田春箏，孫玉樹，唐西勝，高超，付科源，李錳

(1. 國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 鄭州 450052； 2.中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190)

0 引 言

作為大電網(wǎng)的有效補(bǔ)充和分布式能源的有效利用形式，微網(wǎng)已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注。但微網(wǎng)中風(fēng)電和光伏等分布式電源出力具有間歇性和隨機(jī)性， 負(fù)荷變化也具有一定的波動性，這給微網(wǎng)的的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了較大影響[1]。由此引入儲能系統(tǒng)可以減小風(fēng)光等可再生能源接入對系統(tǒng)的影響，改善電能質(zhì)量，提高微網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[2-4]。

目前，儲能在微網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛。文獻(xiàn)[5]針對風(fēng)電、儲能等微源對頻率調(diào)節(jié)的不同特性和能力, 將其進(jìn)行分類處理，使得孤立微網(wǎng)具有經(jīng)濟(jì)快速的調(diào)頻策略。文獻(xiàn)[6]針對風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電在遇到頻率波動時不具備慣性的問題，提出了應(yīng)用儲能補(bǔ)償系統(tǒng)慣量，利用頻率變化率作為反饋輸入并調(diào)節(jié)慣量常數(shù)，使風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)作為一個整體對外提供有功功率參與系統(tǒng)調(diào)頻。另外，文獻(xiàn)[7]提出一種蓄電池和虛擬儲能的協(xié)調(diào)控制策略，用于有效平抑微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動。文獻(xiàn)[8]應(yīng)用一階低通濾波算法平滑系統(tǒng)的波動功率，并通過滑動平均濾波方法對濾波后的波動功率在混合儲能中進(jìn)行合理分配，使蓄電池儲能承擔(dān)更多低頻功率波動，超級電容器承擔(dān)高頻波動。文獻(xiàn)[9]針對微網(wǎng)中可再生能源發(fā)電和負(fù)荷功率在不同時間尺度上具有不同的波動特性問題，提出了多類型儲能的多級控制策略以實現(xiàn)功率型儲能和多種能量型儲能的載荷分配，從而促進(jìn)多類型儲能在微網(wǎng)中的應(yīng)用推廣。

上述研究主要側(cè)重于微網(wǎng)和儲能的全數(shù)字仿真，為了更好地反映實際裝置對系統(tǒng)的影響，文中應(yīng)用儲能和光伏等動模裝置，構(gòu)建基于RT-LAB的數(shù)?；旌戏抡嫫脚_進(jìn)行相關(guān)實驗。首先，分析了儲能參與系統(tǒng)頻率響應(yīng)的作用；再者，分析了儲能對光伏功率波動平抑及其對系統(tǒng)的影響；最后，建立多類型儲能能量管理平臺并開展了功率之間的分配實驗，為儲能的工程化應(yīng)用提供參考。

1 數(shù)模混合仿真平臺

基于實驗室條件，建立了電力系統(tǒng)數(shù)?；旌戏抡鎸嶒炂脚_，包括eMEGAsim實時仿真器、功率放大器和動模裝置。其中加拿大公司研發(fā)的eMEGAsim仿真器，可以實時運(yùn)行微網(wǎng)等系統(tǒng)模型，且擁有充裕的I/O通道進(jìn)行硬件在環(huán)仿真；法國公司開發(fā)的四象限線性功率放大器，可以與eMEGAsim實時仿真配合，為數(shù)?；旌戏抡娴奈锢斫涌?；實際動模裝置包括儲能系統(tǒng)和光伏模擬器系統(tǒng)等。

1.1 數(shù)模混合仿真實驗平臺

圖1的仿真平臺主要包括4個模塊。

圖1 數(shù)?；旌戏抡鎸嶒炂脚_

A模塊為eMEGAsim實時仿真器主機(jī)，基于此建立微網(wǎng)全數(shù)字實時仿真模型，并對數(shù)模混合仿真運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控；

B模塊為eMEGAsim實時仿真器目標(biāo)機(jī)，將仿真器主機(jī)建立的數(shù)學(xué)模型通過編譯下載到仿真器目標(biāo)機(jī)，以進(jìn)行實時仿真。A，B兩個模塊共同組成了數(shù)?；旌戏抡嬷械臄?shù)字仿真子系統(tǒng)；

C模塊為21 kW三相四象限運(yùn)行的線性功率放大器，主要進(jìn)行電壓放大，為動模裝置接入建立逼近真實環(huán)境的數(shù)字仿真系統(tǒng)，以進(jìn)行數(shù)模混合仿真試驗；

D模塊為儲能系統(tǒng)包括PCS和四塊鉛酸電池，與功率放大器相連。充電時通過功率放大器從電網(wǎng)吸收功率；放電時，將功率消耗在功率放大器內(nèi)部的電阻。當(dāng)動模裝置為光伏系統(tǒng)時，光伏模擬器通過逆變器與功率放大器相連，處于MPPT運(yùn)行狀態(tài)。

儲能系統(tǒng)通過串口RS232與仿真器目標(biāo)機(jī)進(jìn)行通信，實時接收功率指令，發(fā)出相應(yīng)的充放電功率；電流傳感器采集儲能電流，通過仿真器目標(biāo)機(jī)的模擬量輸入板卡進(jìn)入數(shù)字仿真系統(tǒng)，將實際儲能系統(tǒng)的運(yùn)行特性反饋入數(shù)字系統(tǒng)，形成功率級硬件在環(huán)(Power-Hardware-In-the-Loop，PHIL)，即數(shù)?；旌戏抡??；诖罱ǖ臄?shù)模混合仿真平臺，分析儲能對提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的改善作用。

1.2 微網(wǎng)系統(tǒng)

基于IEEE37節(jié)點系統(tǒng)構(gòu)建微網(wǎng)系統(tǒng)，如圖2所示，其中節(jié)點799為PCC點，其余為負(fù)荷節(jié)點?？傆泄ω?fù)荷為2 457 kW，總無功負(fù)荷為1 201 kW。

圖2 微網(wǎng)系統(tǒng)

2 儲能參與系統(tǒng)調(diào)頻

當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生改變時，利用慣性調(diào)節(jié)檢測系統(tǒng)需多發(fā)的功率，控制方式如圖3所示。

圖3 慣性調(diào)節(jié)

當(dāng)檢測到系統(tǒng)頻率后，利用慣性控制求出頻率變化率，將頻率變化率與增益系數(shù)KD，得到功率差值P1；同時將檢測到的系統(tǒng)頻率與工頻比較，求出頻率差值，利用下垂控制將頻差與增益系數(shù)KX相乘，得到功率差值P2。電力系統(tǒng)的功率差值為ΔP=P1+P2。將功率差值送給儲能，在儲能SOC充裕的情況下，利用儲能輸出功率差額，即可調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率。本章以儲能為實際動模裝置，分析投切負(fù)荷對系統(tǒng)頻率的影響，以及儲能在調(diào)頻策略下所發(fā)揮的作用。

2.1 投負(fù)荷

仿真時間60 s時，節(jié)點713的負(fù)荷突增，系統(tǒng)的頻率降低。接入儲能后，通過調(diào)頻策略增加儲能出力，系統(tǒng)的頻率得到有效提升，如圖4所示。因此，儲能在投負(fù)荷時能夠有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖4 投負(fù)荷時的頻率變化

2.2 切負(fù)荷

在系統(tǒng)仿真時間60 s時，切除負(fù)荷713節(jié)點，系統(tǒng)的頻率升高；投入儲能后，通過對儲能功率的調(diào)節(jié)，可以使頻率得到一定的回升，儲能控制策略有效。

圖5 切負(fù)荷時頻率變化

3 光儲對系統(tǒng)的影響分析

光伏出力具有波動性和隨機(jī)性，其規(guī)?；尤雽ο到y(tǒng)的穩(wěn)定性影響較大，增加儲能系統(tǒng)進(jìn)行光伏功率波動的平抑，可以減小其對系統(tǒng)的影響。

3.1 光伏平抑算法

由于一階低通濾波算法具有操作簡單，可靠性高，便于工程實現(xiàn)的優(yōu)點，因此在實際工程的應(yīng)用中較為廣泛。低通濾波算法的核心是一階低通濾波器，其基本電路如圖6所示。

圖6 一階低通濾波電路

根據(jù)電路輸入輸出關(guān)系，可得：

(1)

進(jìn)一步推導(dǎo)，可得系統(tǒng)傳遞函數(shù)：

(2)

式中τ=RC，是系統(tǒng)的時間常數(shù)。

采用z變換，將式(2)離散化，可得：

(3)

假設(shè)X(k)表示輸入量，Y(k)表示輸出量，可得一階低通濾波器輸出與輸入關(guān)系為：

(4)

可見，離散化的一階濾波算法表達(dá)式中，k時刻的輸出量Y(k)不僅與k時刻的狀態(tài)量X(k)有關(guān)，還與前一時刻的輸出量Y(k-1)有關(guān)。時間常數(shù)τ越大，Y(k)與Y(k-1)差別越小，濾波器的平滑效果越好，但輸出結(jié)果越遠(yuǎn)離X(k)。

3.2 光儲接入

光伏和儲能均用實際裝置接入，接入點為709節(jié)點。光伏模擬器按照給定的光伏功率曲線輸出，將光伏功率通過一階濾波算法，獲取其儲能功率指令通過串口通信下發(fā)給儲能PCS。

圖7 光伏平抑前后功率

一階濾波算法平抑前后的光伏功率如圖7所示，平抑后光伏功率波動幅值變小，較為平滑，相應(yīng)的儲能功率如圖8所示。

分析光伏影響時，將光伏模擬器接入系統(tǒng)可以獲取其對頻率和電壓的影響；分析光儲影響時，將光伏模擬器和儲能同時接入系統(tǒng)，獲取頻率和電壓曲線。圖9和圖10分別為平抑前后系統(tǒng)的頻率和電壓曲線，由此可見平抑后的光伏對系統(tǒng)影響較小，儲能的改善作用明顯。

圖8 儲能功率

圖9 光伏平抑前后接入時頻率變化

圖10 光伏平抑前后接入時節(jié)點709電壓變化

4 多類型儲能功率分配實驗

實驗?zāi)康模簩⒆儠r間常數(shù)的一階濾波算法嵌入PLC，構(gòu)建基于PLC的能量管理系統(tǒng)，實現(xiàn)蓄電池和超級電容器的儲能功率分配。

實驗設(shè)備：倍福PLC一臺，500 kVA儲能變流器DC/AC一臺，兩臺100 kVA DC/DC，蓄電池100 kW*1 h，超級電容器100 kW*10 s，如圖11所示。

實驗方案：儲能變流器DC/AC通過并網(wǎng)開關(guān)與大電網(wǎng)、負(fù)荷相連；兩臺DC/DC分別與蓄電池和超級電容器相連，并聯(lián)后與儲能變流器DC/AC串聯(lián)。其中蓄電池的DC/DC作穩(wěn)壓控制，超級電容器的DC/DC作穩(wěn)流控制。

圖11 多類型儲能結(jié)構(gòu)圖

實驗內(nèi)容：由于儲能變流器DC/AC具有測量電壓和電流的功能，所以在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種情況下，均可以利用PLC通過RS485總線和MODBUS協(xié)議讀取儲能變流器DC/AC的功率，然后利用變時間常數(shù)的一階濾波算法獲取蓄電池和超級電容器的載荷功率。由于蓄電池的DC/DC作穩(wěn)壓控制，所以主要應(yīng)用PLC控制超級電容器的功率。在算法中，考慮蓄電池和超級電容器的SOC和最大充放電功率限制條件，當(dāng)超級電容器的SOC低于30%時，調(diào)節(jié)濾波時間常數(shù)，讓超級電容器多充少放；當(dāng)超級電容器的SOC高于70%時，讓超級電容器少充多放。再者，當(dāng)超級電容器的充放電功率超過最大限制值100 kW時，按最大限制值充放電。

實驗結(jié)果：實驗中利用PLC每5 s讀取儲能變流器的DC/AC功率，通過變時間常數(shù)濾波算法后獲取蓄電池和超級電容器的載荷功率并下發(fā)超級電容器的功率指令，圖12為采樣時長為1 280 s的實驗結(jié)果。由此蓄電池和超級電容器的功率載荷得到了很好的分配，控制效果較好。

圖12 總儲能、蓄電池和超級電容器功率

5 結(jié)束語

在以往研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于RT-LAB的數(shù)?；旌戏抡嫫脚_，應(yīng)用實際儲能裝置分析了其在提高微網(wǎng)穩(wěn)定性中的作用。首先，微網(wǎng)中負(fù)荷投切時，增加儲能裝置可以有效地減少系統(tǒng)頻率偏差。再者，光伏接入時，應(yīng)用儲能裝置進(jìn)行光伏功率波動的平抑，可以有效的減少其對系統(tǒng)頻率和電壓的影響。最后，進(jìn)行了多類型儲能的功率分配實驗，利用PLC構(gòu)建能量管理系統(tǒng)，可以有效地實現(xiàn)蓄電池和超級電容器的功率分配。通過文中的仿真實驗，進(jìn)一步分析驗證了儲能在微網(wǎng)中的作用，為儲能在微網(wǎng)推廣應(yīng)用具有很大的參考意義。