基于多場景的光儲系統(tǒng)仿真研究

張雅雯, 周獻(xiàn)遠(yuǎn), 戚 萍,3, 周 斌

(1.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 安徽 合肥 230051；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司超高壓分公司, 安徽 合肥 231131；3.國網(wǎng)安徽省電力有限公司培訓(xùn)中心, 安徽 合肥 230022)

0 引言

為實現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目的，可再生能源(如風(fēng)電、光伏)在能源體系中所占的比例將會持續(xù)升高[1,2]。由于可再生能源機(jī)組的出力具有波動性、不確定性和間歇性，在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)將扮演著重要角色。儲能系統(tǒng)的接入可以實現(xiàn)能量雙向互動，平抑、穩(wěn)定風(fēng)能、光伏等間歇式分布式電源的輸出功率，提高電網(wǎng)容納分布式電源的能力。配置儲能裝置不僅緩解調(diào)峰和供電壓力，還能獲取高峰負(fù)荷收益，有效提高分布式電源發(fā)電的可控性和可調(diào)度性[3,4]。

正常工作狀態(tài)下的負(fù)載所需電能可由光伏電池、儲能裝置系統(tǒng)與電網(wǎng)提供，由于負(fù)載具有動態(tài)實時性，光伏輸出具有隨機(jī)性，因此需要考慮多場景供電模式，從而使整個系統(tǒng)更加安全可靠、優(yōu)質(zhì)高效。在并網(wǎng)狀態(tài)下，本文根據(jù)電源的工作狀態(tài)，將光儲系統(tǒng)分為多個場景，搭建了含光伏、儲能接入電力系統(tǒng)的模型，制定相應(yīng)能量控制策略。最后，通過仿真算例驗證了所提出控制策略的有效性。

1 系統(tǒng)建模

1.1 光伏電池陣列建模

光照強(qiáng)度和溫度的不同影響光伏陣列的輸出，根據(jù)伏特效應(yīng)，光照射在光伏電池表面可以產(chǎn)生電流和電壓。光伏電池等效數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

(2)

(3)

式中:Um、Im、UOC、ISC依次是最大功率點處的電壓、最大功率點處的電流、開路電壓與短路電流。

1.2 鋰電池建模

儲能電池包含充、放電兩種進(jìn)程，在進(jìn)程中，電池內(nèi)部的電解液扮演者非常重要的角色，其輸出電壓不是恒定不變的。儲能電池等效電路如圖1所示。

圖1 儲能電池的等效電路圖

Eb為理想直流電壓源，r為等效內(nèi)阻，輸出電壓的表達(dá)式為Ub=Eb-Ib·r，Eb的表達(dá)式如下：

(4)

其中，E0為儲能電池的恒定電壓；K為極化電壓；Q為儲能電池的容量；A為指數(shù)增益電壓；B為時間增益容量。

1.3 控制系統(tǒng)建模

本文基于RTDS的小步長模型和大步長模型構(gòu)建了光儲并網(wǎng)的系統(tǒng)仿真測試平臺，大、小步長的仿真模型通過RSCAD軟件中的基于ITM理想變壓器算法的接口模塊來實現(xiàn)同步。一次系統(tǒng)圖包括光伏電池、鋰電池、逆變器、架空線、變壓器及外接電力系統(tǒng)等，鋰電池組通過雙向換流器與交流母線相連，并在RSCAD的運行仿真模塊內(nèi)組成該閉環(huán)測試平臺的相應(yīng)操作系統(tǒng)模型，有利于在仿真運行的時候更好觀察和控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)模型界面如圖2所示[5]。

圖2 光儲控制系統(tǒng)模型界面

2 并網(wǎng)模式下光儲的場景分析

2.1 光儲系統(tǒng)控制原理

正常工作狀態(tài)下的負(fù)載所需電能可由光伏電池、儲能裝置系統(tǒng)與電網(wǎng)提供，由于負(fù)載具有動態(tài)實時性、光伏輸出功率具有隨機(jī)性，因此需要考慮多場景供電模式，從而使整個系統(tǒng)更加安全可靠、優(yōu)質(zhì)高效。含鋰電池光伏發(fā)電系統(tǒng)多場景控制如圖3所示[6，7]。

圖3 含鋰電池的光伏發(fā)電系統(tǒng)多場景控制框圖

抓取光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓upv與電流ipv，將它們通過簡單計算得到所需功率Ppv，同理可以得到Pbat，緊接著對工作狀態(tài)判斷后，手動設(shè)定峰谷時間段，經(jīng)過系統(tǒng)的通信系統(tǒng)獲知SOC的狀態(tài)。

2.2 并網(wǎng)運行狀態(tài)的工作模式

在選擇電源供電時，應(yīng)該遵守如下原則：

在負(fù)荷高峰期，不允許電網(wǎng)對儲能電池進(jìn)行充電，在負(fù)荷處于峰谷時段，儲能電池所需電能由電網(wǎng)富余電能來提供；針對光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的多余電能，設(shè)置供電優(yōu)先級，先提供給儲能裝置，充滿之后再提供給負(fù)載。因此，把并網(wǎng)運行的工作模式分為9種，如表1所示。

表1 光儲并網(wǎng)運行工作模式

3 算例分析

本文基于RTDS仿真平臺搭建了300 kW的三相含儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，系統(tǒng)主要包括光伏電池模型、鋰電池儲能模型、換流器電路、濾波器、電網(wǎng)、負(fù)載和控制器等。光伏最大輸出功率Pm為5 kW，儲能電池最大輸出功率Pbat為10 kW。仿真中負(fù)載使用阻性線性負(fù)載，儲能所使用的參數(shù)包括：容量20 Ah，電壓300 V，SOC范圍為20%～95%，從中選取三種模式進(jìn)行仿真分析。

3.1 典型工作模式一

設(shè)PL為1 kW，儲能電池容量為50%。由于光伏輸出功率小于負(fù)載所需功率，因此，起始階段時，負(fù)荷所需功率是電網(wǎng)來提供的。當(dāng)時間到0.065 s左右時，光伏輸出功率為1 kW，儲能裝置進(jìn)入充電狀態(tài)，時間到0.215 s時光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率達(dá)到最大即5 kW光伏系統(tǒng)的輸出功率如圖4所示。

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率波形圖

3.2 典型工作模式二

若PL為10 kW,SOC為80%，5 kW需要有儲能來提供。在初始的時間段內(nèi)，負(fù)載所需的功率由電網(wǎng)來提供一部分，時間到達(dá)0.065 s時功率的值從0很快上升至9.1 kW左右，時間至0.215 s時穩(wěn)定在5 kW左右，此時可滿足負(fù)載的需求，如圖5所示。

圖5 儲能裝置系統(tǒng)的輸出功率波形圖

3.3 典型工作模式三

若PL為11 kW，Pbat為10 kW，無光照，單獨的儲能裝置尚且滿足不了負(fù)載的所需電能時，此時由電網(wǎng)供給部分電能，功率為10 kW，當(dāng)時間到達(dá)0.08 s左右時，儲能到達(dá)平穩(wěn)狀態(tài)，此時電網(wǎng)功率下降至1 kW且處于平穩(wěn)的狀態(tài)值。電網(wǎng)輸出功率波形如圖6所示。

圖6 電網(wǎng)輸出功率波形

4 結(jié)論

由于可再生能源機(jī)組的出力具有波動性、不確定性和間歇性，在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)扮演著重要角色。為促進(jìn)儲能的推廣應(yīng)用，充分挖掘其在電網(wǎng)中的潛在應(yīng)用場景，對基于RTDS平臺的多場景光儲系統(tǒng)展開研究。在并網(wǎng)狀態(tài)下，根據(jù)電源工作狀態(tài)，將光儲系統(tǒng)分為多個場景，搭建了含光伏、儲能接入電力系統(tǒng)的模型，制定相應(yīng)能量控制策略。最后，通過仿真算例驗證了所提出控制策略的有效性。