儲能提高微網穩定性的仿真實驗分析*

田春箏，孫玉樹，唐西勝，高超，付科源，李錳

(1. 國網河南省電力公司經濟技術研究院， 鄭州 450052； 2.中國科學院電工研究所，北京 100190)

0 引 言

作為大電網的有效補充和分布式能源的有效利用形式，微網已經引起了人們的廣泛關注。但微網中風電和光伏等分布式電源出力具有間歇性和隨機性， 負荷變化也具有一定的波動性，這給微網的的穩定運行帶來了較大影響[1]。由此引入儲能系統可以減小風光等可再生能源接入對系統的影響，改善電能質量，提高微網的穩定運行[2-4]。

目前，儲能在微網系統中的應用非常廣泛。文獻[5]針對風電、儲能等微源對頻率調節的不同特性和能力, 將其進行分類處理，使得孤立微網具有經濟快速的調頻策略。文獻[6]針對風電并網發電在遇到頻率波動時不具備慣性的問題，提出了應用儲能補償系統慣量，利用頻率變化率作為反饋輸入并調節慣量常數，使風儲聯合系統作為一個整體對外提供有功功率參與系統調頻。另外，文獻[7]提出一種蓄電池和虛擬儲能的協調控制策略，用于有效平抑微網聯絡線功率波動。文獻[8]應用一階低通濾波算法平滑系統的波動功率，并通過滑動平均濾波方法對濾波后的波動功率在混合儲能中進行合理分配，使蓄電池儲能承擔更多低頻功率波動，超級電容器承擔高頻波動。文獻[9]針對微網中可再生能源發電和負荷功率在不同時間尺度上具有不同的波動特性問題，提出了多類型儲能的多級控制策略以實現功率型儲能和多種能量型儲能的載荷分配，從而促進多類型儲能在微網中的應用推廣。

上述研究主要側重于微網和儲能的全數字仿真，為了更好地反映實際裝置對系統的影響，文中應用儲能和光伏等動模裝置，構建基于RT-LAB的數?；旌戏抡嫫脚_進行相關實驗。首先，分析了儲能參與系統頻率響應的作用；再者，分析了儲能對光伏功率波動平抑及其對系統的影響；最后，建立多類型儲能能量管理平臺并開展了功率之間的分配實驗，為儲能的工程化應用提供參考。

1 數?；旌戏抡嫫脚_

基于實驗室條件，建立了電力系統數?；旌戏抡鎸嶒炂脚_，包括eMEGAsim實時仿真器、功率放大器和動模裝置。其中加拿大公司研發的eMEGAsim仿真器，可以實時運行微網等系統模型，且擁有充裕的I/O通道進行硬件在環仿真；法國公司開發的四象限線性功率放大器，可以與eMEGAsim實時仿真配合，為數模混合仿真的物理接口；實際動模裝置包括儲能系統和光伏模擬器系統等。

1.1 數模混合仿真實驗平臺

圖1的仿真平臺主要包括4個模塊。

圖1 數?；旌戏抡鎸嶒炂脚_

A模塊為eMEGAsim實時仿真器主機，基于此建立微網全數字實時仿真模型，并對數模混合仿真運行狀態進行實時監控；

B模塊為eMEGAsim實時仿真器目標機，將仿真器主機建立的數學模型通過編譯下載到仿真器目標機，以進行實時仿真。A，B兩個模塊共同組成了數?；旌戏抡嬷械臄底址抡孀酉到y；

C模塊為21 kW三相四象限運行的線性功率放大器，主要進行電壓放大，為動模裝置接入建立逼近真實環境的數字仿真系統，以進行數?；旌戏抡嬖囼?；

D模塊為儲能系統包括PCS和四塊鉛酸電池，與功率放大器相連。充電時通過功率放大器從電網吸收功率；放電時，將功率消耗在功率放大器內部的電阻。當動模裝置為光伏系統時，光伏模擬器通過逆變器與功率放大器相連，處于MPPT運行狀態。

儲能系統通過串口RS232與仿真器目標機進行通信，實時接收功率指令，發出相應的充放電功率；電流傳感器采集儲能電流，通過仿真器目標機的模擬量輸入板卡進入數字仿真系統，將實際儲能系統的運行特性反饋入數字系統，形成功率級硬件在環(Power-Hardware-In-the-Loop，PHIL)，即數模混合仿真?；诖罱ǖ臄的；旌戏抡嫫脚_，分析儲能對提高系統穩定性的改善作用。

1.2 微網系統

基于IEEE37節點系統構建微網系統，如圖2所示，其中節點799為PCC點，其余為負荷節點?？傆泄ω摵蔀? 457 kW，總無功負荷為1 201 kW。

圖2 微網系統

2 儲能參與系統調頻

當系統頻率發生改變時，利用慣性調節檢測系統需多發的功率，控制方式如圖3所示。

圖3 慣性調節

當檢測到系統頻率后，利用慣性控制求出頻率變化率，將頻率變化率與增益系數KD，得到功率差值P1；同時將檢測到的系統頻率與工頻比較，求出頻率差值，利用下垂控制將頻差與增益系數KX相乘，得到功率差值P2。電力系統的功率差值為ΔP=P1+P2。將功率差值送給儲能，在儲能SOC充裕的情況下，利用儲能輸出功率差額，即可調節系統頻率。本章以儲能為實際動模裝置，分析投切負荷對系統頻率的影響，以及儲能在調頻策略下所發揮的作用。

2.1 投負荷

仿真時間60 s時，節點713的負荷突增，系統的頻率降低。接入儲能后，通過調頻策略增加儲能出力，系統的頻率得到有效提升，如圖4所示。因此，儲能在投負荷時能夠有效提高系統的穩定性。

圖4 投負荷時的頻率變化

2.2 切負荷

在系統仿真時間60 s時，切除負荷713節點，系統的頻率升高；投入儲能后，通過對儲能功率的調節，可以使頻率得到一定的回升，儲能控制策略有效。

圖5 切負荷時頻率變化

3 光儲對系統的影響分析

光伏出力具有波動性和隨機性，其規模化接入對系統的穩定性影響較大，增加儲能系統進行光伏功率波動的平抑，可以減小其對系統的影響。

3.1 光伏平抑算法

由于一階低通濾波算法具有操作簡單，可靠性高，便于工程實現的優點，因此在實際工程的應用中較為廣泛。低通濾波算法的核心是一階低通濾波器，其基本電路如圖6所示。

圖6 一階低通濾波電路

根據電路輸入輸出關系，可得：

(1)

進一步推導，可得系統傳遞函數：

(2)

式中τ=RC，是系統的時間常數。

采用z變換，將式(2)離散化，可得：

(3)

假設X(k)表示輸入量，Y(k)表示輸出量，可得一階低通濾波器輸出與輸入關系為：

(4)

可見，離散化的一階濾波算法表達式中，k時刻的輸出量Y(k)不僅與k時刻的狀態量X(k)有關，還與前一時刻的輸出量Y(k-1)有關。時間常數τ越大，Y(k)與Y(k-1)差別越小，濾波器的平滑效果越好，但輸出結果越遠離X(k)。

3.2 光儲接入

光伏和儲能均用實際裝置接入，接入點為709節點。光伏模擬器按照給定的光伏功率曲線輸出，將光伏功率通過一階濾波算法，獲取其儲能功率指令通過串口通信下發給儲能PCS。

圖7 光伏平抑前后功率

一階濾波算法平抑前后的光伏功率如圖7所示，平抑后光伏功率波動幅值變小，較為平滑，相應的儲能功率如圖8所示。

分析光伏影響時，將光伏模擬器接入系統可以獲取其對頻率和電壓的影響；分析光儲影響時，將光伏模擬器和儲能同時接入系統，獲取頻率和電壓曲線。圖9和圖10分別為平抑前后系統的頻率和電壓曲線，由此可見平抑后的光伏對系統影響較小，儲能的改善作用明顯。

圖8 儲能功率

圖9 光伏平抑前后接入時頻率變化

圖10 光伏平抑前后接入時節點709電壓變化

4 多類型儲能功率分配實驗

實驗目的：將變時間常數的一階濾波算法嵌入PLC，構建基于PLC的能量管理系統，實現蓄電池和超級電容器的儲能功率分配。

實驗設備：倍福PLC一臺，500 kVA儲能變流器DC/AC一臺，兩臺100 kVA DC/DC，蓄電池100 kW*1 h，超級電容器100 kW*10 s，如圖11所示。

實驗方案：儲能變流器DC/AC通過并網開關與大電網、負荷相連；兩臺DC/DC分別與蓄電池和超級電容器相連，并聯后與儲能變流器DC/AC串聯。其中蓄電池的DC/DC作穩壓控制，超級電容器的DC/DC作穩流控制。

圖11 多類型儲能結構圖

實驗內容：由于儲能變流器DC/AC具有測量電壓和電流的功能，所以在并網和離網兩種情況下，均可以利用PLC通過RS485總線和MODBUS協議讀取儲能變流器DC/AC的功率，然后利用變時間常數的一階濾波算法獲取蓄電池和超級電容器的載荷功率。由于蓄電池的DC/DC作穩壓控制，所以主要應用PLC控制超級電容器的功率。在算法中，考慮蓄電池和超級電容器的SOC和最大充放電功率限制條件，當超級電容器的SOC低于30%時，調節濾波時間常數，讓超級電容器多充少放；當超級電容器的SOC高于70%時，讓超級電容器少充多放。再者，當超級電容器的充放電功率超過最大限制值100 kW時，按最大限制值充放電。

實驗結果：實驗中利用PLC每5 s讀取儲能變流器的DC/AC功率，通過變時間常數濾波算法后獲取蓄電池和超級電容器的載荷功率并下發超級電容器的功率指令，圖12為采樣時長為1 280 s的實驗結果。由此蓄電池和超級電容器的功率載荷得到了很好的分配，控制效果較好。

圖12 總儲能、蓄電池和超級電容器功率

5 結束語

在以往研究的基礎上，構建了基于RT-LAB的數?；旌戏抡嫫脚_，應用實際儲能裝置分析了其在提高微網穩定性中的作用。首先，微網中負荷投切時，增加儲能裝置可以有效地減少系統頻率偏差。再者，光伏接入時，應用儲能裝置進行光伏功率波動的平抑，可以有效的減少其對系統頻率和電壓的影響。最后，進行了多類型儲能的功率分配實驗，利用PLC構建能量管理系統，可以有效地實現蓄電池和超級電容器的功率分配。通過文中的仿真實驗，進一步分析驗證了儲能在微網中的作用，為儲能在微網推廣應用具有很大的參考意義。