電網(wǎng)分布發(fā)電互補(bǔ)并聯(lián)式儲能系統(tǒng)的構(gòu)建

國網(wǎng)蘭州供電公司 陳瑞前

在新能源廣泛分布的背景下，電力系統(tǒng)應(yīng)用新能源技術(shù)逐步開發(fā)了環(huán)保發(fā)電技術(shù)，包括常見的風(fēng)能發(fā)電以及太陽能發(fā)電等，均屬于在電力系統(tǒng)中常使用到的清潔能源。但在部分電力系統(tǒng)中，若單一的依靠風(fēng)力發(fā)電或是光伏發(fā)電，可能會受到環(huán)境條件影響而出現(xiàn)發(fā)電局限問題，造成不穩(wěn)定的輸出功率，難以充分適應(yīng)當(dāng)前階段的供電需求，并使電力系統(tǒng)運(yùn)行安全受到影響，本文對此進(jìn)行探討。

1 基于風(fēng)力發(fā)電與光伏式分布發(fā)電互補(bǔ)的儲能系統(tǒng)

1.1 風(fēng)力發(fā)電模型

本文利用風(fēng)力發(fā)電以及光伏發(fā)電技術(shù)所創(chuàng)建分布發(fā)電互補(bǔ)并聯(lián)式儲能系統(tǒng)，首先創(chuàng)建風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行原理，所涉及到的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括分類分輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、調(diào)速裝置、塔架、變流器及偏航裝置等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中所依靠的是空氣動(dòng)力學(xué)，當(dāng)風(fēng)吹過風(fēng)輪機(jī)時(shí)，強(qiáng)大的風(fēng)力促使本身具有一定傾斜角度的風(fēng)輪機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)加以帶動(dòng)，促使其產(chǎn)生電能?；诹黧w原理，風(fēng)輪機(jī)上經(jīng)過空氣時(shí)，可使用公式表示：式中：E表示為風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的動(dòng)能；代表風(fēng)力均勻速度；S為風(fēng)輪機(jī)所有葉片的總面積；ρ表示為空氣密度。

基于貝茨理論，假設(shè)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中葉片始終受到垂直方向的空氣主動(dòng)，則前后空氣密度保持穩(wěn)定不變，葉片設(shè)定為無窮多，此時(shí)可獲得公式：式中：新增的V1以及V2分別代表了經(jīng)過風(fēng)輪機(jī)前后的風(fēng)速[1]。此時(shí)可對風(fēng)輪機(jī)運(yùn)行過程中的吸收功率加以計(jì)算：（V1-V2），此時(shí)可對風(fēng)輪機(jī)單位內(nèi)風(fēng)能的衰耗量進(jìn)行計(jì)算：由于能量守恒，則風(fēng)輪機(jī)的衰耗與吸收相同，表示為：對上述公式進(jìn)行簡化，則可以獲得與風(fēng)能利用系數(shù)C相結(jié)合下的公式表示為風(fēng)輪機(jī)的運(yùn)行功率：P=1/2ρSV3C。

在本次對電力儲能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用了永磁同步電動(dòng)機(jī)，其目的是為了促使風(fēng)能利用效率有效提升。因此在綜合風(fēng)輪機(jī)運(yùn)行功率與永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)之下，所形成的設(shè)計(jì)模型則表示為：

式中：a、b、c分別表示為發(fā)電機(jī)的不同軸；u為定子電壓分量；i為定子電流分量；Rp為定子繞組電阻；t為單位時(shí)間；d為發(fā)電頻率。

1.2 光伏發(fā)電模型

本次光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建中應(yīng)用到半導(dǎo)體材料的光伏電池板，其中PN 結(jié)含量較多，處于正常狀態(tài)下與兩級材料具有較大的差異，則自由電子及空穴之間在不同濃度下將會發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)行，并在反作用下出現(xiàn)少子漂移運(yùn)行，進(jìn)而在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)達(dá)到相一致的平衡狀態(tài)時(shí)，促使PN 結(jié)構(gòu)成了較為穩(wěn)定的電場。此時(shí)當(dāng)陽光在電池組面板上加以照射的過程中將會促使部分光能被吸收，進(jìn)而導(dǎo)致PN 結(jié)受到激發(fā)，在這一過程當(dāng)中出現(xiàn)自由電子以及空穴，動(dòng)態(tài)平衡發(fā)生改變，閉合外部電路后產(chǎn)生電流。根據(jù)這樣的發(fā)電原理，創(chuàng)建了相應(yīng)的光伏發(fā)電模型。通過對光伏電池的特性進(jìn)行模擬，則率先構(gòu)成曲線方程：

式中：I0代表了光伏發(fā)電系統(tǒng)中二極管所產(chǎn)生的反向飽和電流；Iph表示為光生電流；Rs與Rd分別對應(yīng)等效串聯(lián)電阻以及等效并聯(lián)電阻；K 表示為玻爾茲曼常數(shù)；T則表示為光伏電池板運(yùn)行中的絕對溫度；U表示為額定電壓；q為電子電荷。光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型相對較為簡單，在該模型中利用二極管并聯(lián)的目的是為了創(chuàng)建旁路電流通道，避免光伏發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)熱斑效應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)電池板元件損壞。而對二極管進(jìn)行串聯(lián)，則是保障每一組件在串聯(lián)狀態(tài)下均能夠獲得單相電流，避免出現(xiàn)環(huán)流問題。

1.3 儲能系統(tǒng)模型

本公司完成對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型創(chuàng)建后，對其進(jìn)行分布并聯(lián)，進(jìn)而打造分布式發(fā)電系統(tǒng)，且對以往利用新能源創(chuàng)建的分布式發(fā)電系統(tǒng)展開調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)在輸出功率時(shí)的隨機(jī)性較為明顯，則將會促使發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性及電能輸出質(zhì)量受到不同程度的影響[2]。基于此，若通過創(chuàng)建儲能系統(tǒng)對分布式并聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)加以輔助，則可用過充放電對發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率波動(dòng)起到一定的平抑作用。若經(jīng)過風(fēng)力發(fā)電以及光伏發(fā)電系統(tǒng)收集的電能過剩，可通過充電回路將其儲存在儲能系統(tǒng)中，進(jìn)而在分布式發(fā)電系統(tǒng)電能缺乏時(shí)對其加以供應(yīng)。

基于這樣的設(shè)計(jì)思路，本公司再次對儲能系統(tǒng)創(chuàng)建相應(yīng)的模型。本公司在對常見的儲能系統(tǒng)類型進(jìn)行綜合對比之后，整合形成如表1所示的技術(shù)總結(jié)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)蓄電池儲能具有較高的利用效率，因此選擇了電池儲能系統(tǒng)。

表1 各類儲能技術(shù)特征總結(jié)

根據(jù)當(dāng)前階段常見應(yīng)用的蓄電池結(jié)構(gòu)，設(shè)定Qd表示為充電容量，則可用公式對充電儲存能量加以表示：式中：t表示為充電累計(jì)時(shí)間；d表示為單次充電能量；I表示為電能流通的總頻率。

而相應(yīng)的，以Qc表示為放電容量，則可用公式對電能釋放量加以表示：式中：t表示為充電累計(jì)時(shí)間；c表示為單次充電能量；I表示為電能流通的總頻率。

蓄電池效率n用公式加以表示：n=Wd/Wc=Qd/Qc，式中：Wd以及Wc分別表示為蓄電池在充電時(shí)的吸收能量與放電時(shí)釋放的能量。

對儲能系統(tǒng)加以設(shè)計(jì)的過程中，考慮到提升蓄電池的儲能效果這一需求，則在構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的過程中，通過增加電容器的方式，促使電容器經(jīng)過串聯(lián)提升蓄電池的電壓，進(jìn)而在吸收電力能源的過程中能夠更好的滿足容量提升要求。

2 能量捕獲技術(shù)

2.1 風(fēng)力發(fā)電功率點(diǎn)跟蹤

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行中，當(dāng)空氣流經(jīng)風(fēng)輪機(jī)葉片，可通過葉片對風(fēng)能進(jìn)行吸收并向機(jī)械能加以轉(zhuǎn)化，進(jìn)而對發(fā)電機(jī)加以帶動(dòng)向電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，此時(shí)對風(fēng)能的利用率表示為：Cp=（0.44-0.667β）sin（π(λ-3）/（15-0.3β））-0.0084β（λ-3），式中：風(fēng)能利用率表示為Cp；風(fēng)輪機(jī)葉尖速比表示為λ；β代表槳距角。葉尖速比作為對風(fēng)輪機(jī)使用性能加以衡量的重要參數(shù)，在實(shí)際當(dāng)中同樣可應(yīng)用公式表示：λ=ωr/v，式中：風(fēng)輪機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)所形成的角速度表示為ω；v表示為經(jīng)過風(fēng)速；r則代表風(fēng)輪機(jī)葉片半徑參數(shù)。此時(shí)葉尖速比以及風(fēng)能利用關(guān)系之間構(gòu)成了一定的關(guān)系，可利用一般曲線圖對其加以表示。

結(jié)合實(shí)際來講，在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行的過程中，若達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)下的風(fēng)速，只需要對葉尖速比進(jìn)行調(diào)整就能夠達(dá)到最大的風(fēng)能利用率，這一參數(shù)也就是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的最大功率。而基于傳統(tǒng)意義上來講，在跟蹤風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)時(shí)可應(yīng)用多種不同的方法，包括常見的擾動(dòng)觀測法、葉尖速比調(diào)控法等[3]。

2.2 光伏發(fā)電功率點(diǎn)跟蹤

通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，對最大功率加以跟蹤控制的方法多種多樣且具有一定的差別。恒壓電壓控制法無法達(dá)到較高的控制精度，擾動(dòng)觀察法與電導(dǎo)增量法是當(dāng)前較常應(yīng)用的技術(shù)。本公司選擇了有最小計(jì)算量且最快跟蹤速度的電導(dǎo)增量法，通過對光伏發(fā)電系統(tǒng)的電池輸出電壓以及電流參數(shù)進(jìn)行檢測，對傳感器精度要求相對較低。

基于光伏發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的I-U以及P-U 輸出曲線，則可以獲得如公式dP/dU=I=udI/dU的輸出功率與電壓導(dǎo)數(shù)，在其基礎(chǔ)上，通過對光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行周期輸出功率進(jìn)行跟蹤，根據(jù)導(dǎo)數(shù)符號的正負(fù)數(shù)對電壓的正負(fù)進(jìn)行判斷，獲得了如公式dI/dU=-I/U所示的最大功率點(diǎn)條件要求，式中：I表示為額定電流；U表示為額定電壓；d則表示為光伏發(fā)電系統(tǒng)單位時(shí)間功率。據(jù)此公式，利用電導(dǎo)增量法對光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，則可以盡可能規(guī)避跟蹤不穩(wěn)定，出現(xiàn)振蕩的現(xiàn)象，進(jìn)而可在較短時(shí)間內(nèi)完成對功率點(diǎn)的標(biāo)記[4]。

2.3 分布式互補(bǔ)發(fā)電功率點(diǎn)跟蹤

基于實(shí)際角度來講，當(dāng)處于溫度條件較為穩(wěn)定的應(yīng)用場景中，風(fēng)力發(fā)電以及光伏發(fā)電系統(tǒng)二者的最大功率點(diǎn)近似保持在一條直線上，根據(jù)這樣的特征，可在追蹤分布式互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的最大發(fā)電功率時(shí)按照兩個(gè)階段展開全過程跟蹤[5]。

3 分布式電力系統(tǒng)并網(wǎng)控制

3.1 逆變器控制

本公司創(chuàng)建了風(fēng)光互補(bǔ)的分布式發(fā)電系統(tǒng)，與儲能系統(tǒng)相互結(jié)合，在電力系統(tǒng)中借助逆變器完成對電網(wǎng)的接入。對此展開試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)逆變器在控制過程中的弊端較為明顯，在并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下盡管能夠形成與發(fā)電機(jī)相似的下垂控制效果，但僅能對輸出功率加以控制，暫態(tài)性較差，難以對短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的高頻波動(dòng)加以控制，因此可通過創(chuàng)建虛擬同步電機(jī)的方式加以處理。

首先則是對逆變器的控制，結(jié)合控制目的以及其在發(fā)電系統(tǒng)中的作用。常見使用雙環(huán)控制方法，包括內(nèi)環(huán)控制與外環(huán)控制?？刂仆猸h(huán)是為了對控制目標(biāo)加以反映，并為內(nèi)環(huán)控制提供參考，由于外環(huán)具有相對較慢的響應(yīng)速度，則通過內(nèi)環(huán)微小的系統(tǒng)調(diào)節(jié)可達(dá)到更高精度的輸出效果。

3.2 虛擬同步發(fā)電機(jī)控制

假設(shè)具有穩(wěn)定的磁鏈，則虛擬同步發(fā)電機(jī)的電氣結(jié)構(gòu)模型如公式（1）所示，式中：L、M分別為定子繞組的自感及互感（H）；ia、ib、ic分別表示為三相電流；Maf、Mbf、Mcf則表示為三項(xiàng)定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組互感。機(jī)械部分的模型創(chuàng)建過程中，充分考慮到具有差異性的電磁轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩等影響，則為通過調(diào)速其對原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)從而滿足平衡調(diào)節(jié)需求，則可應(yīng)用公式W=1/2Jω2表示本次轉(zhuǎn)子能動(dòng)方程，式中：ω表示為發(fā)電機(jī)角頻率；J表示為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

虛擬同步電機(jī)的設(shè)計(jì)，是通過分布式發(fā)電系統(tǒng)逆變器控制的基礎(chǔ)上與同步電機(jī)算法相互結(jié)合，進(jìn)而促使逆變器與同步發(fā)電機(jī)之間達(dá)到部分相似特征，使用儲能系統(tǒng)加以輔助，與同步電動(dòng)機(jī)相互聯(lián)合，構(gòu)成整體，則促使分布式互補(bǔ)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)具有更加穩(wěn)定的電能輸出效果[6]。

3.3 VSG 并連環(huán)流抑制

在研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)相互結(jié)合構(gòu)成分布式風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)的過程中，也考慮到其中一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)問題時(shí)進(jìn)行切換運(yùn)行，并達(dá)到穩(wěn)定供電的目標(biāo)。因此增設(shè)了VSG 并連系統(tǒng)的方式，對環(huán)流起到一定的抑制作用。通過仿真設(shè)計(jì)，設(shè)定在380V 電網(wǎng)電壓下阻尼系數(shù)D為50，取0.1kg/m2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù)，在0.5s、1s、1.5s 處分別進(jìn)行試驗(yàn)，從并網(wǎng)模式向孤島模式加以切換，分別獲得了49.98Hz、49.94Hz、50Hz 輸出頻率。發(fā)現(xiàn)在切換過程中能夠滿足無縫銜接的同時(shí)，保障系統(tǒng)功率較為穩(wěn)定，具有良好的控制作用。