多能互補新能源電站協調控制探討

張棋

國電南京自動化股份有限公司 江蘇 南京 210032

引言

隨著能源戰略的調整，新能源在能源領域的地位顯著提高，水能、風能、太陽能等的應用范圍顯著擴大，這些新能源逐步朝著規模化、商業化方向邁進。電站在原有的生產方式下暴露了諸多問題，為迎合可持續發展步伐，國家增大了在新能源電站中的投入，新能源電站的建設數量逐年遞增，規模逐步擴大。多能互補新能源電站的運行模式更為復雜，為提高電站運行效率，有關人員需結合其能源類型及互補形式等，優選最佳的協調控制策略。未來行業內需持續研究多能互補新能源電站的建設與運行方式。

1 多能互補發電系統的基本特點

1.1 獨立性

多能互補新能源發電系統具有系統集成性，實現了原先單一系統的結合，能統一協同發電時的能源供給過程。多能互補新能源發電系統中，單一子系統具有一定的獨立性，子系統運行狀態會影響新能源系統中不同能源供給的銜接效果。目前我國很多地區開始推廣混合式發電方式，這一方式下雖能保持能源互補，但并不能凸顯新能源發電的主體特點，在發電過程中伴隨著一定的能源浪費、環境污染[1]。因此，多能互補模式下，保持每一子系統的獨立工作，是多系統銜接的前提條件。

1.2 穩定性

當前各地區都在建立新能源發電系統，為促進這一系統的高效運行，創造更大的經濟、社會與環境效益，必須將多能互補作為重點，保持多能互補新能源發電的穩定與安全。一些新能源發電呈現周期性、階段性特征，為此，相關人員在設計新能源發電模式時需分析不同時間段每一子系統的發電情況，參考發電總量、電力能源綜合利用率，優化多能互補新能源系統的能源配置形式[2]。經由多能互補，可優化發電能源調配，促進風能、生物質能、地熱能發電的協同，增強該地區的供電穩定性與持續性。

1.3 安全性

多能互補新能源發電中，系統安全也是需關注的重點方面，因為許多因素都會影響多能互補新能源系統的運行情況，相關人員在具體的工作中需優化細節。不同于傳統的發電方式，新能源發電的方法及形式多樣，在提取電力能源、供給發電能源的過程中，相關人員需分析每種新能源發電形式、過程，從發電需求著手，合理控制多能互補新能源發電的電壓、電流與電阻，防止電流、電壓數據誤差或者兼容性不足所引發的安全事故。

2 系統出力平滑協調控制策略

2.1 多能互補的混合儲能系統結構

此系統的構成復雜，有光伏陣列、氫燃料電池、蓄電池、超級電容器等，這些構成部分經由雙向整流變換器接入800V的微電網直流母線。光伏陣列中產生的電能資源被輸送給直流母線，其輸送過程中需經過DC-DC升壓斬波電路，直流母線接收到電能后，再由DC-AC逆變變流器將直流電網系統接入交流母線，交流母線接入外部電網或本地負載，達到并網目的[3]。逆變系統中包含三相交流逆變器、LC濾波器，多余的電能通過電解槽形成氫氣，被存放于儲氫罐。

多能互補新能源電站中，包含多個儲能系統，不同系統之間的能量流動較為復雜，為實現新能源電站協調控制的目標，有關人員必須理清不同儲能系統之間的能量流動規律，優化控制系統的控制流程。能量流動關系如圖1所示。

圖1 能量流動關系

在上述關系下的功率傳輸相對復雜，這些傳輸過程確保了能源供應的穩定性與持續性。不同功率傳輸關系為：

2.2 多能互補系統的能量協調

多能互補新能源系統中的能量傳輸較為復雜，只有做好協調控制，才能提高能源利用率。本研究中重點闡述的是功率分配型方式。

如在實際的協調控制中選用電壓跟隨型方式，三相逆變器為其中不可或缺的部分，其負責控制直流母線端的電壓，可避免此處的電壓值過大或者過小。系統運行過程中電網側所需的有功功率完全由發電單元來承擔，涉及氫燃料電池、蓄電池與光伏發電。通過上述分析，存在以下關系：

多能互補協調控制模塊的儲能部分，其功率值要經歷一系列的傳輸過程，首先由低通濾波部分完成前期處理，處理后得到的結果再依次分配給氫燃料電池、蓄電池、超級電容器。蓄電池功率、超級電容功率分別為：

多能互補系統運行期間，光伏發電單元為其中的重要構成，其為MPPT模式。為實現直流母線電壓的動態平衡狀態，需滿足以下條件：

也就是說，發電側全部單元的提供功率與三相逆變器的輸出功率相同。因此，為精準控制功率偏差，應發揮存儲單元的協調作用。實際的工作中需建立以下模型：

與上述原理一樣，多能互補混合能量存儲功率一般在保持母線電壓穩定的狀態下將其再次分給蓄電池、超級電容器。一旦發電側的能量值與三相逆變器負載端消耗能量、輸送于電網中的能量總和相等，直流母線電壓在很長時間內保持在穩定狀態。

2.3 多能互補儲能綜合控制方式

多能互補的混合能量存儲系統涉及了諸多構成部分，功率管理控制策略相對有效，此思路下設計的控制系統能自動依據采集的光伏發電、儲能系統的運行數據，從穩定、安全、經濟等角度確定最佳的功率值。

在光伏發電的低谷期，光伏輸送的功率值較小，其數值一般達不到保持直流母線電壓穩定的800V，此時直流母線電壓等級明顯小于蓄電池額定電壓，為蓄電池向直流母線充電的情況，蓄電池放電，上半橋臂開關管斷開，雙向DC-DC斬波電路變流器同樣在其中起著關鍵作用，相當于升壓斬波電路。控制系統通過控制下半橋臂的開關管，即可保持蓄電池的恒流放電狀態，同樣通過調節回路電感來控制其回路電流，使電流長時間維持在穩定狀態。

蓄電池與超級電容器在充放電期間，能量存儲系統所吸收或釋放的功率要經過低通濾波器進行處理，在處理以后主要有高頻功率分量、低頻功率分量兩個部分。相對來說，蓄電池的存儲容量異常大，一般可吸收或釋放低頻分量，構建完善的單電流控制環即可獲取充放電期間的預期電流值。

多能互補儲能系統中超級電容器的作用突出，其承擔著蓄電池功率供給直流母線負荷功率的差值部分。超級電容器的充放電速度快，絕大部分情況下為高頻變動功率，從這一方面分析，控制超級電容器吸收或釋放來自光伏陣列、用戶/直流母線負載突變的高頻功率。

2.4 算例分析與討論

為檢驗本研究中多能互補新能源電站中混合儲能控制方式的控制水平，可借助PSCAD建設仿真模型，完成仿真模擬。通過在該模型中模擬系統運行狀態及控制過程，可判定該控制方式是否有效。在建立了仿真平臺后，建立以下模型：0～1s，光照強度、溫度、直流母線電壓平衡穩定狀態的有關參數分別為998lx、25℃、800V，1.1s的時間內模擬陰天或夜間調整光照強度，將其變為0lx，溫度維持原狀，此時直流母線電壓值顯著減小，基本維持在600V上下。在1.1～2s的時間段，超級電容器燃料電池處于放電狀態，此時直流母線電壓值，在2s的瞬時時間段內增大到800V，此時系統處于穩定狀態。

0～0.3s內，光照強度為0lx，溫度25℃，直流母線電壓在0.3s的時間保持穩定，其電壓值為800V。在0.3s模擬夜晚到白天凌晨情況，變更光照強度，調整到1293lx，溫度不變，依舊為25℃，此時直流母線電壓值異常增大，僅經過0.15s時間就增加了300V，保持在1100V左右。在0.45～1s時間段內，多余電量經由電解槽產生氫氣，此時直流母線電壓值顯著減小，在1s時刻重新達到800V，系統運行相對穩定。

光照強度1000lx、溫度25℃的情況下，調整用戶負載端的功率值，直流母線電壓值相對穩定，基本保持在800V上下。功率分配型方式可提高三相逆變器控制的靈活性。

綜合上述，多能互補系統控制裝置下基本能保持直流母線電壓的穩定狀態，使電壓基本保持在800V左右，實現動態平衡。利用功率分配方式能使三相逆變器能依據并網側功率需求，合理調節無功功率與有功功率，保持電網系統的可靠運行。以氫燃料電池、超級電容器和蓄電池構成的多能互補協調控制策略，能克服蓄電池、超級電容器在充放電階段電流頻繁變化的難題，控制效率高、響應速度快。多能互補協調控制裝置的出力平滑控制策略下，系統運行更為穩定且可靠，此時的光伏陣列在最大輸出功率點，光伏電網系統的運行狀態良好，在并網過程中能快速減小因交流側用戶負荷突變、直流母線側負載突變引發的配電網異常變化，提高配電網的運行可靠性，保持高效率、高效益運行狀態下。

3 結束語

現階段的能源領域，多能互補的提及頻次顯著提高，但多能互補新能源電站的協調控制難度較大，為達到控制目標，相關人員在當下及未來都需根據多能互補組合形式等，不斷創新控制理念及方法。