新能源發電與儲能在泗洪電網中的協調控制研究

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

關鍵詞：泗洪電網；新能源發電；儲能系統；平抑功率

【引言】：國家大力發展分布式電源，電動汽車（Electric Vehicle， EV）、直流電機、通信電源、光伏發電、燃料電池等各種技術的迅猛發展和廣泛應用，各種直流微源和直流負荷的大量涌現，環境友好、綠色清潔能源發電的技術日益成熟，政府對環境保護的愈加重視，整個宿遷地區新能源源發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，水產養殖業發達。光伏發電可以巧妙的結合當地養殖業，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電，不影響水下養魚、養蟹，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、天崗湖的鄉鎮處于電網的負荷的邊緣，電能從城區用高架線路輸送，其基建成本高，損耗大，新能源發電接入當地電網，可以大大降低電能損耗。為響應國家可再生能源發展規劃，優化泗洪電網結構，加快泗洪縣新能源產業發展，堅決貫徹可持續發展的戰略方針，泗洪近年來大力發展新能源發電。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電功率波動性明顯，增加注入電網的諧波，影響當地電網穩定，降低提供給用戶的電能質量。

為了應對新能源發電的波動性對泗洪電網沖擊，將大規模儲能系統應用于新能源發電側。目前儲能系統受到重視的有空氣壓縮儲能系統，和大型蓄電池系統。空氣壓縮儲能系統將新能源發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，推動發電機發電，起到能量存儲的作用。鑒于泗洪地區變電站已經全部采用了蓄電池儲能系統，且蓄電池儲能系統具有維護成本低優勢，所以本文將只分析蓄電池儲能系統在新能源發電中的應用。

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，該項目總發電容量為15MW，由12個光伏發電子單元組成，每個子單元發電容量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 接入系統電網。如圖1所示：

1.2 梅花鎮40MW漁光互補光伏工程

本工程共裝設40MW光伏組件，考慮系統安裝和維護的方便，把40MW并網發電系統分為37個光伏子系統，每個子系統分為32 個1MW和5個1.6MW 光伏并網發電單元，其中32MW光伏并網發電系統中每個發電單元由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控單元等相關設備組成，另外8 MW光伏并網發電系統中每個發電單元由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、新能源發電與蓄電池儲能系統的控制策略

2.1 新能源與電池的三種控制策略

新能源發電通過整流環節和逆變環節接入電網，蓄電池可以直接通過逆變環節接入電網，即新能源發電和蓄電池最后都是通過逆變環節接入電網，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

新能源發電在并網發電和孤島運行時，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，以便大型儲能系統控制穩定電壓和頻率，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，新能源發電采用下垂控制，而儲能系統通過充放電來平抑新能源發電功率波動，穩定電網潮流，從而減少新能源發電對電網沖擊。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，系統平衡，蓄電池充放電功率為零，當新能源發電功率降低時，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、蓄電池儲能系統的智能管理

分布式電源的儲能裝置要發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。例如：當風速達到最大時，風力發電機的儲能對應的應該是最高荷電狀態。由于下一時刻風速是下降的，對應的風力發電機輸出功率降低，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蓄電池增發功率差額。儲能系統猶如彈簧一樣，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定》，其二次諧波已經接近了規定值的上限。而采用了蓄電池儲能系統，其諧波次數大大降低。

結語

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

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