电网分布发电互补并联式储能系统的构建

国网兰州供电公司 陈瑞前

在新能源广泛分布的背景下，电力系统应用新能源技术逐步开发了环保发电技术，包括常见的风能发电以及太阳能发电等，均属于在电力系统中常使用到的清洁能源。但在部分电力系统中，若单一的依靠风力发电或是光伏发电，可能会受到环境条件影响而出现发电局限问题，造成不稳定的输出功率，难以充分适应当前阶段的供电需求，并使电力系统运行安全受到影响，本文对此进行探讨。

1 基于风力发电与光伏式分布发电互补的储能系统

1.1 风力发电模型

本文利用风力发电以及光伏发电技术所创建分布发电互补并联式储能系统，首先创建风力发电系统模型。根据风力发电的运行原理，所涉及到的系统结构包括分类分轮机、发电机、调速装置、塔架、变流器及偏航装置等。风力发电机运行过程中所依靠的是空气动力学，当风吹过风轮机时，强大的风力促使本身具有一定倾斜角度的风轮机进行转动对风力发电机加以带动，促使其产生电能。基于流体原理，风轮机上经过空气时，可使用公式表示：式中：E表示为风力发电机运行过程中所产生的动能；代表风力均匀速度；S为风轮机所有叶片的总面积；ρ表示为空气密度。

基于贝茨理论，假设在风力发电机运行过程中叶片始终受到垂直方向的空气主动，则前后空气密度保持稳定不变，叶片设定为无穷多，此时可获得公式：式中：新增的V1以及V2分别代表了经过风轮机前后的风速[1]。此时可对风轮机运行过程中的吸收功率加以计算：（V1-V2），此时可对风轮机单位内风能的衰耗量进行计算：由于能量守恒，则风轮机的衰耗与吸收相同，表示为：对上述公式进行简化，则可以获得与风能利用系数C相结合下的公式表示为风轮机的运行功率：P=1/2ρSV3C。

在本次对电力储能系统的设计中应用了永磁同步电动机，其目的是为了促使风能利用效率有效提升。因此在综合风轮机运行功率与永磁同步发电机的设计之下，所形成的设计模型则表示为：

式中：a、b、c分别表示为发电机的不同轴；u为定子电压分量；i为定子电流分量；Rp为定子绕组电阻；t为单位时间；d为发电频率。

1.2 光伏发电模型

本次光伏发电系统的构建中应用到半导体材料的光伏电池板，其中PN 结含量较多，处于正常状态下与两级材料具有较大的差异，则自由电子及空穴之间在不同浓度下将会发生扩散运行，并在反作用下出现少子漂移运行，进而在两个运动状态达到相一致的平衡状态时，促使PN 结构成了较为稳定的电场。此时当阳光在电池组面板上加以照射的过程中将会促使部分光能被吸收，进而导致PN 结受到激发，在这一过程当中出现自由电子以及空穴，动态平衡发生改变，闭合外部电路后产生电流。根据这样的发电原理，创建了相应的光伏发电模型。通过对光伏电池的特性进行模拟，则率先构成曲线方程：

式中：I0代表了光伏发电系统中二极管所产生的反向饱和电流；Iph表示为光生电流；Rs与Rd分别对应等效串联电阻以及等效并联电阻；K 表示为玻尔兹曼常数；T则表示为光伏电池板运行中的绝对温度；U表示为额定电压；q为电子电荷。光伏发电系统的模型相对较为简单，在该模型中利用二极管并联的目的是为了创建旁路电流通道，避免光伏发电系统在运行过程中出现热斑效应，进而引发电池板元件损坏。而对二极管进行串联，则是保障每一组件在串联状态下均能够获得单相电流，避免出现环流问题。

1.3 储能系统模型

本公司完成对风力发电系统及光伏发电系统的模型创建后，对其进行分布并联，进而打造分布式发电系统，且对以往利用新能源创建的分布式发电系统展开调查研究，发现在输出功率时的随机性较为明显，则将会促使发电系统的运行稳定性及电能输出质量受到不同程度的影响[2]。基于此，若通过创建储能系统对分布式并联发电系统加以辅助，则可用过充放电对发电系统的输出功率波动起到一定的平抑作用。若经过风力发电以及光伏发电系统收集的电能过剩，可通过充电回路将其储存在储能系统中，进而在分布式发电系统电能缺乏时对其加以供应。

基于这样的设计思路，本公司再次对储能系统创建相应的模型。本公司在对常见的储能系统类型进行综合对比之后，整合形成如表1所示的技术总结，进而发现蓄电池储能具有较高的利用效率，因此选择了电池储能系统。

表1 各类储能技术特征总结

根据当前阶段常见应用的蓄电池结构，设定Qd表示为充电容量，则可用公式对充电储存能量加以表示：式中：t表示为充电累计时间；d表示为单次充电能量；I表示为电能流通的总频率。

而相应的，以Qc表示为放电容量，则可用公式对电能释放量加以表示：式中：t表示为充电累计时间；c表示为单次充电能量；I表示为电能流通的总频率。

蓄电池效率n用公式加以表示：n=Wd/Wc=Qd/Qc，式中：Wd以及Wc分别表示为蓄电池在充电时的吸收能量与放电时释放的能量。

对储能系统加以设计的过程中，考虑到提升蓄电池的储能效果这一需求，则在构建系统结构的过程中，通过增加电容器的方式，促使电容器经过串联提升蓄电池的电压，进而在吸收电力能源的过程中能够更好的满足容量提升要求。

2 能量捕获技术

2.1 风力发电功率点跟踪

在风力发电系统运行中，当空气流经风轮机叶片，可通过叶片对风能进行吸收并向机械能加以转化，进而对发电机加以带动向电能进行转化，此时对风能的利用率表示为：Cp=（0.44-0.667β）sin（π(λ-3）/（15-0.3β））-0.0084β（λ-3），式中：风能利用率表示为Cp；风轮机叶尖速比表示为λ；β代表桨距角。叶尖速比作为对风轮机使用性能加以衡量的重要参数，在实际当中同样可应用公式表示：λ=ωr/v，式中：风轮机叶片转动所形成的角速度表示为ω；v表示为经过风速；r则代表风轮机叶片半径参数。此时叶尖速比以及风能利用关系之间构成了一定的关系，可利用一般曲线图对其加以表示。

结合实际来讲，在风力发电设备运行的过程中，若达到一定标准下的风速，只需要对叶尖速比进行调整就能够达到最大的风能利用率，这一参数也就是风力发电系统在运行过程中所产生的最大功率。而基于传统意义上来讲，在跟踪风力发电系统时可应用多种不同的方法，包括常见的扰动观测法、叶尖速比调控法等[3]。

2.2 光伏发电功率点跟踪

通过进一步分析发现，对最大功率加以跟踪控制的方法多种多样且具有一定的差别。恒压电压控制法无法达到较高的控制精度，扰动观察法与电导增量法是当前较常应用的技术。本公司选择了有最小计算量且最快跟踪速度的电导增量法，通过对光伏发电系统的电池输出电压以及电流参数进行检测，对传感器精度要求相对较低。

基于光伏发电系统在运行过程中所产生的I-U以及P-U 输出曲线，则可以获得如公式dP/dU=I=udI/dU的输出功率与电压导数，在其基础上，通过对光伏发电系统的运行周期输出功率进行跟踪，根据导数符号的正负数对电压的正负进行判断，获得了如公式dI/dU=-I/U所示的最大功率点条件要求，式中：I表示为额定电流；U表示为额定电压；d则表示为光伏发电系统单位时间功率。据此公式，利用电导增量法对光伏发电系统的最大功率点进行跟踪，则可以尽可能规避跟踪不稳定，出现振荡的现象，进而可在较短时间内完成对功率点的标记[4]。

2.3 分布式互补发电功率点跟踪

基于实际角度来讲，当处于温度条件较为稳定的应用场景中，风力发电以及光伏发电系统二者的最大功率点近似保持在一条直线上，根据这样的特征，可在追踪分布式互补发电系统的最大发电功率时按照两个阶段展开全过程跟踪[5]。

3 分布式电力系统并网控制

3.1 逆变器控制

本公司创建了风光互补的分布式发电系统，与储能系统相互结合，在电力系统中借助逆变器完成对电网的接入。对此展开试验发现，传统逆变器在控制过程中的弊端较为明显，在并网运行状态下尽管能够形成与发电机相似的下垂控制效果，但仅能对输出功率加以控制，暂态性较差，难以对短时间内出现的高频波动加以控制，因此可通过创建虚拟同步电机的方式加以处理。

首先则是对逆变器的控制，结合控制目的以及其在发电系统中的作用。常见使用双环控制方法，包括内环控制与外环控制。控制外环是为了对控制目标加以反映，并为内环控制提供参考，由于外环具有相对较慢的响应速度，则通过内环微小的系统调节可达到更高精度的输出效果。

3.2 虚拟同步发电机控制

假设具有稳定的磁链，则虚拟同步发电机的电气结构模型如公式（1）所示，式中：L、M分别为定子绕组的自感及互感（H）；ia、ib、ic分别表示为三相电流；Maf、Mbf、Mcf则表示为三项定子绕组与转子绕组互感。机械部分的模型创建过程中，充分考虑到具有差异性的电磁转矩以及电机机械转矩等影响，则为通过调速其对原动机转速进行调节从而满足平衡调节需求，则可应用公式W=1/2Jω2表示本次转子能动方程，式中：ω表示为发电机角频率；J表示为发电机转子转动惯量。

虚拟同步电机的设计，是通过分布式发电系统逆变器控制的基础上与同步电机算法相互结合，进而促使逆变器与同步发电机之间达到部分相似特征，使用储能系统加以辅助，与同步电动机相互联合，构成整体，则促使分布式互补风光发电系统具有更加稳定的电能输出效果[6]。

3.3 VSG 并连环流抑制

在研究风力发电系统与光伏发电系统相互结合构成分布式风光发电系统的过程中，也考虑到其中一个系统运行过程中出现问题时进行切换运行，并达到稳定供电的目标。因此增设了VSG 并连系统的方式，对环流起到一定的抑制作用。通过仿真设计，设定在380V 电网电压下阻尼系数D为50，取0.1kg/m2的转动惯量系数，在0.5s、1s、1.5s 处分别进行试验，从并网模式向孤岛模式加以切换，分别获得了49.98Hz、49.94Hz、50Hz 输出频率。发现在切换过程中能够满足无缝衔接的同时，保障系统功率较为稳定，具有良好的控制作用。