多能互补新能源电站协调控制探讨

张棋

国电南京自动化股份有限公司 江苏 南京 210032

引言

随着能源战略的调整，新能源在能源领域的地位显著提高，水能、风能、太阳能等的应用范围显著扩大，这些新能源逐步朝着规模化、商业化方向迈进。电站在原有的生产方式下暴露了诸多问题，为迎合可持续发展步伐，国家增大了在新能源电站中的投入，新能源电站的建设数量逐年递增，规模逐步扩大。多能互补新能源电站的运行模式更为复杂，为提高电站运行效率，有关人员需结合其能源类型及互补形式等，优选最佳的协调控制策略。未来行业内需持续研究多能互补新能源电站的建设与运行方式。

1 多能互补发电系统的基本特点

1.1 独立性

多能互补新能源发电系统具有系统集成性，实现了原先单一系统的结合，能统一协同发电时的能源供给过程。多能互补新能源发电系统中，单一子系统具有一定的独立性，子系统运行状态会影响新能源系统中不同能源供给的衔接效果。目前我国很多地区开始推广混合式发电方式，这一方式下虽能保持能源互补，但并不能凸显新能源发电的主体特点，在发电过程中伴随着一定的能源浪费、环境污染[1]。因此，多能互补模式下，保持每一子系统的独立工作，是多系统衔接的前提条件。

1.2 稳定性

当前各地区都在建立新能源发电系统，为促进这一系统的高效运行，创造更大的经济、社会与环境效益，必须将多能互补作为重点，保持多能互补新能源发电的稳定与安全。一些新能源发电呈现周期性、阶段性特征，为此，相关人员在设计新能源发电模式时需分析不同时间段每一子系统的发电情况，参考发电总量、电力能源综合利用率，优化多能互补新能源系统的能源配置形式[2]。经由多能互补，可优化发电能源调配，促进风能、生物质能、地热能发电的协同，增强该地区的供电稳定性与持续性。

1.3 安全性

多能互补新能源发电中，系统安全也是需关注的重点方面，因为许多因素都会影响多能互补新能源系统的运行情况，相关人员在具体的工作中需优化细节。不同于传统的发电方式，新能源发电的方法及形式多样，在提取电力能源、供给发电能源的过程中，相关人员需分析每种新能源发电形式、过程，从发电需求着手，合理控制多能互补新能源发电的电压、电流与电阻，防止电流、电压数据误差或者兼容性不足所引发的安全事故。

2 系统出力平滑协调控制策略

2.1 多能互补的混合储能系统结构

此系统的构成复杂，有光伏阵列、氢燃料电池、蓄电池、超级电容器等，这些构成部分经由双向整流变换器接入800V的微电网直流母线。光伏阵列中产生的电能资源被输送给直流母线，其输送过程中需经过DC-DC升压斩波电路，直流母线接收到电能后，再由DC-AC逆变变流器将直流电网系统接入交流母线，交流母线接入外部电网或本地负载，达到并网目的[3]。逆变系统中包含三相交流逆变器、LC滤波器，多余的电能通过电解槽形成氢气，被存放于储氢罐。

多能互补新能源电站中，包含多个储能系统，不同系统之间的能量流动较为复杂，为实现新能源电站协调控制的目标，有关人员必须理清不同储能系统之间的能量流动规律，优化控制系统的控制流程。能量流动关系如图1所示。

图1 能量流动关系

在上述关系下的功率传输相对复杂，这些传输过程确保了能源供应的稳定性与持续性。不同功率传输关系为：

2.2 多能互补系统的能量协调

多能互补新能源系统中的能量传输较为复杂，只有做好协调控制，才能提高能源利用率。本研究中重点阐述的是功率分配型方式。

如在实际的协调控制中选用电压跟随型方式，三相逆变器为其中不可或缺的部分，其负责控制直流母线端的电压，可避免此处的电压值过大或者过小。系统运行过程中电网侧所需的有功功率完全由发电单元来承担，涉及氢燃料电池、蓄电池与光伏发电。通过上述分析，存在以下关系：

多能互补协调控制模块的储能部分，其功率值要经历一系列的传输过程，首先由低通滤波部分完成前期处理，处理后得到的结果再依次分配给氢燃料电池、蓄电池、超级电容器。蓄电池功率、超级电容功率分别为：

多能互补系统运行期间，光伏发电单元为其中的重要构成，其为MPPT模式。为实现直流母线电压的动态平衡状态，需满足以下条件：

也就是说，发电侧全部单元的提供功率与三相逆变器的输出功率相同。因此，为精准控制功率偏差，应发挥存储单元的协调作用。实际的工作中需建立以下模型：

与上述原理一样，多能互补混合能量存储功率一般在保持母线电压稳定的状态下将其再次分给蓄电池、超级电容器。一旦发电侧的能量值与三相逆变器负载端消耗能量、输送于电网中的能量总和相等，直流母线电压在很长时间内保持在稳定状态。

2.3 多能互补储能综合控制方式

多能互补的混合能量存储系统涉及了诸多构成部分，功率管理控制策略相对有效，此思路下设计的控制系统能自动依据采集的光伏发电、储能系统的运行数据，从稳定、安全、经济等角度确定最佳的功率值。

在光伏发电的低谷期，光伏输送的功率值较小，其数值一般达不到保持直流母线电压稳定的800V，此时直流母线电压等级明显小于蓄电池额定电压，为蓄电池向直流母线充电的情况，蓄电池放电，上半桥臂开关管断开，双向DC-DC斩波电路变流器同样在其中起着关键作用，相当于升压斩波电路。控制系统通过控制下半桥臂的开关管，即可保持蓄电池的恒流放电状态，同样通过调节回路电感来控制其回路电流，使电流长时间维持在稳定状态。

蓄电池与超级电容器在充放电期间，能量存储系统所吸收或释放的功率要经过低通滤波器进行处理，在处理以后主要有高频功率分量、低频功率分量两个部分。相对来说，蓄电池的存储容量异常大，一般可吸收或释放低频分量，构建完善的单电流控制环即可获取充放电期间的预期电流值。

多能互补储能系统中超级电容器的作用突出，其承担着蓄电池功率供给直流母线负荷功率的差值部分。超级电容器的充放电速度快，绝大部分情况下为高频变动功率，从这一方面分析，控制超级电容器吸收或释放来自光伏阵列、用户/直流母线负载突变的高频功率。

2.4 算例分析与讨论

为检验本研究中多能互补新能源电站中混合储能控制方式的控制水平，可借助PSCAD建设仿真模型，完成仿真模拟。通过在该模型中模拟系统运行状态及控制过程，可判定该控制方式是否有效。在建立了仿真平台后，建立以下模型：0～1s，光照强度、温度、直流母线电压平衡稳定状态的有关参数分别为998lx、25℃、800V，1.1s的时间内模拟阴天或夜间调整光照强度，将其变为0lx，温度维持原状，此时直流母线电压值显著减小，基本维持在600V上下。在1.1～2s的时间段，超级电容器燃料电池处于放电状态，此时直流母线电压值，在2s的瞬时时间段内增大到800V，此时系统处于稳定状态。

0～0.3s内，光照强度为0lx，温度25℃，直流母线电压在0.3s的时间保持稳定，其电压值为800V。在0.3s模拟夜晚到白天凌晨情况，变更光照强度，调整到1293lx，温度不变，依旧为25℃，此时直流母线电压值异常增大，仅经过0.15s时间就增加了300V，保持在1100V左右。在0.45～1s时间段内，多余电量经由电解槽产生氢气，此时直流母线电压值显著减小，在1s时刻重新达到800V，系统运行相对稳定。

光照强度1000lx、温度25℃的情况下，调整用户负载端的功率值，直流母线电压值相对稳定，基本保持在800V上下。功率分配型方式可提高三相逆变器控制的灵活性。

综合上述，多能互补系统控制装置下基本能保持直流母线电压的稳定状态，使电压基本保持在800V左右，实现动态平衡。利用功率分配方式能使三相逆变器能依据并网侧功率需求，合理调节无功功率与有功功率，保持电网系统的可靠运行。以氢燃料电池、超级电容器和蓄电池构成的多能互补协调控制策略，能克服蓄电池、超级电容器在充放电阶段电流频繁变化的难题，控制效率高、响应速度快。多能互补协调控制装置的出力平滑控制策略下，系统运行更为稳定且可靠，此时的光伏阵列在最大输出功率点，光伏电网系统的运行状态良好，在并网过程中能快速减小因交流侧用户负荷突变、直流母线侧负载突变引发的配电网异常变化，提高配电网的运行可靠性，保持高效率、高效益运行状态下。

3 结束语

现阶段的能源领域，多能互补的提及频次显著提高，但多能互补新能源电站的协调控制难度较大，为达到控制目标，相关人员在当下及未来都需根据多能互补组合形式等，不断创新控制理念及方法。