储能系统平抑间歇性能源功率波动的控制策略研究

王　超，陈　峦，2，赵　敏

（1．电子科技大学能源科学与工程学院，四川 成都611731；2．电子科技大学电力系统广域测量与控制四川省重点实验室，四川 成都611731）



储能系统平抑间歇性能源功率波动的控制策略研究

王超1，陈峦1，2，赵敏1

（1．电子科技大学能源科学与工程学院，四川 成都611731；2．电子科技大学电力系统广域测量与控制四川省重点实验室，四川 成都611731）

摘要：风光发电系统的随机性和间歇性特点将会对风光大规模并网造成不利影响。针对这一问题，提出了一种采用储能系统平抑风光输出功率波动的控制方法。建立了光伏发电单元、风机发电单元以及储能单元的数学模型。给出了风光储并网发电系统的最大功率跟踪控制和平抑控制策略，并且对控制原理和过程进行了详细分析。最终，通过仿真软件搭建了风光储并网发电系统的仿真平台，分别对加入储能平抑算法前后两种情况进行了仿真研究，仿真结果表明采用本文提出的平抑控制策略能够有效的减小输出功率的振荡幅度，提高系统稳定性。

关键词：风力发电；光伏发电；储能系统；功率平抑；蓄电池；运行控制

为了实现可持续发展，大力发展可再生能源具有重要现实意义。风和太阳能是可再生能源中发展潜力最大的两种能源，在2003年，全球装机风电和光伏发电容量为39 GW和2.798 GW，在2012年，全球累积装机容量已经达到283 GW和101 GW，前后分别增加了7倍和36倍左右[1，2]。中国也在积极发展风力和光伏发电，在2005年，两者的装机容量仅为1.1 GW和0.08 GW，而在2014年底，新的装机容量已经达到95.8 GW和28.1 GW，风电和光伏的装机容量分别增加了87倍和351倍[3，4]。

大规模的可再生能源的接入尽管能够有力的缓解能源危机和环境污染进一步恶化，然而由于风力发电和光伏发电对天气变化十分敏感，使其输出功率具有随机性和间歇性特点，大规模间歇性能源的接入将会引起并网输出功率波动程度较高，进而将会导致公共耦合点电压幅值和频率出现波动，严重影响电力系统稳定性[5，6]。针对这一问题，通常需要在系统中配置储能装置平抑系统输出功率波动，提高系统稳定性[7-9]。为此，本文建立了间歇性能源的数学模型和电气控制，通过加入储能系统来平抑间歇性能源的输出功率波动，最后通过仿真软件搭建了仿真模型，对加入储能系统前后两种情况进行了仿真研究。

1　系统结构与数学建模

1.1系统结构

图1给出了系统结构图。整个系统由三个部分组成，其中包括光伏发电单元、风力发电单元以及蓄电池储能系统，不同的单元内部包括各自的控制系统。

图1　风光储发电系统的结构

1.2光伏电池的数学模型

光伏电池的工程简化模型为：

式中，Uoc、Isc分别为开路电压和短路电流；Um、Im分别为峰值电压和电流；Sref、Tref分别为标准光照强度和温度。

1.3风力涡轮机数学模型

风力从风能吸收的功率可以表示为：

式中，ρ为空气密度；R为半径；V为风速；β为桨距角；λ为叶尖速比；Cp（λ，β）为风能利用系数。

1.4永磁同步电机的数学模型

采用q轴矢量定向，PMSM的定子电压方程在dq坐标系为：

式中，usdq、isdq分别为定子电压、电流dq分量；Rs为定子电阻；Ls为自感；ψ为磁链幅值。

1.5并网变换器的数学模型

以d轴进行定向，并网变换器的数学模型为：

式中：ugdq、vdq、sdq和idq分别为PCC电压、变换器端电压、开关函数以及电网电流的dq分量；ω为基波角频率；L为滤波电感；R为等效串联电阻；C为直流电容；udc为直流电压。

1.6蓄电池的数学模型

本文采用了锂离子蓄电池，其数学模型为：

式中，E0、E和V分别为电压常数、空载电压和端电压；Q为容量；i为电流；R为内阻；K、A和B分别为极化电压、指数电压和指数容量。

2　系统的控制策略

2.1光伏发电单元控制

图2给出了最大功率跟踪控制框图。将采集的电流和电压送入P&O模块生成占空比信号D，将其与载波比较得到驱动脉冲gpv.

图2　boost变换器的控制策略

图3给出了光伏后级变换器的控制结构，其主要作用将光伏输出直流电变为交流电传输给电网和负载，为了保证系统稳定，采用直流电压和电网电流双闭环控制。首先将与udc相减经过PI控制器得到，为了实现单位功率因数设置=0.将和分别与id和iq相减经过PI控制器进行调节，并且在输出信号中叠加补偿项△vd和△vq得到调制信号和.最终将合成的调制信号送入正弦脉宽调制模块得到驱动信号gpvb.

图3　后级变换器的控制结构

2.2风机发电单元控制

PMSG的后级变换器与光伏一致，控制方式也一致，因此不再赘述。在此重点分析电机侧变换器，其控制结构如图4所示。首先将风力机输出功率和转子转速送入MPPT模块得到转速指令，将ω*与ω相减经过比例积分控制器得到，为了实现励磁和转矩电流解耦，设置=0.将和分别与isd和isq相减经过PI控制器进行调节，为了消除耦合，加入补偿项△vsd和△vsq得到调制信号和.最终将合成的调制信号送入正弦脉宽调制模块得到驱动脉冲。

图4　PMSG电机侧变换器的控制结构

2.3蓄电池储能系统的控制

为了避免间歇性能源输出功率波动对并网点频率和电压幅值造成影响，本文采用储能系统来平抑输出功率波动。图5给出了储能系统的控制框图，下面阐述控制策略的基本原理。以d轴进行定向，在dq坐标系下，有功和无功分别为：

式中，Pb、Qb分别为储能系统有功和无功功率。

图5　储能系统的控制结构

通过（14）和（15）能够得到电流参考值为：

根据（16）和（17）可以看出，通过有功和无功生成电流指令实现电流闭环控制既可以实现功率控制。为了实现平抑风储输出功率的波动，首先需要获得风储输出功率的平均功率，得到：

根据（18）得到储能单元的有功功率参考值为：

式中，Pg为电网功率。

3　仿真验证

为了验证储能系统平抑效果的有效性，利用Matlab/Simulink仿真软件搭建系统的仿真模型，设置PMSG容量为25 kW，光伏发电单元容量为15 kW、储能系统容量为30 Ah.图6给出了平抑控制策略的仿真结果。从图中可以看出，风速和光照强度发生随机震荡，为了实现最大化的利用风能和太阳能，根据图6（a）和图6（c），图6（b）和图6（d）对比可以看出采用本文所研究的最大功率跟踪算法能够在风速和光照快速变化的情况下始终保证系统运行在最大功率点。由于PV和PMSG输出功率存在大幅度的波动，进而导致入网有功功率出现波动，如图6（e）所示。为了减小功率波动，采用本文研究的平抑算法，根据图6（f）能够得到平抑前后的电网功率比对仿真结果，从结果可以看出，加入储能单元之后，通过采用平抑算法能够大幅度减小有功功率振荡，提高系统稳定性。

图6 储能平抑间歇性能源功率波动的仿真结果

图7给出了平抑波动期间储能系统的仿真波形。储能系统吸收了一部分波动功率，减轻了间歇性能源输出功率波动对电网的影响。

图7　平抑功率波动期间储能系统的仿真波形

4　结束语

利用本文提出的储能平移功率波动方法，通过储能系统连续吞吐波动功率能够有效地减小间歇性能源输出功率对电力系统的影响，提高系统稳定性。本文提出的控制策略具有结构简单，控制算法复杂程度低，适用性强，具有一定的工程应用价值。

参考文献：

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中图分类号:TM614

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）04-0018-04

收稿日期：2016-01-26

作者简介：王超（1986-），男，山东菏泽人，在读硕士研究生，主要从事电力系统分析、运行及控制；陈峦（1973-），男，四川宜宾人，硕士，副教授，可再生能源、智能电网技术；赵敏（1985-），男，新疆昌吉人，硕士研究生，主要从事电力系统分析、运行及控制。

Study on the Control Strategy for Balancing Fluctuant Power of Intermittent Energy Based on Energy Storage

WANG Chao1，CHEN Luan1，2，ZHAO Min1
（1.School of Energy Science and Engineering，UESTC，Chengdu Sichuan 611731，China；2.The Power System Wide-area Measurement and Control Sichuan Provincial Key Laboratory，UESTC，Chengdu Sichuan 611731，China）

Abstract：The output power of wind and photovoltaic generation system is random and intermittent，and large scale integrated access will have adverse effects on the power grid.In order to solve this problem，a control method based on energy storage system is proposed for balancing fluctuant output power of wind and solar system. The mathematical model of photovoltaic power generation unit，wind power generation unit and energy storage unit is established.The maximum power tracking（MPPT）control and power fluctuant Smoothing control strategy are given for wind-photovoltaic-storage power generation system，and the control principle and process are analyzed in detail.Eventually，the simulation platform of wind-photovoltaic-storage power generation system is built by simulation software，and the simulation research is carried out for adding energy storage and without energy storage respectively.The simulation results show that the proposed control strategy can effectively reduce the amplitude of output power and improve the system stability.

Key words：wind power generation；photovoltaic generation；energy storage system；coordinated control；battery；operation and control