張棋

國電南京自動化股份有限公司 江蘇 南京 210032

引言

隨著能源戰(zhàn)略的調(diào)整，新能源在能源領(lǐng)域的地位顯著提高，水能、風能、太陽能等的應用范圍顯著擴大，這些新能源逐步朝著規(guī)?；⑸虡I(yè)化方向邁進。電站在原有的生產(chǎn)方式下暴露了諸多問題，為迎合可持續(xù)發(fā)展步伐，國家增大了在新能源電站中的投入，新能源電站的建設數(shù)量逐年遞增，規(guī)模逐步擴大。多能互補新能源電站的運行模式更為復雜，為提高電站運行效率，有關(guān)人員需結(jié)合其能源類型及互補形式等，優(yōu)選最佳的協(xié)調(diào)控制策略。未來行業(yè)內(nèi)需持續(xù)研究多能互補新能源電站的建設與運行方式。

1 多能互補發(fā)電系統(tǒng)的基本特點

1.1 獨立性

多能互補新能源發(fā)電系統(tǒng)具有系統(tǒng)集成性，實現(xiàn)了原先單一系統(tǒng)的結(jié)合，能統(tǒng)一協(xié)同發(fā)電時的能源供給過程。多能互補新能源發(fā)電系統(tǒng)中，單一子系統(tǒng)具有一定的獨立性，子系統(tǒng)運行狀態(tài)會影響新能源系統(tǒng)中不同能源供給的銜接效果。目前我國很多地區(qū)開始推廣混合式發(fā)電方式，這一方式下雖能保持能源互補，但并不能凸顯新能源發(fā)電的主體特點，在發(fā)電過程中伴隨著一定的能源浪費、環(huán)境污染[1]。因此，多能互補模式下，保持每一子系統(tǒng)的獨立工作，是多系統(tǒng)銜接的前提條件。

1.2 穩(wěn)定性

當前各地區(qū)都在建立新能源發(fā)電系統(tǒng)，為促進這一系統(tǒng)的高效運行，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟、社會與環(huán)境效益，必須將多能互補作為重點，保持多能互補新能源發(fā)電的穩(wěn)定與安全。一些新能源發(fā)電呈現(xiàn)周期性、階段性特征，為此，相關(guān)人員在設計新能源發(fā)電模式時需分析不同時間段每一子系統(tǒng)的發(fā)電情況，參考發(fā)電總量、電力能源綜合利用率，優(yōu)化多能互補新能源系統(tǒng)的能源配置形式[2]。經(jīng)由多能互補，可優(yōu)化發(fā)電能源調(diào)配，促進風能、生物質(zhì)能、地熱能發(fā)電的協(xié)同，增強該地區(qū)的供電穩(wěn)定性與持續(xù)性。

1.3 安全性

多能互補新能源發(fā)電中，系統(tǒng)安全也是需關(guān)注的重點方面，因為許多因素都會影響多能互補新能源系統(tǒng)的運行情況，相關(guān)人員在具體的工作中需優(yōu)化細節(jié)。不同于傳統(tǒng)的發(fā)電方式，新能源發(fā)電的方法及形式多樣，在提取電力能源、供給發(fā)電能源的過程中，相關(guān)人員需分析每種新能源發(fā)電形式、過程，從發(fā)電需求著手，合理控制多能互補新能源發(fā)電的電壓、電流與電阻，防止電流、電壓數(shù)據(jù)誤差或者兼容性不足所引發(fā)的安全事故。

2 系統(tǒng)出力平滑協(xié)調(diào)控制策略

2.1 多能互補的混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

此系統(tǒng)的構(gòu)成復雜，有光伏陣列、氫燃料電池、蓄電池、超級電容器等，這些構(gòu)成部分經(jīng)由雙向整流變換器接入800V的微電網(wǎng)直流母線。光伏陣列中產(chǎn)生的電能資源被輸送給直流母線，其輸送過程中需經(jīng)過DC-DC升壓斬波電路，直流母線接收到電能后，再由DC-AC逆變變流器將直流電網(wǎng)系統(tǒng)接入交流母線，交流母線接入外部電網(wǎng)或本地負載，達到并網(wǎng)目的[3]。逆變系統(tǒng)中包含三相交流逆變器、LC濾波器，多余的電能通過電解槽形成氫氣，被存放于儲氫罐。

多能互補新能源電站中，包含多個儲能系統(tǒng)，不同系統(tǒng)之間的能量流動較為復雜，為實現(xiàn)新能源電站協(xié)調(diào)控制的目標，有關(guān)人員必須理清不同儲能系統(tǒng)之間的能量流動規(guī)律，優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制流程。能量流動關(guān)系如圖1所示。

圖1 能量流動關(guān)系

在上述關(guān)系下的功率傳輸相對復雜，這些傳輸過程確保了能源供應的穩(wěn)定性與持續(xù)性。不同功率傳輸關(guān)系為：

2.2 多能互補系統(tǒng)的能量協(xié)調(diào)

多能互補新能源系統(tǒng)中的能量傳輸較為復雜，只有做好協(xié)調(diào)控制，才能提高能源利用率。本研究中重點闡述的是功率分配型方式。

如在實際的協(xié)調(diào)控制中選用電壓跟隨型方式，三相逆變器為其中不可或缺的部分，其負責控制直流母線端的電壓，可避免此處的電壓值過大或者過小。系統(tǒng)運行過程中電網(wǎng)側(cè)所需的有功功率完全由發(fā)電單元來承擔，涉及氫燃料電池、蓄電池與光伏發(fā)電。通過上述分析，存在以下關(guān)系：

多能互補協(xié)調(diào)控制模塊的儲能部分，其功率值要經(jīng)歷一系列的傳輸過程，首先由低通濾波部分完成前期處理，處理后得到的結(jié)果再依次分配給氫燃料電池、蓄電池、超級電容器。蓄電池功率、超級電容功率分別為：

多能互補系統(tǒng)運行期間，光伏發(fā)電單元為其中的重要構(gòu)成，其為MPPT模式。為實現(xiàn)直流母線電壓的動態(tài)平衡狀態(tài)，需滿足以下條件：

也就是說，發(fā)電側(cè)全部單元的提供功率與三相逆變器的輸出功率相同。因此，為精準控制功率偏差，應發(fā)揮存儲單元的協(xié)調(diào)作用。實際的工作中需建立以下模型：

與上述原理一樣，多能互補混合能量存儲功率一般在保持母線電壓穩(wěn)定的狀態(tài)下將其再次分給蓄電池、超級電容器。一旦發(fā)電側(cè)的能量值與三相逆變器負載端消耗能量、輸送于電網(wǎng)中的能量總和相等，直流母線電壓在很長時間內(nèi)保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 多能互補儲能綜合控制方式

多能互補的混合能量存儲系統(tǒng)涉及了諸多構(gòu)成部分，功率管理控制策略相對有效，此思路下設計的控制系統(tǒng)能自動依據(jù)采集的光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，從穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟等角度確定最佳的功率值。

在光伏發(fā)電的低谷期，光伏輸送的功率值較小，其數(shù)值一般達不到保持直流母線電壓穩(wěn)定的800V，此時直流母線電壓等級明顯小于蓄電池額定電壓，為蓄電池向直流母線充電的情況，蓄電池放電，上半橋臂開關(guān)管斷開，雙向DC-DC斬波電路變流器同樣在其中起著關(guān)鍵作用，相當于升壓斬波電路?？刂葡到y(tǒng)通過控制下半橋臂的開關(guān)管，即可保持蓄電池的恒流放電狀態(tài)，同樣通過調(diào)節(jié)回路電感來控制其回路電流，使電流長時間維持在穩(wěn)定狀態(tài)。

蓄電池與超級電容器在充放電期間，能量存儲系統(tǒng)所吸收或釋放的功率要經(jīng)過低通濾波器進行處理，在處理以后主要有高頻功率分量、低頻功率分量兩個部分。相對來說，蓄電池的存儲容量異常大，一般可吸收或釋放低頻分量，構(gòu)建完善的單電流控制環(huán)即可獲取充放電期間的預期電流值。

多能互補儲能系統(tǒng)中超級電容器的作用突出，其承擔著蓄電池功率供給直流母線負荷功率的差值部分。超級電容器的充放電速度快，絕大部分情況下為高頻變動功率，從這一方面分析，控制超級電容器吸收或釋放來自光伏陣列、用戶/直流母線負載突變的高頻功率。

2.4 算例分析與討論

為檢驗本研究中多能互補新能源電站中混合儲能控制方式的控制水平，可借助PSCAD建設仿真模型，完成仿真模擬。通過在該模型中模擬系統(tǒng)運行狀態(tài)及控制過程，可判定該控制方式是否有效。在建立了仿真平臺后，建立以下模型：0～1s，光照強度、溫度、直流母線電壓平衡穩(wěn)定狀態(tài)的有關(guān)參數(shù)分別為998lx、25℃、800V，1.1s的時間內(nèi)模擬陰天或夜間調(diào)整光照強度，將其變?yōu)?lx，溫度維持原狀，此時直流母線電壓值顯著減小，基本維持在600V上下。在1.1～2s的時間段，超級電容器燃料電池處于放電狀態(tài)，此時直流母線電壓值，在2s的瞬時時間段內(nèi)增大到800V，此時系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

0～0.3s內(nèi)，光照強度為0lx，溫度25℃，直流母線電壓在0.3s的時間保持穩(wěn)定，其電壓值為800V。在0.3s模擬夜晚到白天凌晨情況，變更光照強度，調(diào)整到1293lx，溫度不變，依舊為25℃，此時直流母線電壓值異常增大，僅經(jīng)過0.15s時間就增加了300V，保持在1100V左右。在0.45～1s時間段內(nèi)，多余電量經(jīng)由電解槽產(chǎn)生氫氣，此時直流母線電壓值顯著減小，在1s時刻重新達到800V，系統(tǒng)運行相對穩(wěn)定。

光照強度1000lx、溫度25℃的情況下，調(diào)整用戶負載端的功率值，直流母線電壓值相對穩(wěn)定，基本保持在800V上下。功率分配型方式可提高三相逆變器控制的靈活性。

綜合上述，多能互補系統(tǒng)控制裝置下基本能保持直流母線電壓的穩(wěn)定狀態(tài)，使電壓基本保持在800V左右，實現(xiàn)動態(tài)平衡。利用功率分配方式能使三相逆變器能依據(jù)并網(wǎng)側(cè)功率需求，合理調(diào)節(jié)無功功率與有功功率，保持電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運行。以氫燃料電池、超級電容器和蓄電池構(gòu)成的多能互補協(xié)調(diào)控制策略，能克服蓄電池、超級電容器在充放電階段電流頻繁變化的難題，控制效率高、響應速度快。多能互補協(xié)調(diào)控制裝置的出力平滑控制策略下，系統(tǒng)運行更為穩(wěn)定且可靠，此時的光伏陣列在最大輸出功率點，光伏電網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀態(tài)良好，在并網(wǎng)過程中能快速減小因交流側(cè)用戶負荷突變、直流母線側(cè)負載突變引發(fā)的配電網(wǎng)異常變化，提高配電網(wǎng)的運行可靠性，保持高效率、高效益運行狀態(tài)下。

3 結(jié)束語

現(xiàn)階段的能源領(lǐng)域，多能互補的提及頻次顯著提高，但多能互補新能源電站的協(xié)調(diào)控制難度較大，為達到控制目標，相關(guān)人員在當下及未來都需根據(jù)多能互補組合形式等，不斷創(chuàng)新控制理念及方法。