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[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, 將其進行分類處理，使得孤立微網(wǎng)具有經(jīng)濟快速的調(diào)頻策略。文獻[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[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[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[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)?；旌戏抡嫫脚_

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，可以實時運行微網(wǎng)等系統(tǒng)模型，且擁有充裕的I/O通道進行硬件在環(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)?；旌戏抡娴奈锢斫涌冢粚嶋H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，基于此建立微網(wǎng)全數(shù)字實時仿真模型，并對數(shù)?；旌戏抡孢\行狀態(tài)進行實時監(jiān)控；

B模塊為eMEGAsim實時仿真器目標(biāo)機，將仿真器主機建立的數(shù)學(xué)模型通過編譯下載到仿真器目標(biāo)機，以進行實時仿真。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三相四象限運行的線性功率放大器，主要進行電壓放大，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運行狀態(tài)。

儲能系統(tǒng)通過串口RS232與仿真器目標(biāo)機進行通信，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)機的模擬量輸入板卡進入數(shù)字仿真系統(tǒng)，將實際儲能系統(tǒng)的運行特性反饋入數(shù)字系統(tǒng)，形成功率級硬件在環(huán)(Power-Hardware-In-the-Loop，PHIL)，即數(shù)模混合仿真?；诖罱ǖ臄?shù)?；旌戏抡嫫脚_，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。