基于多场景的光储系统仿真研究

张雅雯, 周献远, 戚 萍,3, 周 斌

(1.安徽电气工程职业技术学院, 安徽 合肥 230051；2.国网安徽省电力有限公司超高压分公司, 安徽 合肥 231131；3.国网安徽省电力有限公司培训中心, 安徽 合肥 230022)

0 引言

为实现“碳达峰”和“碳中和”目的，可再生能源(如风电、光伏)在能源体系中所占的比例将会持续升高[1,2]。由于可再生能源机组的出力具有波动性、不确定性和间歇性，在光伏并网发电系统中，储能系统将扮演着重要角色。储能系统的接入可以实现能量双向互动，平抑、稳定风能、光伏等间歇式分布式电源的输出功率，提高电网容纳分布式电源的能力。配置储能装置不仅缓解调峰和供电压力，还能获取高峰负荷收益，有效提高分布式电源发电的可控性和可调度性[3,4]。

正常工作状态下的负载所需电能可由光伏电池、储能装置系统与电网提供，由于负载具有动态实时性，光伏输出具有随机性，因此需要考虑多场景供电模式，从而使整个系统更加安全可靠、优质高效。在并网状态下，本文根据电源的工作状态，将光储系统分为多个场景，搭建了含光伏、储能接入电力系统的模型，制定相应能量控制策略。最后，通过仿真算例验证了所提出控制策略的有效性。

1 系统建模

1.1 光伏电池阵列建模

光照强度和温度的不同影响光伏阵列的输出，根据伏特效应，光照射在光伏电池表面可以产生电流和电压。光伏电池等效数学模型如下：

(1)

(2)

(3)

式中:Um、Im、UOC、ISC依次是最大功率点处的电压、最大功率点处的电流、开路电压与短路电流。

1.2 锂电池建模

储能电池包含充、放电两种进程，在进程中，电池内部的电解液扮演者非常重要的角色，其输出电压不是恒定不变的。储能电池等效电路如图1所示。

图1 储能电池的等效电路图

Eb为理想直流电压源，r为等效内阻，输出电压的表达式为Ub=Eb-Ib·r，Eb的表达式如下：

(4)

其中，E0为储能电池的恒定电压；K为极化电压；Q为储能电池的容量；A为指数增益电压；B为时间增益容量。

1.3 控制系统建模

本文基于RTDS的小步长模型和大步长模型构建了光储并网的系统仿真测试平台，大、小步长的仿真模型通过RSCAD软件中的基于ITM理想变压器算法的接口模块来实现同步。一次系统图包括光伏电池、锂电池、逆变器、架空线、变压器及外接电力系统等，锂电池组通过双向换流器与交流母线相连，并在RSCAD的运行仿真模块内组成该闭环测试平台的相应操作系统模型，有利于在仿真运行的时候更好观察和控制系统，控制系统模型界面如图2所示[5]。

图2 光储控制系统模型界面

2 并网模式下光储的场景分析

2.1 光储系统控制原理

正常工作状态下的负载所需电能可由光伏电池、储能装置系统与电网提供，由于负载具有动态实时性、光伏输出功率具有随机性，因此需要考虑多场景供电模式，从而使整个系统更加安全可靠、优质高效。含锂电池光伏发电系统多场景控制如图3所示[6，7]。

图3 含锂电池的光伏发电系统多场景控制框图

抓取光伏发电系统电压upv与电流ipv，将它们通过简单计算得到所需功率Ppv，同理可以得到Pbat，紧接着对工作状态判断后，手动设定峰谷时间段，经过系统的通信系统获知SOC的状态。

2.2 并网运行状态的工作模式

在选择电源供电时，应该遵守如下原则：

在负荷高峰期，不允许电网对储能电池进行充电，在负荷处于峰谷时段，储能电池所需电能由电网富余电能来提供；针对光伏发电系统发出的多余电能，设置供电优先级，先提供给储能装置，充满之后再提供给负载。因此，把并网运行的工作模式分为9种，如表1所示。

表1 光储并网运行工作模式

3 算例分析

本文基于RTDS仿真平台搭建了300 kW的三相含储能的光伏发电系统的仿真模型，系统主要包括光伏电池模型、锂电池储能模型、换流器电路、滤波器、电网、负载和控制器等。光伏最大输出功率Pm为5 kW，储能电池最大输出功率Pbat为10 kW。仿真中负载使用阻性线性负载，储能所使用的参数包括：容量20 Ah，电压300 V，SOC范围为20%～95%，从中选取三种模式进行仿真分析。

3.1 典型工作模式一

设PL为1 kW，储能电池容量为50%。由于光伏输出功率小于负载所需功率，因此，起始阶段时，负荷所需功率是电网来提供的。当时间到0.065 s左右时，光伏输出功率为1 kW，储能装置进入充电状态，时间到0.215 s时光伏发电系统的输出功率达到最大即5 kW光伏系统的输出功率如图4所示。

图4 光伏发电系统的输出功率波形图

3.2 典型工作模式二

若PL为10 kW,SOC为80%，5 kW需要有储能来提供。在初始的时间段内，负载所需的功率由电网来提供一部分，时间到达0.065 s时功率的值从0很快上升至9.1 kW左右，时间至0.215 s时稳定在5 kW左右，此时可满足负载的需求，如图5所示。

图5 储能装置系统的输出功率波形图

3.3 典型工作模式三

若PL为11 kW，Pbat为10 kW，无光照，单独的储能装置尚且满足不了负载的所需电能时，此时由电网供给部分电能，功率为10 kW，当时间到达0.08 s左右时，储能到达平稳状态，此时电网功率下降至1 kW且处于平稳的状态值。电网输出功率波形如图6所示。

图6 电网输出功率波形

4 结论

由于可再生能源机组的出力具有波动性、不确定性和间歇性，在光伏并网发电系统中，储能系统扮演着重要角色。为促进储能的推广应用，充分挖掘其在电网中的潜在应用场景，对基于RTDS平台的多场景光储系统展开研究。在并网状态下，根据电源工作状态，将光储系统分为多个场景，搭建了含光伏、储能接入电力系统的模型，制定相应能量控制策略。最后，通过仿真算例验证了所提出控制策略的有效性。