基于储能系统交互的新能源发电和负荷波动柔性控制策略研究

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(1.华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003；2.三峡新能源大连发电有限公司，辽宁 大连 116000)

基于储能系统交互的新能源发电和负荷波动柔性控制策略研究

王金星1，李明明2，刘青1

(1.华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003；2.三峡新能源大连发电有限公司，辽宁 大连 116000)

针对含新能源接入输电网的末端稳定性较低的现象，基于某区域电网新能源发电和负荷波动特性，通过建立风力发电、光伏发电、波动负荷、储能系统的数学模型和制定适合储能系统与波动负荷、新能源发电的动态交互功率控制策略的方法，得到储能系统能够通过交互功率抑制新能源和负荷波动的结论。基于PSCAD/EMTDC平台仿真的结果表明，所提控制策略能够可靠消纳新能源发电的功率波动，有效消除“峰谷”差异对输电网的影响，大大减小了用电高峰的发电和输电压力，显著降低了电力系统旋转备用容量。

储能系统；波动负荷；新能源发电；控制策略

近年来风能、太阳能等新能源发电在国内外的规模快速扩大，发电容量迅速提高[1]，世界能源供给将实现石油、煤炭、天然气和新能源的“四分天下”[2]；同时因新能源自身的间歇性、波动性，局部电网对新能源电力的接纳能力有限，导致“弃风弃光”现象严重。大量新能源的浪费对大功率输电技术的稳定性、灵活性提出了更高的要求。随着高压、特高压柔性交流输电技术的迅速发展，基于新能源发电的柔性输电控制技术值得深入研究。

同时，因人们固有的生活习惯和作息规律，导致电力系统负荷昼夜差异较大，负荷“峰谷”现象明显，这就造成电网负荷高峰期供电压力较大以及负荷低谷期的发电机“空载”和“低载”现象[3]。每天上午的06∶00～08∶00易出现负荷迅速增加的“陡升”现象，晚上20∶00～23∶00易出现负荷迅速减小的“陡降”现象。负荷“峰谷”差异和“陡升陡降”现象给电力系统的发输变电带来了一定的技术困扰。

为降低大电网的发电机组备用容量，提高发电机组和输变电设备的利用效率，本文提出基于储能系统交互的新能源发电和负荷波动控制技术，维护城市、农村、牧区等局部电网的新能源发电和负荷稳定，消除局部电网内的功率波动对系统的影响，保证新能源安全并网和区域重要负荷可靠用电[4]。

1 新能源发电和负荷波动特性分析

1.1 新能源发电特性分析

新能源发电的功率输出特性分析是研究新能源电力并网和控制的基础，研究新能源电力并网和控制是为更稳定地输出新能源发电功率。受自然环境和天气情况影响，以风能和太阳能为代表的新能源呈现出较为明显的波动性和间歇性，给新能源电力接入的电网带来一定的失稳风险[5]。某区域风电场250 h功率输出特性曲线如图1所示，呈现输出电功率较为明显的功率波动和零功率极限输出性质，且无确定的波动规律。由此可见，风力发电功率输出具有不稳定和无规律的特点。

图1 风电场功率输出波动曲线

光伏发电功率输出最大限制因素是光照辐射强度，其受天气阴晴和云层厚度及移动情况的影响很大。某光伏电站内光照辐射强度的波动如图2所示，分别由单位面积1 min、15 min、60 min采样辐射功率曲线和晴朗天空的理想辐射功率曲线组成。1 min采样辐射功率曲线表明，单位面积光照辐射强度随时间有较明显的波动，随采样时间的增加，该采样时间段内平均辐射强度的波动趋于减小。由此可知，瞬时光照辐射强度变化较快，而光照辐射强度在较长时间段内研究是较为稳定的。

风能和太阳能作为新能源发电的主要组成部分，其功率输出有以天为周期的规律性，可用该规律进行相应发电控制和电力调度研究。某天24 h风电机组功率输出曲线和光伏电站功率输出曲线如图3所示。由图3可见，风电场夜间功率输出较大，白天输出功率相对较小，而光伏发电在白天功率输出较大，夜间输出功率为零，二者的功率输出具有一定的互补性。合理地配置风电场机组容量和光伏电站容量，可使两者功率输出之和的特性曲线接近于电力负荷的功率特性曲线。

图2 单位面积光照辐射功率波动曲线

图3 某天24小时新能源功率输出曲线

1.2 负荷波动模型

电网负荷同样呈现以天为周期的变化规律，以某局部电网24 h负荷变化情况为研究对象，负荷功率波动曲线如图4所示[6]。图4表明，每天00∶00～06∶00和23∶00～24∶00负荷处于较低水平，此时间段电源功率较富余；08∶00～21∶00负荷水平处于较高水平，电力系统供电较为紧张。鉴于此，需要用先进的储能技术等措施来“削峰填谷”，调整系统功率在时间上的分布，提高电力系统的稳定性和安全稳定水平。

每天上午06∶00～08∶00出现了负荷迅速增加的“陡升”现象，晚上20∶00～23∶00出现了负荷迅速减小的“陡降”现象，如图4中实线箭头所示。负荷“陡升陡降”现象给电力系统的发输变电带来了一定的安全威胁，应设法消除。

用电低谷时，用储能系统储存系统富余的电能，并在用电高峰期释放储存的电能，区域电网对外部输电功率的需求调整后曲线如图4虚线所示。可见，06∶00～08∶00和20∶00～23∶00功率变化斜率明显得到降低，如图4中虚线箭头所示。储能装置可在一定程度上减小“峰谷”现象，有效降低负荷“陡升陡降”对电源和输电线路的影响。

图4 某区域电网24小时负荷波动曲线

通过分析和研究该局部电网某天24 h外部输电线路功率需求实时数据，运用傅里叶变换法，得到负荷24 h变化数学模型，数学方程如下：

f(t) =a0+a1costw+b1sintw+a2cos 2tw+

b2sin 2tw+a3cos 3tw+b3sin 3tw+

a4cos 4tw+b4sin 4tw+a5cos 5tw+

b5sin 5tw+a6cos 6tw+b6sin 6tw+

a7cos 7tw+b7sin 7tw

式中傅里叶系数为

a0=29.39，w=0.265 1，a1=-2.619，b1=-2.821，a2=-0.373 3，b2=-3.046，a3=-0.416 5，b3=0.597 9，a4=-0.487 6，b4=-0.512 7，a5=0.032 93，b5=-0.403 6，a6=0.143 8，b6=-0.136 8，a7=-0.206 1，b7=0.302 9。

2 新能源发电和储能系统数学模型

2.1 新能源发电数学模型

新能源发电的数学模型是进行电气计算和控制策略研究的基础，是电器元件物理特性的数学表示，体现各参数的大小和逻辑关系。这里分别以风力发电、光伏发电为例，介绍新能源电源的数学模型。

2.1.1 风力发电数学模型

因为自然风具有显著的动性和间歇性[7]，用阵风、渐变风等多分量模型能够较准确描述自然风的风速特性。风速特性方程一般可以表述为

(1)

式中：VA、VB、VC、VD分别表示阵风、突变风、渐变风、白噪声风的风速；A和K是威布尔分布的尺度参数和形状参数；Γ表示伽马函数；Vmax为最大风速；T，T0为风速变化起始时刻和结束时刻；TG为指定风速持续时间；SV是平均风速和地表粗糙系数的变量；wi为采样点频率；φi为0 ～ 2π的随机变量。

风力机的叶片将风能转化为旋转轴的机械能，并通过传动装置将机械转矩传送给风力发电机，发出电功率。风力机的数学模型可用方程表示为

式中：CP是风能利用系数；ρ是空气密度；S为风力机叶片横扫面积；vw为计算风速；λ为风力机叶片叶尖速比；Г为风力机输出转矩。

2.1.2 光伏发电模型

光伏发电将每一个类似于PN结的光伏电池串并联组合成光伏阵列，经换流装置向负荷供电。晶体硅光伏电池发电通常采用双二极管的模型结构[8]，其等效电路如图5(a)所示。由基尔霍夫定律能够得到其输出电流I和端口电压U关系如下：

图5 光伏电池发电等效电路

对于非晶体硅光伏电池发电，图5(b)所示的单二极管模型结构能更好地描述其特性[9-10]，输出电流可表示为

式中：Iph是光生电流；Is1和Is2分别是二极管D1和二极管D2的反向饱和电流；Ish为光伏电池的漏电流；Rs和Rsh分别为等效串联阻抗和并联阻抗；T为光伏电池热力学温度；q为电荷常量1.6×10-19C，K为玻尔兹曼常量1.38×10-23J/K；A为二极管特性参数且1≤A≤2。

2.2 储能系统数学模型

目前新兴的储能系统有超导磁储能(SMES)、蓄电池储能(BESS)、超级电容器储能(SCES)等，储能系统一般由储能元件、变流器(DC/DC、DC/AC)和控制系统构成，如图6所示。

图6 储能系统并网结构图

在d-q坐标系下的电压电流关系为

储能系统交流侧的输出功率P、Q为

式中：u1d、u1q和u2d、u2q分别为储能系统变流器交流侧电压U1∠δ1和U2∠δ2的d、q分量；id、iq分别为储能交流侧电流的d、q分量。

3 储能和负荷功率交互的控制策略

针对新能源发电的波动和负荷变化的“陡升陡降”现象，储能系统能够有效减缓负荷变化陡度，消除负荷高峰和低谷对输电网的影响，抑制新能源发电波动对系统的影响。储能系统与波动负荷及新能源发电的交互控制分为内环控制和外环控制，如图7所示。

图7 平移负荷的储能系统控制策略

图7中：w和wref分别为系统节点角频率和其参考值，U和Uref分别为节点电压和其参考值，Kwp、Kwi分别为有功PI调节的比例、积分系数，Kvp、Kvi分别为无功PI调节的比例、积分系数，K为有功调节因子，其值取决于R/X的大小，且当R远小于X时K=0；Pset、Qset为储能系统充电放电功率的有功、无功设定值；PBESS、QBESS分别为储能系统实际输出的有功、无功功率；iLa、iLb、iLc分别为储能系统的三相输出电流，ua、ub、uc分别为储能系统的三相电压。

有功功率控制过程：当检测到电网节点角频率w小于wref时，经比例积分，储能系统功率设定值Pset增加。Pset与储能系统输出有功PBESS差值的比例积分值，与电压、电流的DQ变换值加减运算，再经DQ反变换和PWM信号调制作用于晶闸管，触发晶闸管开断以增大储能系统有功输出，提升w至参考值wref。当检测到电网节点角频率w大于wref时，亦能通过调整维持w稳定。

节点电压控制过程：当检测到电网节点电压U小于Uref时，经比例积分得到误差累计值，再减去有功变化对电压影响，得到增大的储能系统无功设定值Qset。Qset与储能系统输出QBESS差值的比例积分值，与电压、电流DQ变换值相加减，再经DQ反变换和PWM信号调制作用于晶闸管，触发晶闸管开断以增大储能系统无功输出，提升电压U至参考值Uref。当检测到电网节点电压U大于Uref时，亦能通过调整维持U稳定。

4 储能系统控制策略仿真

为验证储能系统控制策略能够有效地降低负荷波动，消除负荷“峰谷”现象，抑制新能源发电波动对系统的影响，设外界输电网为区域电网负荷输送功率是恒定的，由储能系统消除24 h负荷的变化，消纳新能源的功率波动。基于PSCAD/EMTDC平台搭建的仿真模型如图8所示。

图8 储能系统与波动负荷和新能源功率交互仿真模型

设定负荷功率曲线变化如图4所示，输电线路输送恒定功率28.5 MW，风力和光伏等新能源发电功率之和如图9所示，输电线路和新能源发电功率之和与负荷功率的差值为储能系统应发出的电功率。储能系统与波动负荷、新能源发电功率的交互功率输出如图9蓄电池储能系统(Battery Energy Storage System，BESS)所示。根据BESS控制策略，调整晶闸管触发脉冲，动态补偿区域电网用电高峰时系统缺少的有功功率，吸收用电低谷时富余功率，保持区域电网功率动态平衡，同时消除新能源电力波动对外界电网的影响。

图9 储能系统与区域电网动态综合仿真图

如图9所示，在每天的0 h～7 h、11 h～16 h和23 h～24 h时间内，外界输电线路与波动的风能和太阳能电源的输出功率之和，大于同时刻的负荷功率，此时将功率差值经控制系统作用于BESS的变流器，向蓄电池储能系统储存多余的有功功率。同样，每天7 h～11 h和16 h～23 h，电源功率之和小于同时刻的负荷功率，蓄电池储能系统向负荷补偿欠缺的有功功率。图9所示BESS充放电曲线仿真结果表明，BESS能够与新能源电源和波动负荷动态地交互有功功率，实现24 h的有功功率的平衡调度，解决了风能和太阳能等新能源电源和负荷的功率波动失衡问题。

5 结 论

本文首先根据某区域电网风力发电和光伏发电的特性，建立风力发电、光伏发电、波动负荷和储能系统数学模型，然后制定出适合储能系统与波动负荷和新能源发电的动态交互功率的控制策略，最后基于PSCAD/EMTDC平台搭建了仿真模型，通过仿真验证了提出控制策略的正确性。

蓄电池储能系统配合动态交互跟踪控制策略，能够消除“峰谷”差异对外界输电网的影响，可靠消纳新能源电力波动，显著降低了电力系统旋转备用容量，能够为电力企业带来可观的经济效益。

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Research on control strategy about new energy power generation and load fluctuation flexibility based on energy storage system interaction

WANG Jinxing1,LI Mingming2,LIU Qing1

(1.School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China；2.Three gorges new energy dalian power generation Co.,Ltd.,Dalian 116000，China)

In view of the phenomena of lower stability at the end of the transmission network with access to new energy, and based on the new energy power generation and load fluctuation characteristics of power grid in a region, the mathematical model comprised of wind power generation, photovoltaic power generation, fluctuating load and energy storage system is established and the dynamic interaction power control strategy is developed, suitable for energy storage system and fluctuating load and the new energy power generation. So much so, the conclusion is obtained that the energy storage system can suppress the new energy and load fluctuation through interactive power. Based on the results of PSCAD/EMTDC platform simulation, the proposed control strategy can reliably absorb the power fluctuation of the new energy power generation, effectively eliminate the influence of the "peak valley" difference on the transmission network, greatly reduce the power generation and transmission pressure at electricity peak, and significantly reduce the rotation reserve capacity of power system.

energy storage system; fluctuating load; new energy power generation; control strategy

2017-05-23。

王金星(1991—)，男，硕士研究生，主要研究方向为柔性交流输电、新能源发电与并网稳定性控制、电力系统储能。

TM61

A

2095-6843(2017)05-0387-05

(编辑陈银娥)