李志雷, 陳洪亮, 韓松原, 范中華, 喬會(huì)杰
(1.國網(wǎng)雄安新區(qū)供電公司,河北 保定 071000;2. 平高集團(tuán)有限公司,河南 平頂山 467000)
分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)智能切換是分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)安全運(yùn)行的必要前提,也是保證其可靠性的重要條件。根據(jù)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)切換前后的控制模式差異,可以將功率波動(dòng)切換方法分為單模式切換和雙模式切換,前者是以電壓源的方式來工作運(yùn)行;后者是在電壓源模式下,實(shí)現(xiàn)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)功率的合理分配[1]。分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)在發(fā)電方面具有利用率高以及建設(shè)周期短的優(yōu)勢(shì),尤其是在能源使用高峰階段,分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)[2-3]。
為了減少分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)能源產(chǎn)生的不利影響,學(xué)者們開始研究分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)的切換。文獻(xiàn)[4]分析了只采用超級(jí)電容器或蓄電池組來彌補(bǔ)平抑風(fēng)力發(fā)電輸出功率的不足,構(gòu)建了一套混合儲(chǔ)能系統(tǒng),并提出了一種利用平抑風(fēng)力發(fā)電輸出功率控制方法,綜合考慮了電網(wǎng)在調(diào)度過程中的需求,仿真分析得到該方法可以很好地平抑風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。文獻(xiàn)[5]將儲(chǔ)能與槳距角協(xié)調(diào)控制應(yīng)用到風(fēng)電功率波動(dòng)平抑中,采用滑動(dòng)平均值算法得到風(fēng)電功率輸出的期望值,實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)平抑的濾波處理,仿真結(jié)果顯示該方法具有良好的平抑效果。
基于以上背景,本文在復(fù)雜電磁環(huán)境下,設(shè)計(jì)了一種分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)的切換方法,縮小了分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)的誤差,對(duì)實(shí)際分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)智能切換方法意義重大。
切換分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)的目的是使分布式儲(chǔ)能輸出功率的波動(dòng)頻率小于系統(tǒng)的額定值[6]。在T時(shí)間段內(nèi),分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率的波動(dòng)率δ(t)可以定義為:
(1)
式中:Pmax為在T時(shí)間段內(nèi)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率的最大值;Pmin為在T時(shí)間段內(nèi)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率的最小值;Pt為分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量。
為了使分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率的波動(dòng)率δ(t)在規(guī)定值內(nèi),根據(jù)相鄰采樣點(diǎn)分布式儲(chǔ)能輸出功率的時(shí)間變化率來控制其輸入和輸出功率。
分布式儲(chǔ)能輸出功率的時(shí)間變化率可以被定義為:
(2)
式中:P(t)為分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率;t為分布式儲(chǔ)能輸出功率所用時(shí)間;Δt為分布式儲(chǔ)能輸出功率所用恒定時(shí)間。假設(shè)PPV(t)為在t時(shí)刻分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的原始輸出功率。通過分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)在t時(shí)刻的功率Pbess(t)經(jīng)過平滑處理后的t時(shí)刻輸出功率記作Pbybtrid(t),具體表示為:
Pbybtrid(t)=PPV(t)+Pbess(t)
(3)
基于以上過程,可以推導(dǎo)出分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi),允許的輸出功率時(shí)間變化率(k)。k可以表示為:
(4)
式中:δc為分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)在T時(shí)間段內(nèi)允許的輸出功率波動(dòng)率閾值;Ptδc為在T時(shí)間段內(nèi)允許的波動(dòng)功率。
分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命與輸出功率和輸入功率的大小密切相關(guān)[7]。因此,降低系統(tǒng)輸出功率大小是改變分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)濾波常數(shù)的主要目的[8]。定義分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的損耗系數(shù)為C(t),將其表示為:
(5)
式中:Smax為分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)最大功率;Sstart和Send分別為分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)開始運(yùn)行和結(jié)束運(yùn)行時(shí)的功率。當(dāng)Pb(t)≥0時(shí),說明分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)處于功率輸入狀態(tài);當(dāng)Pb(t)<0時(shí),說明分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)處于功率輸出狀態(tài)。
以分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)損耗系數(shù)C(t)為依據(jù),可以得到分布式儲(chǔ)能輸出功率分配算法的基準(zhǔn)濾波時(shí)間常數(shù)為:
(6)
結(jié)合分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)的變參數(shù)斜率控制策略,在復(fù)雜電磁環(huán)境下,設(shè)計(jì)了分布式儲(chǔ)能輸出功率分配算法實(shí)現(xiàn)步驟。具體如下:
步驟一:根據(jù)分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)的變參數(shù)斜率控制策略,確定分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)波動(dòng)目標(biāo)功率,得到分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。
步驟二:將上一個(gè)時(shí)刻分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)與規(guī)定的功率狀態(tài)最大值與最小值作比較。
步驟三:判斷分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)是否滿足約束條件,完成分布式儲(chǔ)能輸出功率分配算法。
在分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)切換中,使一部分儲(chǔ)能站工作在逆變狀態(tài)下,另一部分工作在正常狀態(tài)下,保證分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),忽略工作線路受到阻抗而引起的能量損耗和壓降現(xiàn)象時(shí)的速度。此時(shí)需要滿足以下關(guān)系:
(7)
V1=V2=…=VN
(8)
式中:Pi為分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行能量損耗;V1、V2和VN均為分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行壓降現(xiàn)象時(shí)的對(duì)應(yīng)速度。其中:
(9)
式中:Pimin和Pimax分別為分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行能量最小損耗和最大損耗;Vimin和Vimax分別為分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行壓降現(xiàn)象時(shí)的對(duì)應(yīng)最小速度和最大速度。通過分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)的切換流程,來實(shí)現(xiàn)分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)的智能切換。分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)切換流程如圖1所示。
圖1 分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)切換流程圖
圖1中:A、B分別為定值流電壓控制模式和下垂控制模式的個(gè)數(shù);M為下垂控制模式中特定數(shù)量。在復(fù)雜電磁環(huán)境下,控制了分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)的變參數(shù)斜率,通過設(shè)計(jì)分布式儲(chǔ)能輸出功率分配算法,實(shí)現(xiàn)了分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)的切換。
為了驗(yàn)證復(fù)雜電磁環(huán)境下分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)智能切換方法的有效性,試驗(yàn)測(cè)試分為孤島到并網(wǎng)切換和并網(wǎng)到孤島切換兩個(gè)部分。
孤島到并網(wǎng)的切換過程為:
步驟一:先檢測(cè)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)是否正常運(yùn)行,在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下,當(dāng)儲(chǔ)能站和分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)同步時(shí),將合閘開關(guān)切換到分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)一側(cè)。
步驟二:根據(jù)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)中輸出頻率與電壓之間的前后變化信號(hào),儲(chǔ)能站可以利用分布式儲(chǔ)能輸出功率分配算法自動(dòng)輸出合適的電壓頻率,從而保證分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)與輸出頻率之間的穩(wěn)定性。
相反,并網(wǎng)到孤島的切換過程如下:
步驟一:檢測(cè)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)是否正常運(yùn)行,在分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行異常時(shí),將合閘開關(guān)切換到儲(chǔ)能站一側(cè)。
步驟二:根據(jù)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)中輸出頻率與電壓之間的前后變化信號(hào),儲(chǔ)能站利用分布式儲(chǔ)能輸出功率分配算法輸出合適的有功功率和無功功率,保證分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)有功功率和無功功率的穩(wěn)定性。能量調(diào)度等級(jí)是依據(jù)分布式儲(chǔ)能輸出功率的波動(dòng)所需要調(diào)度的工況級(jí)別,其中調(diào)度強(qiáng)度越小,等級(jí)強(qiáng)度越低;調(diào)度強(qiáng)度越大,等級(jí)越高;等級(jí)按大小劃分為1~7級(jí)。
基于上述孤島到并網(wǎng)的切換過程,測(cè)試了復(fù)雜電磁環(huán)境下分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)智能切換方法、文獻(xiàn)[4]切換方法以及文獻(xiàn)[5]切換方法,在分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)方面的誤差情況,測(cè)試結(jié)果如圖2所示。
圖2 分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)誤差情況
由圖2可知:分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)在孤島到并網(wǎng)切換模式下,復(fù)雜電磁環(huán)境下的切換方法可以控制分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)與系統(tǒng)的實(shí)際功率波動(dòng)基本符合,減小了分布式儲(chǔ)能輸出功率的波動(dòng)誤差,文獻(xiàn)[4]切換方法和文獻(xiàn)[5]切換方法仍然存在一定誤差。對(duì)比三種切換方法可得,復(fù)雜電磁環(huán)境下的切換方法可以縮小孤島到并網(wǎng)切換模式下的分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)誤差。
分別采用復(fù)雜電磁環(huán)境下分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)智能切換方法、文獻(xiàn)[4]切換方法以及文獻(xiàn)[5]切換方法在并網(wǎng)到孤島切換模式下的輸出功率波動(dòng)誤差情況,測(cè)試結(jié)果如圖3所示。
由圖3可知:在并網(wǎng)到孤島模式下,隨著能量調(diào)度等級(jí)的變化,文獻(xiàn)[4]切換方法以及文獻(xiàn)[5]切換方法測(cè)試得到的分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)都偏離了系統(tǒng)的實(shí)功率輸出值,而復(fù)雜電磁環(huán)境下的切換方法測(cè)試得到的輸出功率波動(dòng)雖然與實(shí)際輸出功率值也存在誤差,但是誤差值非常小。由此可知,復(fù)雜電磁環(huán)境下的切換方法可以縮小并網(wǎng)到孤島模式下分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)誤差。
圖3 分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)誤差情況
復(fù)雜電磁環(huán)境下分布式儲(chǔ)能輸出功率波動(dòng)智能切換方法,可以有效減少分布式儲(chǔ)能輸出功率的波動(dòng)誤差,使分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定。但是本文只測(cè)試了孤島到并網(wǎng)切換和并網(wǎng)到孤島切換兩種模式,在今后的研究中,還要綜合考慮多種模式下的輸出功率波動(dòng)誤差情況,從而證明輸出功率波動(dòng)智能切換的有效性。