電網分布發電互補并聯式儲能系統的構建

國網蘭州供電公司 陳瑞前

在新能源廣泛分布的背景下，電力系統應用新能源技術逐步開發了環保發電技術，包括常見的風能發電以及太陽能發電等，均屬于在電力系統中常使用到的清潔能源。但在部分電力系統中，若單一的依靠風力發電或是光伏發電，可能會受到環境條件影響而出現發電局限問題，造成不穩定的輸出功率，難以充分適應當前階段的供電需求，并使電力系統運行安全受到影響，本文對此進行探討。

1 基于風力發電與光伏式分布發電互補的儲能系統

1.1 風力發電模型

本文利用風力發電以及光伏發電技術所創建分布發電互補并聯式儲能系統，首先創建風力發電系統模型。根據風力發電的運行原理，所涉及到的系統結構包括分類分輪機、發電機、調速裝置、塔架、變流器及偏航裝置等。風力發電機運行過程中所依靠的是空氣動力學，當風吹過風輪機時，強大的風力促使本身具有一定傾斜角度的風輪機進行轉動對風力發電機加以帶動，促使其產生電能。基于流體原理，風輪機上經過空氣時，可使用公式表示：式中：E表示為風力發電機運行過程中所產生的動能；代表風力均勻速度；S為風輪機所有葉片的總面積；ρ表示為空氣密度。

基于貝茨理論，假設在風力發電機運行過程中葉片始終受到垂直方向的空氣主動，則前后空氣密度保持穩定不變，葉片設定為無窮多，此時可獲得公式：式中：新增的V1以及V2分別代表了經過風輪機前后的風速[1]。此時可對風輪機運行過程中的吸收功率加以計算：（V1-V2），此時可對風輪機單位內風能的衰耗量進行計算：由于能量守恒，則風輪機的衰耗與吸收相同，表示為：對上述公式進行簡化，則可以獲得與風能利用系數C相結合下的公式表示為風輪機的運行功率：P=1/2ρSV3C。

在本次對電力儲能系統的設計中應用了永磁同步電動機，其目的是為了促使風能利用效率有效提升。因此在綜合風輪機運行功率與永磁同步發電機的設計之下，所形成的設計模型則表示為：

式中：a、b、c分別表示為發電機的不同軸；u為定子電壓分量；i為定子電流分量；Rp為定子繞組電阻；t為單位時間；d為發電頻率。

1.2 光伏發電模型

本次光伏發電系統的構建中應用到半導體材料的光伏電池板，其中PN 結含量較多，處于正常狀態下與兩級材料具有較大的差異，則自由電子及空穴之間在不同濃度下將會發生擴散運行，并在反作用下出現少子漂移運行，進而在兩個運動狀態達到相一致的平衡狀態時，促使PN 結構成了較為穩定的電場。此時當陽光在電池組面板上加以照射的過程中將會促使部分光能被吸收，進而導致PN 結受到激發，在這一過程當中出現自由電子以及空穴，動態平衡發生改變，閉合外部電路后產生電流。根據這樣的發電原理，創建了相應的光伏發電模型。通過對光伏電池的特性進行模擬，則率先構成曲線方程：

式中：I0代表了光伏發電系統中二極管所產生的反向飽和電流；Iph表示為光生電流；Rs與Rd分別對應等效串聯電阻以及等效并聯電阻；K 表示為玻爾茲曼常數；T則表示為光伏電池板運行中的絕對溫度；U表示為額定電壓；q為電子電荷。光伏發電系統的模型相對較為簡單，在該模型中利用二極管并聯的目的是為了創建旁路電流通道，避免光伏發電系統在運行過程中出現熱斑效應，進而引發電池板元件損壞。而對二極管進行串聯，則是保障每一組件在串聯狀態下均能夠獲得單相電流，避免出現環流問題。

1.3 儲能系統模型

本公司完成對風力發電系統及光伏發電系統的模型創建后，對其進行分布并聯，進而打造分布式發電系統，且對以往利用新能源創建的分布式發電系統展開調查研究，發現在輸出功率時的隨機性較為明顯，則將會促使發電系統的運行穩定性及電能輸出質量受到不同程度的影響[2]。基于此，若通過創建儲能系統對分布式并聯發電系統加以輔助，則可用過充放電對發電系統的輸出功率波動起到一定的平抑作用。若經過風力發電以及光伏發電系統收集的電能過剩，可通過充電回路將其儲存在儲能系統中，進而在分布式發電系統電能缺乏時對其加以供應。

基于這樣的設計思路，本公司再次對儲能系統創建相應的模型。本公司在對常見的儲能系統類型進行綜合對比之后，整合形成如表1所示的技術總結，進而發現蓄電池儲能具有較高的利用效率，因此選擇了電池儲能系統。

表1 各類儲能技術特征總結

根據當前階段常見應用的蓄電池結構，設定Qd表示為充電容量，則可用公式對充電儲存能量加以表示：式中：t表示為充電累計時間；d表示為單次充電能量；I表示為電能流通的總頻率。

而相應的，以Qc表示為放電容量，則可用公式對電能釋放量加以表示：式中：t表示為充電累計時間；c表示為單次充電能量；I表示為電能流通的總頻率。

蓄電池效率n用公式加以表示：n=Wd/Wc=Qd/Qc，式中：Wd以及Wc分別表示為蓄電池在充電時的吸收能量與放電時釋放的能量。

對儲能系統加以設計的過程中，考慮到提升蓄電池的儲能效果這一需求，則在構建系統結構的過程中，通過增加電容器的方式，促使電容器經過串聯提升蓄電池的電壓，進而在吸收電力能源的過程中能夠更好的滿足容量提升要求。

2 能量捕獲技術

2.1 風力發電功率點跟蹤

在風力發電系統運行中，當空氣流經風輪機葉片，可通過葉片對風能進行吸收并向機械能加以轉化，進而對發電機加以帶動向電能進行轉化，此時對風能的利用率表示為：Cp=（0.44-0.667β）sin（π(λ-3）/（15-0.3β））-0.0084β（λ-3），式中：風能利用率表示為Cp；風輪機葉尖速比表示為λ；β代表槳距角。葉尖速比作為對風輪機使用性能加以衡量的重要參數，在實際當中同樣可應用公式表示：λ=ωr/v，式中：風輪機葉片轉動所形成的角速度表示為ω；v表示為經過風速；r則代表風輪機葉片半徑參數。此時葉尖速比以及風能利用關系之間構成了一定的關系，可利用一般曲線圖對其加以表示。

結合實際來講，在風力發電設備運行的過程中，若達到一定標準下的風速，只需要對葉尖速比進行調整就能夠達到最大的風能利用率，這一參數也就是風力發電系統在運行過程中所產生的最大功率。而基于傳統意義上來講，在跟蹤風力發電系統時可應用多種不同的方法，包括常見的擾動觀測法、葉尖速比調控法等[3]。

2.2 光伏發電功率點跟蹤

通過進一步分析發現，對最大功率加以跟蹤控制的方法多種多樣且具有一定的差別。恒壓電壓控制法無法達到較高的控制精度，擾動觀察法與電導增量法是當前較常應用的技術。本公司選擇了有最小計算量且最快跟蹤速度的電導增量法，通過對光伏發電系統的電池輸出電壓以及電流參數進行檢測，對傳感器精度要求相對較低。

基于光伏發電系統在運行過程中所產生的I-U以及P-U 輸出曲線，則可以獲得如公式dP/dU=I=udI/dU的輸出功率與電壓導數，在其基礎上，通過對光伏發電系統的運行周期輸出功率進行跟蹤，根據導數符號的正負數對電壓的正負進行判斷，獲得了如公式dI/dU=-I/U所示的最大功率點條件要求，式中：I表示為額定電流；U表示為額定電壓；d則表示為光伏發電系統單位時間功率。據此公式，利用電導增量法對光伏發電系統的最大功率點進行跟蹤，則可以盡可能規避跟蹤不穩定，出現振蕩的現象，進而可在較短時間內完成對功率點的標記[4]。

2.3 分布式互補發電功率點跟蹤

基于實際角度來講，當處于溫度條件較為穩定的應用場景中，風力發電以及光伏發電系統二者的最大功率點近似保持在一條直線上，根據這樣的特征，可在追蹤分布式互補發電系統的最大發電功率時按照兩個階段展開全過程跟蹤[5]。

3 分布式電力系統并網控制

3.1 逆變器控制

本公司創建了風光互補的分布式發電系統，與儲能系統相互結合，在電力系統中借助逆變器完成對電網的接入。對此展開試驗發現，傳統逆變器在控制過程中的弊端較為明顯，在并網運行狀態下盡管能夠形成與發電機相似的下垂控制效果，但僅能對輸出功率加以控制，暫態性較差，難以對短時間內出現的高頻波動加以控制，因此可通過創建虛擬同步電機的方式加以處理。

首先則是對逆變器的控制，結合控制目的以及其在發電系統中的作用。常見使用雙環控制方法，包括內環控制與外環控制。控制外環是為了對控制目標加以反映，并為內環控制提供參考，由于外環具有相對較慢的響應速度，則通過內環微小的系統調節可達到更高精度的輸出效果。

3.2 虛擬同步發電機控制

假設具有穩定的磁鏈，則虛擬同步發電機的電氣結構模型如公式（1）所示，式中：L、M分別為定子繞組的自感及互感（H）；ia、ib、ic分別表示為三相電流；Maf、Mbf、Mcf則表示為三項定子繞組與轉子繞組互感。機械部分的模型創建過程中，充分考慮到具有差異性的電磁轉矩以及電機機械轉矩等影響，則為通過調速其對原動機轉速進行調節從而滿足平衡調節需求，則可應用公式W=1/2Jω2表示本次轉子能動方程，式中：ω表示為發電機角頻率；J表示為發電機轉子轉動慣量。

虛擬同步電機的設計，是通過分布式發電系統逆變器控制的基礎上與同步電機算法相互結合，進而促使逆變器與同步發電機之間達到部分相似特征，使用儲能系統加以輔助，與同步電動機相互聯合，構成整體，則促使分布式互補風光發電系統具有更加穩定的電能輸出效果[6]。

3.3 VSG 并連環流抑制

在研究風力發電系統與光伏發電系統相互結合構成分布式風光發電系統的過程中，也考慮到其中一個系統運行過程中出現問題時進行切換運行，并達到穩定供電的目標。因此增設了VSG 并連系統的方式，對環流起到一定的抑制作用。通過仿真設計，設定在380V 電網電壓下阻尼系數D為50，取0.1kg/m2的轉動慣量系數，在0.5s、1s、1.5s 處分別進行試驗，從并網模式向孤島模式加以切換，分別獲得了49.98Hz、49.94Hz、50Hz 輸出頻率。發現在切換過程中能夠滿足無縫銜接的同時，保障系統功率較為穩定，具有良好的控制作用。