引言

綠色能源是我國實現(xiàn)雙碳目標的主力軍,大力發(fā)展綠色能源能有效降低碳排放。但鑒于新能源的固有特性,其被稱為"垃圾電"的問題暫時還沒有良好的解決方案,因此若大量新能源并網(wǎng)對電網(wǎng)當(dāng)前的穩(wěn)定性會造成很大的沖擊,主要體現(xiàn)在電壓和頻率擾動、潮流方向等方面,在一定程度上影響了電網(wǎng)調(diào)度和運行,尤其是頻率擾動,其存在較強的無序性,將增加調(diào)頻計算的復(fù)雜度。而傳統(tǒng)電源由于運行出力的穩(wěn)定性較高,所以調(diào)節(jié)方法較為固定,但卻不適用于光伏、儲能這類分布式能源。因此,有必要針對分布式能源的并網(wǎng)調(diào)頻問題進行研究。

1光伏電源對電網(wǎng)頻率的影響分析

對于小型光伏電站而言,在天氣較為穩(wěn)定時所存在的小幅度功率波動能夠被電網(wǎng)自身的裕度消納,不會產(chǎn)生明顯影響。但是大規(guī)模并網(wǎng)會存在更加難以預(yù)測的不確定性,可能會導(dǎo)致電網(wǎng)頻率失穩(wěn)。

光伏系統(tǒng)實際出力和理想出力曲線的對比示意如圖1所示。從圖中可以看出,實際出力由于受到云層等因素影響,會存在明顯的波動性,而理想的曲線應(yīng)該是按照最大出力構(gòu)成的一條光滑曲線。

圖1光伏實際出力和理想出力曲線對比圖

光伏系統(tǒng)發(fā)電功率對電網(wǎng)頻率的擾動如下:

其中,A/為對電網(wǎng)頻率的擾動程度,APpvi為光伏功率波動,由此可知功率波動與頻率波動正相關(guān)。

2電池儲能調(diào)頻原理及模型

電池儲能系統(tǒng)具有毫秒級響應(yīng)速度,能夠?qū)崿F(xiàn)快速精確而穩(wěn)定的功率輸出,且具備充放電雙向調(diào)節(jié)能力。電池儲能的特性很好地彌補了因自然波動導(dǎo)致的分布式電源引起的頻率擾動問題。

為了避免小擾動對電力系統(tǒng)的影響引起誤動,通常將調(diào)頻死區(qū)設(shè)置為-0.033~＋0.033～Hz，死區(qū)范圍內(nèi)的擾動不進行調(diào)頻,其動作示意圖如圖2所示。當(dāng)頻率上升超過死區(qū)進入C區(qū)域后,儲能系統(tǒng)作為負荷吸收有功功率:當(dāng)頻率下降超過死區(qū)進入B區(qū)域后,儲能系統(tǒng)充當(dāng)電源輸出有功功率。以此實現(xiàn)了對電網(wǎng)頻率進行調(diào)節(jié)的作用。

實際應(yīng)用中的電池儲能系統(tǒng)拓撲如圖3所示,包括了本體和功率轉(zhuǎn)換裝置。對于該系統(tǒng)進行建模主要有4種方法,分別是一階慣性系統(tǒng)模型、戴維寧等效電路模型以及這兩種模型的兩個變體。

圖3電池儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

不論選取何種模型,都需要對儲能電池實時SOC狀態(tài)量進行計算,設(shè)其為s,其初始值為s_ref,則i時刻的計算公式為:

其中△T、P_b、E_rt分別為儲能間隔、當(dāng)前功率和額定容量,且存在以下約束關(guān)系:

式中:S_H、S_L分別為儲能電池SOC上下限。

3光儲系統(tǒng)調(diào)頻策略及仿真研究

對儲能電池充放電控制參與調(diào)頻常用方法為下垂控制,該方法未考慮SOC狀態(tài)對系統(tǒng)的影響,在大電站小儲能配置中存在較為明顯的缺陷。因此,本文將SOC狀態(tài)作為控制變量引入下垂控制方法中,以彌補差異化場景下的應(yīng)用缺陷。算法中將SOC狀態(tài)分為下限、較低、較高、上限4個區(qū)間,分別定義為S_L、S₁、S_h、S_H。在不同的狀態(tài)區(qū)間范圍內(nèi)對儲能電池功率調(diào)節(jié)系數(shù)K_b賦以不同的取值。具體取值邏輯如下:

(1）S∈[S_L,S₁]時,電池SOC狀態(tài)較低,此時的可充電容量較大,可以設(shè)置更大的功率調(diào)節(jié)系數(shù)進行充電,通常以最大功率調(diào)節(jié)系數(shù)K_max進行充電。即:

式中:K_ch為充電時的系數(shù)。

當(dāng)放電作業(yè)時,為了更好地維持電池的性能,其放電系數(shù)為二次函數(shù),為:

式中:K_disch為放電時的系數(shù)。

(2）S∈[S₁,S_h]時,電池處于能量較為平衡的區(qū)間,可以進行較為自由的充放電,則:

(3）S∈[S_h,S_H]時,電池的SOC狀態(tài)較高,可放電的容量較為充裕,可以進行較為快速的放電控制,則可設(shè)置系數(shù)為:

但此時的充電裕度較為有限,為了更好地維持電池的性能,其充電系數(shù)為二次函數(shù),為:

基于該控制邏輯,本文在下垂控制的基礎(chǔ)上進行了以上約束,并將其作為反饋量參與系統(tǒng)控制。通過對電池功率調(diào)節(jié)系數(shù)的控制來保障電池的SOC狀態(tài)相對穩(wěn)定,既可以延長電池壽命,也能增強電池的調(diào)頻效果。

在仿真中,50s時外部產(chǎn)生一個0.085的階躍擾動,以模擬光伏發(fā)電對電網(wǎng)系統(tǒng)的功率沖擊。由圖4可以看出,不加儲能調(diào)頻的系統(tǒng)會有顯著的頻率波動,但使用了下垂控制后能在一定程度上穩(wěn)定系統(tǒng)頻率,沒有產(chǎn)生大幅的波動。此外,本文方法和傳統(tǒng)的下垂控制方法相比,由于對充放電邏輯進行了約束,所以系統(tǒng)頻率以較為平滑的方式趨于穩(wěn)定,不會對系統(tǒng)產(chǎn)生二次沖擊。

4結(jié)語

大規(guī)模光伏發(fā)電接入系統(tǒng)會對電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率產(chǎn)生較為明顯的沖擊,因此在光伏發(fā)電系統(tǒng)中配置儲能電池系統(tǒng),共同調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率,可以減弱發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的沖擊。本文分析了電池儲能調(diào)頻的原理并建立了基本模型,而后在傳統(tǒng)下垂控制的基礎(chǔ)上,對電池的SOC狀態(tài)進行了約束控制,并通過仿真表明本文的方案可以減弱對系統(tǒng)頻率的沖擊。