复杂电磁环境下分布式储能输出功率波动智能切换方法

2022-11-08李志雷陈洪亮韩松原范中华乔会杰

电气自动化 2022年3期

李志雷，陈洪亮，韩松原，范中华，乔会杰

(1.国网雄安新区供电公司，河北保定 071000；2. 平高集团有限公司，河南平顶山 467000)

0 引言

分布式储能输出功率波动智能切换是分布式储能系统安全运行的必要前提，也是保证其可靠性的重要条件。根据分布式储能系统输出功率波动切换前后的控制模式差异，可以将功率波动切换方法分为单模式切换和双模式切换，前者是以电压源的方式来工作运行；后者是在电压源模式下，实现分布式储能系统功率的合理分配[1]。分布式储能系统在发电方面具有利用率高以及建设周期短的优势，尤其是在能源使用高峰阶段，分布式储能系统更经济[2-3]。

为了减少分布式储能系统对能源产生的不利影响，学者们开始研究分布式储能输出功率波动的切换。文献[4]分析了只采用超级电容器或蓄电池组来弥补平抑风力发电输出功率的不足，构建了一套混合储能系统，并提出了一种利用平抑风力发电输出功率控制方法，综合考虑了电网在调度过程中的需求，仿真分析得到该方法可以很好地平抑风力发电系统的输出功率。文献[5]将储能与桨距角协调控制应用到风电功率波动平抑中，采用滑动平均值算法得到风电功率输出的期望值，实现对风电功率波动平抑的滤波处理，仿真结果显示该方法具有良好的平抑效果。

基于以上背景，本文在复杂电磁环境下，设计了一种分布式储能输出功率波动的切换方法，缩小了分布式储能输出功率波动的误差，对实际分布式储能输出功率波动智能切换方法意义重大。

1 分布式储能输出功率波动智能切换方法设计

1.1 控制分布式储能输出功率波动的变参数斜率

切换分布式储能输出功率波动的目的是使分布式储能输出功率的波动频率小于系统的额定值[6]。在T时间段内，分布式储能系统输出功率的波动率δ(t)可以定义为：

(1)

式中：Pmax为在T时间段内分布式储能系统输出功率的最大值；Pmin为在T时间段内分布式储能系统输出功率的最小值；Pt为分布式储能系统的容量。

为了使分布式储能系统输出功率的波动率δ(t)在规定值内，根据相邻采样点分布式储能输出功率的时间变化率来控制其输入和输出功率。

分布式储能输出功率的时间变化率可以被定义为：

(2)

式中:P(t)为分布式储能系统的输出功率；t为分布式储能输出功率所用时间;Δt为分布式储能输出功率所用恒定时间。假设PPV(t)为在t时刻分布式储能系统的原始输出功率。通过分布式储能系统在t时刻的功率Pbess(t)经过平滑处理后的t时刻输出功率记作Pbybtrid(t)，具体表示为：

Pbybtrid(t)=PPV(t)+Pbess(t)

(3)

基于以上过程，可以推导出分布式储能系统在单位时间内，允许的输出功率时间变化率(k)。k可以表示为：

(4)

式中:δc为分布式储能系统在T时间段内允许的输出功率波动率阈值；Ptδc为在T时间段内允许的波动功率。

1.2 设计分布式储能输出功率分配算法

分布式储能系统的使用寿命与输出功率和输入功率的大小密切相关[7]。因此，降低系统输出功率大小是改变分布式储能系统滤波常数的主要目的[8]。定义分布式储能系统的损耗系数为C(t)，将其表示为：

(5)

式中:Smax为分布式储能系统最大功率；Sstart和Send分别为分布式储能系统开始运行和结束运行时的功率。当Pb(t)≥0时，说明分布式储能系统处于功率输入状态；当Pb(t)<0时，说明分布式储能系统处于功率输出状态。

以分布式储能系统损耗系数C(t)为依据，可以得到分布式储能输出功率分配算法的基准滤波时间常数为：

(6)

结合分布式储能输出功率波动的变参数斜率控制策略，在复杂电磁环境下，设计了分布式储能输出功率分配算法实现步骤。具体如下：

步骤一：根据分布式储能输出功率波动的变参数斜率控制策略，确定分布式储能系统波动目标功率，得到分布式储能系统的数据。

步骤二：将上一个时刻分布式储能系统与规定的功率状态最大值与最小值作比较。

步骤三：判断分布式储能系统当前的工作状态是否满足约束条件，完成分布式储能输出功率分配算法。

1.3 切换分布式储能输出功率波动

在分布式储能输出功率波动切换中，使一部分储能站工作在逆变状态下，另一部分工作在正常状态下，保证分布式储能系统的稳定运行。当分布式储能系统稳定运行时，忽略工作线路受到阻抗而引起的能量损耗和压降现象时的速度。此时需要满足以下关系：

(7)

V1=V2=…=VN

(8)

式中:Pi为分布式储能系统稳定运行能量损耗；V1、V2和VN均为分布式储能系统稳定运行压降现象时的对应速度。其中：

(9)

式中:Pimin和Pimax分别为分布式储能系统稳定运行能量最小损耗和最大损耗；Vimin和Vimax分别为分布式储能系统稳定运行压降现象时的对应最小速度和最大速度。通过分布式储能系统输出功率波动的切换流程，来实现分布式储能输出功率波动的智能切换。分布式储能输出功率波动切换流程如图1所示。

图1 分布式储能输出功率波动切换流程图

图1中：A、B分别为定值流电压控制模式和下垂控制模式的个数；M为下垂控制模式中特定数量。在复杂电磁环境下，控制了分布式储能输出功率波动的变参数斜率，通过设计分布式储能输出功率分配算法，实现了分布式储能输出功率波动的切换。

2 试验结果分析

2.1 试验过程

为了验证复杂电磁环境下分布式储能输出功率波动智能切换方法的有效性，试验测试分为孤岛到并网切换和并网到孤岛切换两个部分。

孤岛到并网的切换过程为：

步骤一：先检测分布式储能系统是否正常运行，在系统正常工作状态下，当储能站和分布式储能系统同步时，将合闸开关切换到分布式储能系统一侧。

步骤二：根据分布式储能系统中输出频率与电压之间的前后变化信号，储能站可以利用分布式储能输出功率分配算法自动输出合适的电压频率，从而保证分布式储能系统与输出频率之间的稳定性。

相反，并网到孤岛的切换过程如下：

步骤一：检测分布式储能系统是否正常运行，在分布式储能系统出现运行异常时，将合闸开关切换到储能站一侧。

步骤二：根据分布式储能系统中输出频率与电压之间的前后变化信号，储能站利用分布式储能输出功率分配算法输出合适的有功功率和无功功率，保证分布式储能系统有功功率和无功功率的稳定性。能量调度等级是依据分布式储能输出功率的波动所需要调度的工况级别，其中调度强度越小，等级强度越低；调度强度越大，等级越高；等级按大小划分为1～7级。

2.2 测试孤岛到并网切换模式下功率波动误差

基于上述孤岛到并网的切换过程，测试了复杂电磁环境下分布式储能输出功率波动智能切换方法、文献[4]切换方法以及文献[5]切换方法，在分布式储能输出功率波动方面的误差情况，测试结果如图2所示。

图2 分布式储能输出功率波动误差情况

由图2可知:分布式储能系统在孤岛到并网切换模式下，复杂电磁环境下的切换方法可以控制分布式储能输出功率波动与系统的实际功率波动基本符合，减小了分布式储能输出功率的波动误差，文献[4]切换方法和文献[5]切换方法仍然存在一定误差。对比三种切换方法可得，复杂电磁环境下的切换方法可以缩小孤岛到并网切换模式下的分布式储能输出功率波动误差。

2.3 测试并网到孤岛切换模式下功率波动误差

分别采用复杂电磁环境下分布式储能输出功率波动智能切换方法、文献[4]切换方法以及文献[5]切换方法在并网到孤岛切换模式下的输出功率波动误差情况，测试结果如图3所示。

由图3可知:在并网到孤岛模式下，随着能量调度等级的变化，文献[4]切换方法以及文献[5]切换方法测试得到的分布式储能输出功率波动都偏离了系统的实功率输出值，而复杂电磁环境下的切换方法测试得到的输出功率波动虽然与实际输出功率值也存在误差，但是误差值非常小。由此可知，复杂电磁环境下的切换方法可以缩小并网到孤岛模式下分布式储能输出功率波动误差。