賈偉青，陳俊清，趙 耀，梁曉莉，任永峰*

(1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2. 北京天潤新能投資有限公司，北京 100029)

0 引言

近年來，面對日趨嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題，全球能源結(jié)構(gòu)逐步由傳統(tǒng)能源向可再生能源轉(zhuǎn)移。風(fēng)能和太陽能作為可再生能源代表，得到了大規(guī)模的開發(fā)與利用，但二者出力的隨機(jī)波動性限制了部分地區(qū)的風(fēng)、光消納水平，導(dǎo)致出現(xiàn)了較嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光問題[1]。微電網(wǎng)可將各類分布式電源、儲能裝置進(jìn)行有效集成，組成源-網(wǎng)-荷-儲一體化運(yùn)行系統(tǒng)，以提高可再生能源的利用率。但目前我國的微電網(wǎng)發(fā)展仍處于研發(fā)示范階段，儲能技術(shù)在微電網(wǎng)項(xiàng)目中的應(yīng)用依然有所欠缺。因此，研究儲能技術(shù)在微電網(wǎng)中的靈活應(yīng)用對于促進(jìn)微電網(wǎng)向商業(yè)化成熟階段過渡具有重要意義。

目前，應(yīng)用于可再生能源微電網(wǎng)中的能量存儲方式主要包括化學(xué)儲能[2](如儲氫)、電化學(xué)儲能[3](如鋰離子電池、液流電池、鉛酸電池)、電磁儲能[4](如超導(dǎo)磁、超級電容儲能)、機(jī)械儲能[5](如飛輪儲能、抽水蓄能、壓縮空氣儲能)等。其中，與其他形式的儲能技術(shù)相比，電化學(xué)儲能以電池作為能量存儲的載體，具有安裝速度快、運(yùn)行成本低、對干擾的響應(yīng)速度快、空間要求低的優(yōu)點(diǎn)，近年來受到廣泛關(guān)注。

學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對儲能電池在可再生能源微電網(wǎng)等各種場合的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[6]考慮了負(fù)荷響應(yīng)并建立了源-儲-荷相協(xié)調(diào)的分布式互動優(yōu)化模型，通過典型孤島微電網(wǎng)的算例仿真驗(yàn)證了該模式下可再生能源可得到充分利用，負(fù)荷追隨可再生能源出力，實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化；文獻(xiàn)[7]分析了風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電之間的互補(bǔ)性，并指出利用這種互補(bǔ)性搭配儲能電池可減少由于風(fēng)、光的間歇性造成的輸電容量需求；文獻(xiàn)[8]建立了一個(gè)結(jié)合風(fēng)能、太陽能和潮汐能的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，使用儲能電池來平滑和調(diào)整間歇性可再生能源發(fā)電，以匹配負(fù)荷變化(擾動)，從而可經(jīng)濟(jì)有效地配置儲能與可再生能源規(guī)模。綜上所述，與負(fù)荷需求響應(yīng)相結(jié)合的儲能控制策略在考慮分布式電源靈活性調(diào)控的同時(shí)，又考慮了儲能容量的充裕度，有助于對微電網(wǎng)進(jìn)行有效控制和能量管理。因此，合理安排微電網(wǎng)中的可再生能源出力、制定高效的能源管理方式，以及協(xié)調(diào)源-網(wǎng)-儲出力的控制策略是實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)優(yōu)勢最大化的重要研究方向。

本文在考慮風(fēng)光互補(bǔ)特性及儲能電池系統(tǒng)具有維穩(wěn)能力的基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組、光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲能電池系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了源-網(wǎng)-荷-儲一體化的風(fēng)光儲微電網(wǎng)(下文簡稱“微電網(wǎng)”)，并提出了微電網(wǎng)分別在并網(wǎng)和孤島運(yùn)行模式下跟隨負(fù)荷需求響應(yīng)的儲能控制策略；然后在MATLAB/Simulink 中搭建了該微電網(wǎng)的仿真模型，通過導(dǎo)入實(shí)測風(fēng)速和太陽輻照度數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。

1 微電網(wǎng)分析

1.1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域的能源需求合理構(gòu)建微電網(wǎng)，將其內(nèi)部的分布式電源、儲能系統(tǒng)及負(fù)荷作為整體進(jìn)行協(xié)同管理，可實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)規(guī)劃、運(yùn)行優(yōu)化和交互響應(yīng)，從而有效提高可再生能源利用率和能源利用成本。本文參考某園區(qū)的負(fù)荷需求，建立了可再生能源滲透率達(dá)100%的風(fēng)光儲微電網(wǎng)模型。該微電網(wǎng)由2 MW直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組、1 MW 光伏發(fā)電系統(tǒng)和500 kWh 儲能電池系統(tǒng)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。其中，PMSG 為直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)；nvp、nvs分別為儲能電池并聯(lián)與串聯(lián)的個(gè)數(shù)；Ls為串聯(lián)電抗；Rs為串聯(lián)電阻。

微電網(wǎng)內(nèi)的最佳配置應(yīng)為可以滿足用戶的最終需求且成本最低的配置，以便更好地滿足當(dāng)?shù)啬茉葱枨蟮目勺冃?，?shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)乜稍偕茉吹淖罴牙?。本文中微電網(wǎng)的功率平衡關(guān)系可表示為：

式中，Pg(t)為t 時(shí)刻配電網(wǎng)與微電網(wǎng)交換的有功功率；PW(t)為t 時(shí)刻風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率；PPV(t)為t 時(shí)刻光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率；PBESS(t)為t 時(shí)刻儲能電池系統(tǒng)充/放電的有功功率；PL(t)為t 時(shí)刻負(fù)荷需求的有功功率。

1.2 儲能電池系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

儲能電池系統(tǒng)的充/放電功率根據(jù)風(fēng)電機(jī)組、光伏發(fā)電系統(tǒng)和負(fù)荷需求之間的功率變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。微電網(wǎng)中t 時(shí)刻n 個(gè)分布式電源輸出的有功功率與負(fù)荷需求的有功功率之間的差值ΔP(t)可表示為：

式中，Pm(t)為t 時(shí)刻微電網(wǎng)內(nèi)第m 個(gè)分布式電源輸出的有功功率。

ΔP(t)的大小決定了儲能電池系統(tǒng)的運(yùn)行情況。當(dāng)ΔP(t)＞0 時(shí)，微電網(wǎng)中的能量管理系統(tǒng)將根據(jù)當(dāng)前儲能電池的荷電狀態(tài)(SOC)決定是否向儲能電池充電；當(dāng)ΔP(t)＜0 時(shí)，能量管理系統(tǒng)將根據(jù)當(dāng)前儲能電池的SOC 決定儲能電池是否放電。

t 時(shí)刻儲能電池系統(tǒng)中儲能電池的充、放電SOC 可表示為：

式中，Δt 為儲能電池充/放電持續(xù)時(shí)間；ηc和ηd分別為儲能電池系統(tǒng)的充電效率和放電效率；EBESS(t-1)為(t-1)時(shí)刻儲能電池的剩余容量。

儲能電池的成本和壽命取決于其充、放電的次數(shù)，為了防止儲能電池進(jìn)入過充、過放區(qū)域，控制儲能電池系統(tǒng)SOC，使其在規(guī)定的SOC 上限和下限內(nèi)運(yùn)行，如式(4)所示，可以確保電池在較長時(shí)間內(nèi)保持良好狀態(tài)，提高儲能電池的使用壽命。

式中，SOCul為SOC 的上限，此處取0.8；SOCll為SOC 的下限，此處取0.2。

2 微電網(wǎng)的運(yùn)行控制策略

2.1 并網(wǎng)和孤島模式的系統(tǒng)控制

能量管理系統(tǒng)控制微電網(wǎng)的運(yùn)行，并對微電網(wǎng)內(nèi)部的分布式電源和儲能電池系統(tǒng)的電力進(jìn)行合理分配。

在并網(wǎng)運(yùn)行模式下，風(fēng)電和光伏發(fā)電優(yōu)先供給負(fù)荷，當(dāng)其供應(yīng)的電力無法滿足負(fù)荷需求時(shí)，會根據(jù)儲能電池系統(tǒng)的SOC 來決定是利用配電網(wǎng)還是利用儲能電池來為負(fù)荷進(jìn)行電力補(bǔ)給；當(dāng)風(fēng)電和光伏發(fā)電供給負(fù)荷后還有剩余時(shí)，也將根據(jù)儲能電池系統(tǒng)的SOC 來決定是向配電網(wǎng)進(jìn)行售電還是向儲能電池充電。

在孤島運(yùn)行模式下，微電網(wǎng)的電力供應(yīng)主要由風(fēng)電、光伏發(fā)電及儲能電池系統(tǒng)提供，整個(gè)微電網(wǎng)的出力需滿足對負(fù)荷需求變化的實(shí)時(shí)跟隨，通常此運(yùn)行模式下對儲能電池系統(tǒng)的需求較大。

2.2 儲能電池系統(tǒng)的能量管理

能量管理系統(tǒng)以負(fù)荷需求、分布式電源發(fā)電量和儲能電池SOC 作為輸入，對信息進(jìn)行處理，并生成信號，控制儲能電池系統(tǒng)的運(yùn)行。其控制方式主要存在以下3 種情況。

1)若分布式電源發(fā)電量與負(fù)荷需求的差值為正值，且儲能電池未完全充電時(shí)，控制系統(tǒng)將調(diào)用充電操作；剩余電量將分配到所有儲能電池中，直到儲能電池充電到SOC 上限。當(dāng)儲能電池充電至SOC 上限后，若此時(shí)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行模式，則剩余電量將出售給配電網(wǎng)；若微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行模式，則控制系統(tǒng)將調(diào)用發(fā)電限功率操作。

2) 若分布式電源發(fā)電量與負(fù)荷需求相等時(shí)，則不需要儲能電池系統(tǒng)動作，其將從微電網(wǎng)中斷開。

3)若分布式電源發(fā)電量與負(fù)荷需求的差值為負(fù)值且儲能電池未完全放電至SOC 下限時(shí)，控制系統(tǒng)將調(diào)用放電操作。當(dāng)儲能電池完全放電到SOC 下限后，若此時(shí)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行模式，則剩余所需電力由配電網(wǎng)供給；若微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行模式，則控制系統(tǒng)將調(diào)用減載操作。

3 復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境的模擬與仿真

在風(fēng)電機(jī)組、光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲能電池系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用仿真軟件MATLAB/Simulink 建立微電網(wǎng)的仿真模型。在模擬場景中，采用某典型日08:00～16:00 的實(shí)測風(fēng)速和太陽輻照度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行仿真，通過改變負(fù)荷需求，對上述各子系統(tǒng)的功率特性進(jìn)行仿真分析，觀察在并網(wǎng)運(yùn)行工況和孤島運(yùn)行負(fù)載階躍工況下微電網(wǎng)對負(fù)荷需求的響應(yīng)情況。

3.1 微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行工況仿真

微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，接入的配電網(wǎng)為其提供電壓支撐。在此工況下，風(fēng)電機(jī)組和光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)先為微電網(wǎng)中的負(fù)荷提供功率支撐，過剩功率饋入電網(wǎng)，而不足功率由儲能電池系統(tǒng)或配電網(wǎng)補(bǔ)給。仿真模型接入0.6 MW 有功負(fù)載和0.3 MVar 感性無功負(fù)載，微電網(wǎng)的三相電壓及其子系統(tǒng)的三相電流變化情況如圖2 所示。其中，Ig為配電網(wǎng)電流；IW為風(fēng)電機(jī)組的電流；IL為負(fù)荷的電流；UPCC為微電網(wǎng)的電壓。

微電網(wǎng)中各子系統(tǒng)的無功功率與有功功率情況如圖3 所示。在關(guān)聯(lián)參考方向(電流、電壓為同方向)下，若功率的數(shù)值為正，則為系統(tǒng)需求功率；若功率的數(shù)值為負(fù)，則為系統(tǒng)輸出功率。圖3 中Qg為配電網(wǎng)與微電網(wǎng)交換的無功功率；QW為風(fēng)電機(jī)組輸出的無功功率；QPV為光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的無功功率；QL為負(fù)荷需求的無功功率。

結(jié)合圖2 和圖3 可以看出，UPCC在運(yùn)行過程中保持穩(wěn)定。負(fù)荷需求的有功功率PL約為0.6 MW，無功功率QL約為0.3 MVar；風(fēng)電機(jī)組按照風(fēng)速變化輸出有功功率PW，其IW的幅值變化與其有功功率曲線的變化趨勢一致；光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)太陽輻照度的變化輸出有功功率PPV；由于風(fēng)電機(jī)組和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率之和大于負(fù)荷需求的有功功率，因此剩余的有功功率會全部饋入配電網(wǎng)，負(fù)荷需求的無功功率由配電網(wǎng)提供。由配電網(wǎng)功率特性曲線可以看出，饋入配電網(wǎng)的有功功率Pg跟隨微電網(wǎng)的總功率的變化而變化，輸出的無功功率Qg約為0.3 MVar，符合功率平衡條件，保證了微電網(wǎng)的靈活穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 微電網(wǎng)孤島運(yùn)行負(fù)載階躍工況仿真

微電網(wǎng)為孤島運(yùn)行模式時(shí)，儲能電池系統(tǒng)通過逆變器為微電網(wǎng)提供電壓支撐，仿真模型接入0.6 MW 有功負(fù)載和0.3 MVar 感性無功負(fù)載；微電網(wǎng)由08:00 運(yùn)行至12:00 時(shí)，負(fù)荷需求的有功功率階躍增至1.5 MW，微電網(wǎng)內(nèi)子系統(tǒng)的響應(yīng)特性曲線如圖4 所示。儲能電池系統(tǒng)的響應(yīng)特性曲線如圖5 所示，其中，PESS、QESS分別為儲能逆變器的有功功率和無功功率；IESS為儲能逆變器的電流；UB為儲能電池充電電壓；IB為儲能電池充電電流。

由于微電網(wǎng)的電壓UPCC是由儲能電池經(jīng)過逆變器提供，結(jié)合圖4 和圖5 可以看出，在微電網(wǎng)運(yùn)行過程中，其電壓保持穩(wěn)定狀態(tài)。風(fēng)電機(jī)組按照風(fēng)速變化輸出有功功率，光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)太陽輻照度的變化輸出有功功率，這與并網(wǎng)狀態(tài)下相似；風(fēng)電機(jī)組和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率大于負(fù)荷需求的有功功率，因此，儲能電池系統(tǒng)處于充電狀態(tài)，儲能逆變器為負(fù)荷提供0.3 MVar 的無功功率。儲能電池充電電流隨風(fēng)電機(jī)組有功功率的波動而變化。在t=12:00之后，隨著負(fù)荷功率需求的增加，儲能電池系統(tǒng)跟隨負(fù)荷的需求而響應(yīng)，負(fù)荷變化前、后儲能電池需求功率的階躍變化導(dǎo)致了儲能電池充電電流的階躍變換，儲能電池的充電電壓隨其充電電流減小出現(xiàn)階躍式降低，儲能電池SOC曲線增長速度變緩，顯示其充電速度降低，驗(yàn)證了儲能控制策略的有效性。

4 結(jié)論

本文對包含有2 MW 風(fēng)電機(jī)組、1 MW 光伏發(fā)電系統(tǒng)和500 kWh 儲能電池系統(tǒng)的風(fēng)光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并給出了微電網(wǎng)在并網(wǎng)和孤島運(yùn)行狀態(tài)下能量管理系統(tǒng)跟隨負(fù)荷需求響應(yīng)控制儲能電池系統(tǒng)出力的控制策略；在MATLAB/Simulink 環(huán)境下模擬分析了微電網(wǎng)子系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行工況和孤島運(yùn)行負(fù)載階躍工況下的響應(yīng)特性。結(jié)果表明，本文所提出的控制策略能夠維持微電網(wǎng)的功率平衡，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光儲微電網(wǎng)的靈活、安全運(yùn)行。