DESS在风光互补发电系统中的控制与仿真

雷永强

（内蒙古国电能源投资有限公司电力工程技术院，呼和浩特 010080）

风力、光伏发电是目前新能源发电的代表，受到了专家学者们的广泛关注。然而，由于风能、太阳能资源具有间歇性和随机性，严重影响了风、光发电系统的电能质量。当前的解决办法就是采用风光互补和引入储能系统[1-2]。

储能技术的应用形式包括分布式储能和集中式储能，集中式储能系统一般连接在系统交流母线，容量大、集中安装与控制，用以维持系统整体的功率、电压稳定[3-4]。规模性的集中储能在工程中实现困难、存在传输损耗。连接在风/光发电系统的直流母线或负荷侧，容量相对较小的储能装置称为分布式储能。这种储能装置控制简单、传输损耗小、可节省电能传输通道[5-7]。

本文在独立风/光互补发电系统中，引入分布式储能系统（Distributed Storage Energy System，DESS），设计了储能控制器，采用电压外环-电流内环的控制策略，控制DESS与系统直流母线的能量交换；最后实现了平抑直流母线电压、维持交流负荷侧电压和功率稳定的目的。

1 风光互补系统结构

风/光互补发电系统中，风力发电机组经过不控整流输出端与光伏系统升压输出端均连接到直流母线，然后通过逆变器供给交流负荷，在风电和光伏系统直流母线上分别接入DESS。系统结构如图1所示。

图1 风/光互补发电系统结构框图Fig. 1 Framework of wind/photovoltaic power system

DESS与风电、光伏系统分别共用一套逆变器，可降低成本；缓减甚至避免电源侧功率、电压的波动对系统的输入干扰；DESS 在风光资源充足时吸收电能，风光资源欠缺时向系统释放电能，从系统直流侧维持电压和功率稳定，减小逆变器的控制复杂度。

2 DESS的模型及控制策略

储能系统模型分为充电和放电两个状态，文中以蓄电池为例进行介绍。由于蓄电池的工作电压低于系统直流母线的电压，采用Buck-boost斩波器实现调压[8-11]。

2.1 充电状态

风力充足时，斩波器运行于降压斩波（Buck）状态，蓄电池从系统吸收电能。

如图2所示，在Buck-boost电路中，Ta1和Ta2为上下两个桥臂。当斩波器运行于降压斩波模式时，上桥臂Ta1导通，下桥臂Ta2截止，C为滤波电容，其端电压为直流侧母线电压Vdc。在放电时，蓄电池由电容C、上桥臂Ta1、电感La和VB形成通路。蓄电池端电压为VB。当直流侧电压高于蓄电池端电压VB时，电感La吸收直流侧电容能量，并向蓄电池充电。当Ta1关断时，La储存的能量可继续向蓄电池充电，进行续流。

图2 储能装置充电状态Fig. 2 Charging status of energy storage device

2.2 放电状态

当风力、光照不足时，系统中电源出力减少或停机，蓄电池放电向负荷供电。

如图3所示，斩波器处于升压斩波状态（Boost），上桥臂Ta1截止，下桥臂导通Ta2。与充电状态相比，电感电流方向相反，幅值为ia1。当Ta2导通时，电感与蓄电池形成回路，蓄电池释放的电能暂时存储在电感中，当Ta2关断时，经Ta1的并联二极管，将电感存储的电能输送至电容C，直流侧母线电压升高，蓄电池向系统放电[12-15]。

图3 储能装置放电状态Fig. 3 Discharging status of energy storage device

2.3 控制策略

如图4为DESS控制器的原理框图。采用电压外环、电流内环的控制方法[16-20]。电压外环的作用是维持系统直流侧电压稳定，将电压参考值V*dc与检测到的直流母线实际电压Vdc作比较，产生的偏差信号经过PI调节，作为电流内环的参考值，电流环输出信号经调制产生的PWM脉冲信号用来调节斩波器输出电压，控制储能装置的充、放电电流，进而控制储能装置输出或吸收功率[21-23]。

图4 分布式储能控制器原理Fig. 4 The principle of DS controller

3 仿真与分析

系统采用额定20 kW永磁同步发电机，输出额定700 V交流电压；光伏发电系统额定功率10 kW，输出端额定电压320 V，经升压斩波电路（Boost）升压到700 V，DESS（采用蓄电池组），经Buck-Boost电路与直流母线连接，直流母线稳压电容为3 000 μm，系统负荷为10 kW恒定负载。建立基于MATLAB/Simulink的风/光互补发电系统的仿真模型，如图5所示。仿真时间取2.4 s。

3.1 无储能时风/光发电系统仿真结果

从图6中看出，0～0.6 s，2.2～2.4 s，风速在额定值附近，风力发电机组出力稳定，直流母线电压为额定电压700 V；0.6～2.2 s风速低于额定值，且不同时间段内平均风速不断变化，风电机组直流母线电压波动明显，在1.2～1.5 s，直流母线电压跌落到420 V。

图5 风光互补发电系统仿真模型Fig. 5 Simulation model of wind/photovoltaic power system

图6 无储能装置时风力发电机侧直流母线电压Fig. 6 Voltage of wind system DC bus without energy storage unit

对于光伏发电系统在最大功率跟踪状态下，系统端口直流电压随着光照强度的增加而升高，到中午1.2～1.5 s，光照达到额定光照强度，此时光伏系统直流母线电压为700 V，如图7所示。

图7 无储能装置时光伏系统侧直流母线电压Fig. 7 Voltage of photovoltaic system DC bus without energy storage unit

未安装分布式储能时，系统负荷侧功率波动如图8所示。0～0.6 s，风力发电机组额定运行，系统所发出的功率稳定。在0.6～2.0 s，风速基本低于额定风速，负荷侧的功率主要受光伏发电的影响，波动明显。2.0～2.4 s期间，光伏系统出力为零，2.0 s时刻，由于风速突降，负荷功率迅速下降。

图8 无储能装置时负荷吸收的功率Fig. 8 Power of load without energy storage unit

3.2 有储能装置时的仿真结果

在风电机组整流侧和光伏系统直流母线处接入DESS，在储能控制器的控制下，当风光不足时储能系统放电，风光充足时储能系统充电，有效平抑了直流母线的电压波动，并将直流母线电压维持在700 V。仿真结果如图9所示。

在风/光互补发电系统中，DESS承担风力不足和无光照情况下为负荷供电的任务，在电源发电大于负荷时，须保证储能装置满充。

系统逆变器控制采用正弦脉宽调制技术（SPWM），逆变后负荷侧三相电压波形如图10所示。

图10（a）中逆变器输出交流电压额定相电压有效值为310 V，较为稳定。系统负荷侧功率如图10（b）所示。

图9 有储能装置时风/光伏发电系统直流侧电压Fig. 9 Voltage of wind/photovoltaic system DC bus with energy storage unit

图10 有储能装置时负荷侧三相电压和有功功率Fig. 10 Voltage and power of load with energy storage unit

从图10可以看出，采用DESS可以保证负荷侧三相交流电压和负荷供电的的稳定性。仿真表明，在合理配置储能容量前提下，通过储能控制器的有效控制，DESS可以从直流侧平抑间歇电源的电压和功率波动，减小逆变器的控制难度，提高负荷侧的电能质量，确保系统稳定运行和负荷的可靠供电。

4 结论

本文在风/光互补发电系统引入DESS，通过储能控制器的有效控制，有效平抑了风力、光伏发电系统直流母线电压波动，保证了交流侧负荷的电压和功率稳定。结果表明，在储能控制器的控制下，DESS可以有效维持风/光互补发电系统的电压、功率稳定，保证良好的电能质量。

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