储能系统对间歇式新能源电站并网特性的影响分析

王湘艳，张磊，杨立滨，赵大伟，刘艳章

（1.中国电力科学研究院，江苏南京 210003；2.青海省光伏发电并网技术重点实验室，青海西宁 810000）

储能系统对间歇式新能源电站并网特性的影响分析

王湘艳1，张磊1，杨立滨2，赵大伟1，刘艳章1

（1.中国电力科学研究院，江苏南京 210003；2.青海省光伏发电并网技术重点实验室，青海西宁 810000）

针对风电和光伏为代表的新能源电站有功出力波动给电网安全稳定带来的不利影响，给出了利用储能系统平滑间歇式电源有功出力的解决方案，并基于DIgSILENT PowerFactory，建立风光储混合新能源电站模型，对其并网运行特性进行研究。结果表明，储能系统可有效平抑风光联合出力的波动，提升有功功率的可控性，改善电能品质，且对于新能源电站低电压穿越能力的提升具有积极意义。

储能系统；并网特性；DIgSILENT PowerFactory；新能源电站；间歇式新能源发电

风能、太阳能等资源的随机性与间歇性造成了风电和光伏有功功率频繁的波动，进而使得以风电和光伏为代表的新能源电站出力可靠性偏低。如果新能源电源出力在电力系统中的比重过大，将会给电网的调峰调频带来压力[1]。储能系统的引入是一种有效平抑新能源电站出力波动的解决方案[2-3]。储能系统与新能源电源的协调，不仅可以降低新能源电站出力不确定性对电力系统的影响，保障电力供应的可信度，还能降低电力系统的备用容量，提高系统运行经济性和对新能源的消纳能力[4-6]。

目前，对包含储能系统的间歇式新能源电站的研究主要集中在能量管理和储能技术应用2个方面，前者研究如何调节风、光、储三者的功率输出，实现跟踪电网下达的调度指令，将风能和太阳能转化为高质量的电力输出[7-10]；后者主要针对不同控制模式下储能系统的控制策略问题，以及利用储能系统平抑风电、光伏发电出力的波动，提高电网对新能源的接纳能力[11-15]。

本文针对新能源电站有功出力波动给电网安全稳定带来的不利影响，给出利用储能系统平滑间歇式电源有功出力的协调控制策略，然后基于DIgSILENT PowerFactory，建立风光储混合新能源电站的模型，对其并网运行特性进行分析。

1 模型框架

目前，风光储混合新能源电站的建模主要有直接建模和间接组合建模2种[16-17]，前者属非机理建模，将混合新能源电站作为一个整体考虑，只对其输入/输出特性进行描述，无法反映电站装置间的物理结构，模型参数也难以辨识；后者是先将系统按照物理结构进行划分，然后根据每个部分的运行特性建立其机制模型，并通过数据接口连接，形成总体模型，该方式不但可以反映风光储混合新能源电站整体及每个部分的运行特性，而且拥有良好的拓展Power能源电站进行建模。其模型框架如图1所示。

图1 风光储混合新能源电站模型框架Fig.1 Model frame of the W/PV/ES hybrid station

由图1可知，风光储混合新能源电站模型被划分为风电、光伏、储能3部分，通过电站并网点母线与电网进行能量传送和信息交互，其建模过程主要包含3个部分：

1）建立风电、光伏发电系统和储能系统模型。

2）采用倍乘法实现风电、光伏发电单机到多机的等值[18-19]。

3）将风、光等值机组与储能系统在并网点汇集。

对于电网而言，风光储混合新能源电站的并网运行特性由并网点的动态特性体现[20-24]。

2 协调控制策略

当系统输出大于参考值时，储能系统充电，反之放电。风光联合出力波动是由风速与光照资源的随机变化引起的，分布在多个频段，包括高频区[1 Hz及以上）、中频区（0.01～1 Hz）和低频区[0.01 Hz及以下）。波动较缓慢的功率分量一般较大，且变化率较小，对于该部分波动，电网具有相对较长的时间响应；而波动较快分量通常较小，且变化率大，给电网造成的冲击较大，因此，储能系统平抑混合新能源电站出力的目标是去除风光联合出力波动中的高、中频部分。

风光储混合新能源电站协调控制策略的重点在于储能系统的充放电控制，其关键为储能系统充放电功率参考值的获取。采用储能系统平抑风光联合出力波动的思想与体现信号长期趋势的低通滤波器类似，故可采用低通滤波器与频谱分析相结合的方法实现对储能系统有功参考值的控制，如图2所示。图2中，Pwp为风光联合出力；Pg为风光储混合新能源电站目标出力；Pref为储能系统有功参考值；ωL为低通滤波器的截止频率，根据混合新能源电站出力频谱分析结果确定。

图2 储能系统有功参考值控制方法Fig.2 Control method for the active power reference in energy storage

储能系统模型的其他部分可参见文献[18]，风电和光伏等值机组的模型详见文献[19-20]。

3 建模与并网特性

风光储混合新能源电站中，储能系统平抑风光联合出力波动方案主要有2种[17]：

1）风电机组与光伏发电单元单独配置储能系统。

2）混合电站并网出口处集中配置储能系统。

考虑到风能和太阳能资源的互补性，例如，白天阳光充足，风较小，晚上无光照而风能因为地表温差变大而增强；夏季太阳辐射较强而风力较弱，冬季则相反等，方案2）优于方案1），且统一配置的储能容量小于单独配置所需储能容量之和[20]。根据图1所示的风光储混合新能源电站模型框架，基于DIgSILENT PowerFactory实现的混合电站网架如图3所示。需要说明的是，为了便于算法实现，且尽可能缩小模型与现场差异给分析结果带来的影响，风电和光伏先并入一条母线，然后通过非常短的线路在并网点母线处与储能系统合并，实现并网。

基于图3所示的网架，对风光储混合新能源电

站在风速扰动和三相短路故障条件下进行仿真，并对仿真结果进行分析，以对风光储混合新能源电站的并网特性有较为清晰的认识。

3.1 风速扰动

风速模型由基本风和随机风合成，为了便于观察风速扰动对风光储混合电站并网特性的影响，放大了随机风的变化范围，应当说明，实际风速中的随机分量与图4（a）中所示存在差异。风速扰动条件下的风光储混合新能源电站仿真结果如图4所示。

图4 风速扰动条件下风光储混合电站仿真结果Fig.4 Simulation results of the W/PV/ES hybrid station under the condition of wind disturbance

由图4可知，随着风速的随机变化，风电出力呈现随机性波动，从而对风光联合出力产生影响；风光联合出力在0.70～0.92 pu之间随机振荡，储能系统加入后，风光储混合电站出力波动得到有效平抑；当风光联合出力大于控制目标输出时，储能系统充电，储存电能；反之储能系统放电，释放电能。因此，对于新能源电站，储能系统的引入是减小间歇式电源出力波动的有效解决方案，有利于保障新能源电源电力供应的可信度。

3.2 三相短路故障

三相短路故障的仿真条件为t=3 s时，线路Line6中点处发生三相短路，0.1 s后故障清除，仿真结果如图5所示。

图5 三相短路故障条件下风光储混合电站仿真结果Fig.5 Simulation results of the W/PV/ES hybrid station under the condition of three-phase short circuit

由图5可知，线路Line6中点处发生三相短路时，储能控制系统给出的有功功率参考值迅速上升，但由于短路过程较短，储能系统无法完全响应其变化，故储能系统实际吸收的有功功率小于控制目标，但其吸收的有功功率在一定程度上缓解了三相短路条件下风光联合出力对电网的冲击。此外，三相短路期间，除风电和光伏分别根据国标《GB/T 19963—2011风电场接入电力系统技术规定》和《GB/T 19964—2012光伏电站接入电力系统技术规定》向电网提供无功支撑外，储能系统也可向电网提供无功功率，用以支撑电网电压。由于储能系统安装在电站内部，靠近风电和光伏，其在三相短路故障期间，发出的无功功率对于提升风电和光伏的低电压穿越能力非常有效。

综上所述，从风光储新能源混合电站风速扰动和三相短路故障的仿真结果可以看出：由于一次能源具有不确定性，致使以风电和光伏发电为代表的间歇式电源出力呈现随机波动，容易对电网造成冲击，影响电力系统的安全稳定运行。储能系统具有动态吸收能量并适时释放的特点，能有效平抑风电、光伏等新能源电源出力的间歇性和波动性，提升输出有功功率的可控性，改善电能品质，提高间歇式电源的可调度能力。此外，当系统出现故障时，由于储能系统可通过适当控制发出无功功率，就地支撑电网电压，因此储能系统的引入对于风电和光伏低电压穿越能力的提升大有裨益。

4 结语

本文针对风光储混合新能源电站出力波动给电网安全稳定带来的不利影响，研究了利用储能系统平滑其出力的解决方案，并基于DIgSILENT PowerFactory，建立了典型结构的风光储混合新能源电站模型，对其并网特性展开研究。结果表明：储能系统可有效平抑风光联合出力的波动，改善系统有功功率的可控性，减小风/光出力对电网的冲击，且对于新能源电站低电压穿越能力的提升具有积极意义。

[1]李亦龙.大规模间歇式能源接入电网的调峰调频方法及模型研究[D].武汉：华中科技大学，2014.

[2]赵飞，许剑，徐玉杰，等．基于复合储能系统平抑风电场波动功率研究[J].电网与清洁能源，2015，31（7）：98-105.ZHAO Fei，XU Jian，XU Yujie，et al.Research on smoothing wind power fluctuations based on hybrid energy storage system[J].Power System and Clean Energy，2015，31（7）:98-105（in Chinese）.

[3]夏成军，梁君君，宋旭东，等.考虑光伏发电及负荷概率性的储能容量优化[J].南方电网技术，2015，9（5）：46-52.XIA Chengjun，LIANG Junjun，SONG Xudong，et al.Energy storage capacity optimization considering the probability of photovoltaic power generation and load[J].Southern Power System Technology，2015，9（5）:46-52（in Chinese）.

[4]丁明，陈忠，苏建徽，等.可再生能源发电中的电池储能系统综述[J].电力系统自动化，2013，37（1）：19-25，102.DING Ming，CHEN Zhong，SU Jianhui，et al.An overview of battery energy storage system for renewable energy generation[J].Automation ofElectric PowerSystems，2013，37（1）:19-25，102（in Chinese）.

[5]杨秀，陈洁，朱兰，等.基于经济调度的微网储能优化配置[J].电力系统保护与控制，2013，41（1）:53-60.YANG Xiu，CHEN Jie，ZHU Lan，et al.Optimization allocation of energy storage for microgrid based on economic dispatch[J].Power System Protection and Control，2013，41（1）:53-60（in Chinese）.

[6]张翼.电力储能技术发展和应用[J].江苏电机工程，2012，31（4）:81-84.ZHANG Yi.The development and application of energy storage technology[J].Jiangsu ElectricalEngineering，2012，31（4）:81-84（in Chinese）.

[7]MILO A，GAZTANAGA H，ETXEBERRIA I O，et al.Optimization of an experimental hybrid microgridoperation: reliability and economic issues[C].Power Tech，2009 IEEE Bucharest，2009:1-6.

[8]陈璟华，杨宜民，张伯泉.基于多Agent的风力/太阳能互补发电场能量管理系统[J].电力自动化设备，2007，27（8）:81-85.CHEN Jinghua，YANG Yiming，ZHANG Boquan.Energy management system of hybrid power generation field based on multi-agentsystem[J].Electric PowerAutomation Equipment，2007，27（8）:81-85（in Chinese）.

[9]齐志远，王生铁，田桂珍.风光互补发电系统的协调控制[J].太阳能学报，2010，31（5）：654-660.QI Zhiyuan，WANG Shengtie，TIAN Guizhen.Coordination control of wind/PV hybrid system[J].ACTA Energy

Solaris SINICA，2010，31（5）:654-660（in Chinese）.

[10]GLANZMANN H.Coordination of intermittent generation with storage，demand control and conventional energy sources[C].Bulk Power System Dynamics and Control Conference，2010:1-7.

[11]张川，杨雷，牛童阳，等.平抑风电出力波动储能技术比较及分析[J].电力系统保护与控制，2015，43（7）: 149-154.ZHANG Chuan，YANG Lei，NIU Tongyang，et al.Comparison and analysis of energy storage technology to balance fluctuation of wind power output[J].Power System Protection and Control，2015，43（7）:149-154（in Chinese）.

[12]毕大强，葛宝明，王文亮，等.基于钒电池储能系统的风电场并网功率控制[J].电力系统自动化，2010，34（13）：72-78.BI Daqiang，GE Baoming，WANG Wenliang，et al.VRB energy storage system based power control of grid-connected wind farm[J].Automation of Electric Power Systems，2010，34（13）:72-78（in Chinese）.

[13]刘建涛，张建成，马杰，等．储能技术在光伏并网发电系统中的应用分析[J].电网与清洁能源，2011，27（7）：62-66.LIU Jiantao，ZHANG Jiancheng，MA jie，et al.Analysis of energy storage technology applied in grid-connected PV system[J].Power System and Clean Energy，2011，27（7）: 62-66（in Chinese）.

[14]王波．互补储能技术及其控制策略[J]．电力与能源，2014，35（6）：764-771.WANG Bo.Complementary energy storage technology and its control strategy[J].Power&Energy，2014，35（6）: 764-771（in Chinese）.

[15]王博堃，滕欢，胡晓通，等．基于平滑控制策略的混合储能优化配置方法[J]．高压电器，2015，51（10）：47-53.WANG Bokun，TENG Huan，HU Xiaotong，et al.Hybrid energy storage system optimal configuration based on smooth control strategy[J].High Voltage Apparatus，2015，51（10）:47-53（in Chinese）.

[16]丁明，徐宁舟，毕锐．用于平抑可再生能源功率波动的储能电站建模及评价[J]．电力系统自动化，2011，35（2）：66-72.DING Ming，XU Ningzhou，BI Rui.Modeling of BESS for smoothing renewable energy output fluctuations[J].Automation of Electric Power Systems，2011，35（2）:66-72（in Chinese）.

[17]赵飞，许剑，徐玉杰，等.基于复合储能系统平抑风电场波动功率研究[J].电网与清洁能源，2015，31（7）:98-105.ZHAO Fei，XU Jian，XU Yujie，et al.Research on smoothing wind power fluctuations based on hybrid energy storage system[J].Power System and Clean Energy，2015，31（7）:98-105（in Chinese）.

[18]International Electrotechnical Commission Market Strategy Board.Grid integration of large-capacity renewable energy sources and use of large-capacity electrical energy storage[R].2012.

[19]王正宇，金尧，蒋传文，等.考虑光伏储能和可控负荷的配电网检修计划优化[J].电网与清洁能源，2015，31（11）:74-82.WANG Zhengyu，JIN Yao，JIANG Chuanwen，et al.Maintenance schedule optimization in distribution network with consideration of photovoltaic system with energy storage and controllable load[J].Power System and Clean Energy，2015，31（11）:74-82（in Chinese）.

[20]吴福保，杨波，叶季蕾.电力系统储能应用技术[M].北京：中国水利水电出版社，2014.

[21]秦睿，董开松，刘海燕，等.大容量储能电站在输电网送端应用分析评估[J].电网与清洁能源，2015，31（3）: 52-57.QIN Rui，DONG Kaisong，LIU Haiyan，et al.Application analysis and evaluation for large-capacity energy storage power plant at the sending end of the grid[J].Power System and Clean Energy，2015，31（3）:52-57（in Chinese）.

[22]Pouyan Pourbeik.Specification of the second generation generic models for wind turbine generators[R].Carlifornia：Palo Alto，2013.

[23]齐保良，孙玉龙.小型风力发电混合储能及能量管理系统[J].电网与清洁能源，2015，31（3）:87-92.QI Baoliang，SUN Yulong.Hybrid energy storage and energy management system in small wind power generation system[J].Power System and Clean Energy，2015，31（3）: 87-92（in Chinese）.

[24]WECC Renewable Energy Modeling Task Force.WECC PV power plant dynamic modeling guide[R].Utah：Salt Lake City，2014.

（编辑 董小兵）

Analysis on the Effect of Energy Storage on Grid-Connection Characteristics of Intermittence Renewable Energy Generation

WANG Xiangyan1，ZHANG Lei1，YANG Libin2，ZHAO Dawei1，LIU Yanzhang1
（1.China Electric Power Research Institute，Nanjing 210003，Jiangsu，China；2.Key Laboratory of Photovoltaic Grid-Connected Power Generation Technology of Qinghai Province，Xining 810000，Qinghai，China）

In view of the negative influence of the active power fluctuation of renewable energy station represented by wind and photovoltaic generation on power system security and stability，this paper deals with measures to smooth the active power by employing energy storage system.And the model of wind/photovoltaic/energy storage（W/PV/ES）hybrid station is built in DIgSILENT PowerFactory and simulation of and analysis on the grid-connection characteristics of W/PV/ES hybrid station are carried out.The results shows that it is positive and effective for energy storage to smooth the output fluctuation，improve the controllability of active power，better the electric power quality，and raise the capacity of low voltage ride through（LVRT）for renewable energy station.

energy storage system；grid-connection characteristic；DIgSILENT PowerFactory；W/PV/ES hybrid station；intermittence renewable energy generation

2016-01-25。

王湘艳（1980—），女，博士，工程师，主要研究方向为新能源发电及并网仿真分析；

张 磊（1982—），男，硕士，工程师，主要研究方向为新能源发电建模与仿真技术、新能源接入分析；

杨立滨（1986—），男，博士，工程师，主要研究方向为新能源发电并网与规划技术。

国家科技支撑资助项目（2013BAA02B01）；国家电网公司科技项目（NY71-15-041）；青海省光伏发电并网技术重点实验室科技项目（二期）（2015ZJY24）。

Project Supported by the National Key Technology R&D Program（2013BAA02B01）；Science and Technology Project of SGCC（NY71-15-041）；Science and Technology Project of Qinghai Province Key Laboratory of Photovoltaic Grid Connected Power Generation Technology（II）（2015ZJY24）.

1674-3814（2016）09-0107-05

TM61

A