储能电池实现风光储微电网灵活安全运行的仿真研究

贾伟青，陈俊清，赵 耀，梁晓莉，任永峰*

(1. 内蒙古工业大学能源与动力工程学院，呼和浩特 010051；2. 北京天润新能投资有限公司，北京 100029)

0 引言

近年来，面对日趋严重的能源危机和环境污染问题，全球能源结构逐步由传统能源向可再生能源转移。风能和太阳能作为可再生能源代表，得到了大规模的开发与利用，但二者出力的随机波动性限制了部分地区的风、光消纳水平，导致出现了较严重的弃风、弃光问题[1]。微电网可将各类分布式电源、储能装置进行有效集成，组成源-网-荷-储一体化运行系统，以提高可再生能源的利用率。但目前我国的微电网发展仍处于研发示范阶段，储能技术在微电网项目中的应用依然有所欠缺。因此，研究储能技术在微电网中的灵活应用对于促进微电网向商业化成熟阶段过渡具有重要意义。

目前，应用于可再生能源微电网中的能量存储方式主要包括化学储能[2](如储氢)、电化学储能[3](如锂离子电池、液流电池、铅酸电池)、电磁储能[4](如超导磁、超级电容储能)、机械储能[5](如飞轮储能、抽水蓄能、压缩空气储能)等。其中，与其他形式的储能技术相比，电化学储能以电池作为能量存储的载体，具有安装速度快、运行成本低、对干扰的响应速度快、空间要求低的优点，近年来受到广泛关注。

学术界和工业界对储能电池在可再生能源微电网等各种场合的应用进行了大量研究。文献[6]考虑了负荷响应并建立了源-储-荷相协调的分布式互动优化模型，通过典型孤岛微电网的算例仿真验证了该模式下可再生能源可得到充分利用，负荷追随可再生能源出力，实现了多目标协同优化；文献[7]分析了风力发电与光伏发电之间的互补性，并指出利用这种互补性搭配储能电池可减少由于风、光的间歇性造成的输电容量需求；文献[8]建立了一个结合风能、太阳能和潮汐能的数据驱动模型，使用储能电池来平滑和调整间歇性可再生能源发电，以匹配负荷变化(扰动)，从而可经济有效地配置储能与可再生能源规模。综上所述，与负荷需求响应相结合的储能控制策略在考虑分布式电源灵活性调控的同时，又考虑了储能容量的充裕度，有助于对微电网进行有效控制和能量管理。因此，合理安排微电网中的可再生能源出力、制定高效的能源管理方式，以及协调源-网-储出力的控制策略是实现微电网优势最大化的重要研究方向。

本文在考虑风光互补特性及储能电池系统具有维稳能力的基础上，根据风电机组、光伏发电系统和储能电池系统的数学模型，构建了源-网-荷-储一体化的风光储微电网(下文简称“微电网”)，并提出了微电网分别在并网和孤岛运行模式下跟随负荷需求响应的储能控制策略；然后在MATLAB/Simulink 中搭建了该微电网的仿真模型，通过导入实测风速和太阳辐照度数据验证了所提控制策略的有效性。

1 微电网分析

1.1 微电网的结构

应根据不同区域的能源需求合理构建微电网，将其内部的分布式电源、储能系统及负荷作为整体进行协同管理，可实现各子系统之间的协调规划、运行优化和交互响应，从而有效提高可再生能源利用率和能源利用成本。本文参考某园区的负荷需求，建立了可再生能源渗透率达100%的风光储微电网模型。该微电网由2 MW直驱永磁同步风电机组、1 MW 光伏发电系统和500 kWh 储能电池系统构成，其结构图如图1 所示。其中，PMSG 为直驱永磁同步风力发电机；nvp、nvs分别为储能电池并联与串联的个数；Ls为串联电抗；Rs为串联电阻。

微电网内的最佳配置应为可以满足用户的最终需求且成本最低的配置，以便更好地满足当地能源需求的可变性，实现当地可再生能源的最佳利用。本文中微电网的功率平衡关系可表示为：

式中，Pg(t)为t 时刻配电网与微电网交换的有功功率；PW(t)为t 时刻风电机组输出的有功功率；PPV(t)为t 时刻光伏发电系统输出的有功功率；PBESS(t)为t 时刻储能电池系统充/放电的有功功率；PL(t)为t 时刻负荷需求的有功功率。

1.2 储能电池系统的数学模型

储能电池系统的充/放电功率根据风电机组、光伏发电系统和负荷需求之间的功率变化进行实时调整。微电网中t 时刻n 个分布式电源输出的有功功率与负荷需求的有功功率之间的差值ΔP(t)可表示为：

式中，Pm(t)为t 时刻微电网内第m 个分布式电源输出的有功功率。

ΔP(t)的大小决定了储能电池系统的运行情况。当ΔP(t)＞0 时，微电网中的能量管理系统将根据当前储能电池的荷电状态(SOC)决定是否向储能电池充电；当ΔP(t)＜0 时，能量管理系统将根据当前储能电池的SOC 决定储能电池是否放电。

t 时刻储能电池系统中储能电池的充、放电SOC 可表示为：

式中，Δt 为储能电池充/放电持续时间；ηc和ηd分别为储能电池系统的充电效率和放电效率；EBESS(t-1)为(t-1)时刻储能电池的剩余容量。

储能电池的成本和寿命取决于其充、放电的次数，为了防止储能电池进入过充、过放区域，控制储能电池系统SOC，使其在规定的SOC 上限和下限内运行，如式(4)所示，可以确保电池在较长时间内保持良好状态，提高储能电池的使用寿命。

式中，SOCul为SOC 的上限，此处取0.8；SOCll为SOC 的下限，此处取0.2。

2 微电网的运行控制策略

2.1 并网和孤岛模式的系统控制

能量管理系统控制微电网的运行，并对微电网内部的分布式电源和储能电池系统的电力进行合理分配。

在并网运行模式下，风电和光伏发电优先供给负荷，当其供应的电力无法满足负荷需求时，会根据储能电池系统的SOC 来决定是利用配电网还是利用储能电池来为负荷进行电力补给；当风电和光伏发电供给负荷后还有剩余时，也将根据储能电池系统的SOC 来决定是向配电网进行售电还是向储能电池充电。

在孤岛运行模式下，微电网的电力供应主要由风电、光伏发电及储能电池系统提供，整个微电网的出力需满足对负荷需求变化的实时跟随，通常此运行模式下对储能电池系统的需求较大。

2.2 储能电池系统的能量管理

能量管理系统以负荷需求、分布式电源发电量和储能电池SOC 作为输入，对信息进行处理，并生成信号，控制储能电池系统的运行。其控制方式主要存在以下3 种情况。

1)若分布式电源发电量与负荷需求的差值为正值，且储能电池未完全充电时，控制系统将调用充电操作；剩余电量将分配到所有储能电池中，直到储能电池充电到SOC 上限。当储能电池充电至SOC 上限后，若此时微电网处于并网运行模式，则剩余电量将出售给配电网；若微电网处于孤岛运行模式，则控制系统将调用发电限功率操作。

2) 若分布式电源发电量与负荷需求相等时，则不需要储能电池系统动作，其将从微电网中断开。

3)若分布式电源发电量与负荷需求的差值为负值且储能电池未完全放电至SOC 下限时，控制系统将调用放电操作。当储能电池完全放电到SOC 下限后，若此时微电网处于并网运行模式，则剩余所需电力由配电网供给；若微电网处于孤岛运行模式，则控制系统将调用减载操作。

3 复杂运行环境的模拟与仿真

在风电机组、光伏发电系统和储能电池系统数学模型的基础上，利用仿真软件MATLAB/Simulink 建立微电网的仿真模型。在模拟场景中，采用某典型日08:00～16:00 的实测风速和太阳辐照度数据实时进行仿真，通过改变负荷需求，对上述各子系统的功率特性进行仿真分析，观察在并网运行工况和孤岛运行负载阶跃工况下微电网对负荷需求的响应情况。

3.1 微电网并网运行工况仿真

微电网并网运行时，接入的配电网为其提供电压支撑。在此工况下，风电机组和光伏发电系统优先为微电网中的负荷提供功率支撑，过剩功率馈入电网，而不足功率由储能电池系统或配电网补给。仿真模型接入0.6 MW 有功负载和0.3 MVar 感性无功负载，微电网的三相电压及其子系统的三相电流变化情况如图2 所示。其中，Ig为配电网电流；IW为风电机组的电流；IL为负荷的电流；UPCC为微电网的电压。

微电网中各子系统的无功功率与有功功率情况如图3 所示。在关联参考方向(电流、电压为同方向)下，若功率的数值为正，则为系统需求功率；若功率的数值为负，则为系统输出功率。图3 中Qg为配电网与微电网交换的无功功率；QW为风电机组输出的无功功率；QPV为光伏发电系统输出的无功功率；QL为负荷需求的无功功率。

结合图2 和图3 可以看出，UPCC在运行过程中保持稳定。负荷需求的有功功率PL约为0.6 MW，无功功率QL约为0.3 MVar；风电机组按照风速变化输出有功功率PW，其IW的幅值变化与其有功功率曲线的变化趋势一致；光伏发电系统根据太阳辐照度的变化输出有功功率PPV；由于风电机组和光伏发电系统输出的有功功率之和大于负荷需求的有功功率，因此剩余的有功功率会全部馈入配电网，负荷需求的无功功率由配电网提供。由配电网功率特性曲线可以看出，馈入配电网的有功功率Pg跟随微电网的总功率的变化而变化，输出的无功功率Qg约为0.3 MVar，符合功率平衡条件，保证了微电网的灵活稳定运行。

3.2 微电网孤岛运行负载阶跃工况仿真

微电网为孤岛运行模式时，储能电池系统通过逆变器为微电网提供电压支撑，仿真模型接入0.6 MW 有功负载和0.3 MVar 感性无功负载；微电网由08:00 运行至12:00 时，负荷需求的有功功率阶跃增至1.5 MW，微电网内子系统的响应特性曲线如图4 所示。储能电池系统的响应特性曲线如图5 所示，其中，PESS、QESS分别为储能逆变器的有功功率和无功功率；IESS为储能逆变器的电流；UB为储能电池充电电压；IB为储能电池充电电流。

由于微电网的电压UPCC是由储能电池经过逆变器提供，结合图4 和图5 可以看出，在微电网运行过程中，其电压保持稳定状态。风电机组按照风速变化输出有功功率，光伏发电系统根据太阳辐照度的变化输出有功功率，这与并网状态下相似；风电机组和光伏发电系统输出的有功功率大于负荷需求的有功功率，因此，储能电池系统处于充电状态，储能逆变器为负荷提供0.3 MVar 的无功功率。储能电池充电电流随风电机组有功功率的波动而变化。在t=12:00之后，随着负荷功率需求的增加，储能电池系统跟随负荷的需求而响应，负荷变化前、后储能电池需求功率的阶跃变化导致了储能电池充电电流的阶跃变换，储能电池的充电电压随其充电电流减小出现阶跃式降低，储能电池SOC曲线增长速度变缓，显示其充电速度降低，验证了储能控制策略的有效性。

4 结论

本文对包含有2 MW 风电机组、1 MW 光伏发电系统和500 kWh 储能电池系统的风光储微电网系统进行了分析，并给出了微电网在并网和孤岛运行状态下能量管理系统跟随负荷需求响应控制储能电池系统出力的控制策略；在MATLAB/Simulink 环境下模拟分析了微电网子系统在并网运行工况和孤岛运行负载阶跃工况下的响应特性。结果表明，本文所提出的控制策略能够维持微电网的功率平衡，实现风光储微电网的灵活、安全运行。