網發電系統的仿真平臺，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，提高系統穩定性。

關鍵詞：風力發電；光伏發電；儲能系統；功率平抑；蓄電池；運行控制

為了實現可持續發展，大力發展可再生能源具有重要現實意義。風和太陽能是可再生能源中發展潛力最大的兩種能源，在2003年，全球裝機風電和光伏發電容量為39 GW和2.798 GW，在2012年，全球累積裝機容量已經達到283 GW和101 GW，前后分別增加了7倍和36倍左右[1，2]。中國也在積極發展風力和光伏發電，在2005年，兩者的裝機容量僅為1.1 GW和0.08 GW，而在2014年底，新的裝機容量已經達到95.8 GW和28.1 GW，風電和光伏的裝機容量分別增加了87倍和351倍[3，4]。

大規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境污染進一步惡化，然而由于風力發電和光伏發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，大規模間歇性能源的接入將會引起并網輸出功率波動程度較高，進而將會導致公共耦合點電壓幅值和頻率出現波動，嚴重影響電力系統穩定性[5，6]。針對這一問題，通常需要在系統中配置儲能裝置平抑系統輸出功率波動，提高系統穩定性[7-9]。為此，本文建立了間歇性能源的數學模型和電氣控制，通過加入儲能系統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，對加入儲能系統前后兩種情況進行了仿真研究。

1　系統結構與數學建模

1.1系統結構

圖1給出了系統結構圖。整個系統由三個部分組成，其中包括光伏發電單元、風力發電單元以及蓄電池儲能系統，不同的單元內部包括各自的控制系統。

圖1　風光儲發電系統的結構

1.2光伏電池的數學模型

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風力渦輪機數學模型

風力從風能吸收的功率可以表示為：

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

1.4永磁同步電機的數學模型

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并網變換器的數學模型

以d軸進行定向，并網變換器的數學模型為：

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

1.6蓄電池的數學模型

本文采用了鋰離子蓄電池，其數學模型為：

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

2　系統的控制策略

2.1光伏發電單元控制

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構，其主要作用將光伏輸出直流電變為交流電傳輸給電網和負載，為了保證系統穩定，采用直流電壓和電網電流雙閉環控制。首先將與udc相減經過PI控制器得到，為了實現單位功率因數設置=0.將和分別與id和iq相減經過PI控制器進行調節，并且在輸出信號中疊加補償項△vd和△vq得到調制信號和.最終將合成的調制信號送入正弦脈寬調制模塊得到驅動信號gpvb.

圖3　后級變換器的控制結構

2.2風機發電單元控制

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變換器，其控制結構如圖4所示。首先將風力機輸出功率和轉子轉速送入MPPT模塊得到轉速指令，將ω*與ω相減經過比例積分控制器得到，為了實現勵磁和轉矩電流解耦，設置=0.將和分別與isd和isq相減經過PI控制器進行調節，為了消除耦合，加入補償項△vsd和△vsq得到調制信號和.最終將合成的調制信號送入正弦脈寬調制模塊得到驅動脈沖。

圖4　PMSG電機側變換器的控制結構

2.3蓄電池儲能系統的控制

為了避免間歇性能源輸出功率波動對并網點頻率和電壓幅值造成影響，本文采用儲能系統來平抑輸出功率波動。圖5給出了儲能系統的控制框圖，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分別為儲能系統有功和無功功率。

圖5　儲能系統的控制結構

通過（14）和（15）能夠得到電流參考值為：

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

根據（18）得到儲能單元的有功功率參考值為：

式中，Pg為電網功率。

3　仿真驗證

為了驗證儲能系統平抑效果的有效性，利用Matlab/Simulink仿真軟件搭建系統的仿真模型，設置PMSG容量為25 kW，光伏發電單元容量為15 kW、儲能系統容量為30 Ah.圖6給出了平抑控制策略的仿真結果。從圖中可以看出，風速和光照強度發生隨機震蕩，為了實現最大化的利用風能和太陽能，根據圖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速和光照快速變化的情況下始終保證系統運行在最大功率點。由于PV和PMSG輸出功率存在大幅度的波動，進而導致入網有功功率出現波動，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，根據圖6（f）能夠得到平抑前后的電網功率比對仿真結果，從結果可以看出，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，提高系統穩定性。

圖6 儲能平抑間歇性能源功率波動的仿真結果

圖7給出了平抑波動期間儲能系統的仿真波形。儲能系統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的影響。

圖7　平抑功率波動期間儲能系統的仿真波形

4　結束語

利用本文提出的儲能平移功率波動方法，通過儲能系統連續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的影響，提高系統穩定性。本文提出的控制策略具有結構簡單，控制算法復雜程度低，適用性強，具有一定的工程應用價值。

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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、智能電網技術；趙敏（1985-），男，新疆昌吉人，碩士研究生，主要從事電力系統分析、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