考虑平抑新能源电站功率波动和谐波治理的储能系统控制策略研究.pdf
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1、2023年第41卷第3期考虑平抑新能源电站功率波动和谐波治理的储能系统控制策略研究李秀芬,李泽昊,赵建利(内蒙古电力(集团)有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司,呼和浩特010020)0引言随着并网发电技术的不断发展,使得风光等新能源具备了大规模开发的条件,建设集中式新能源电站是高效利用新能源的主要方式1-2。但是,由于新能源的间接性和强随机波动性,直接大规模并网将会对电力系统的调度运行产生较大影响3-4。新能源电站配置一定容量的储能或购买储能,通过储能调峰能力来平抑新能源功率波动,成为目前减少弃风弃光现象和提升并网发电能力的有效手段5-6。摘要:针对储能系统平滑新能源电站功率波动存在平抑性
2、能与电网谐波治理难以协调的情况,本文提出一种基于低通滤波原理的储能系统平滑新能源电站波动的控制策略,从而解决储能负担较大和新能源电站出力波动平抑效果不佳的问题。利用低通滤波模型构建储能系统平抑功率波动模块,通过有功无功解耦控制进行不同天气情况下滤波时间常数选取。采用电池储能系统平滑功率波动和有源滤波模块的统一控制策略,实现储能系统平抑新能源出力波动和电网谐波治理的协同控制。最后,通过算例验证了所提算法的有效性。关键词:新能源电站;储能;低通滤波;功率波动;平滑控制文献标志码:A文章编号:1008-6218(2023)03-0016-10中图分类号:TM712;TM912doi:10.19929
3、/ki.nmgdljs.2023.0035基金项目 内蒙古自治区自然科学基金重大项目“支撑大规模风电消纳的多元复合储能系统机理及应用研究”(2020ZD16)内 蒙 古 电 力 技 术INNER MONGOLIA ELECTRIC POWERRe s e a r c ho nCo n t r o l St r a t e g yo fEn e r g ySt o r a g eSy s t e m Co n s i d e r i n gSu p p r e s s i o no fPo w e rFl u c t u a t i o n sa n dH a r mo n i cM a n a
4、 g e me n tf o rNe w En e r g yPo w e rSt a t i o nLI Xiufen,LI Zehao,ZHAO Jianli(Inner Mongolia Power(Group)Co.,Ltd.,Inner Mongolia Power Research Institute Branch,Hohhot010020,China)A b s t r a c t:It is difficult to coordinate the smooth performance of new energy station power fluctuation with ha
5、rmonic controlin power system.In order to solve the problems of large energy storage burden and poor output fluctuation control effect ofnew energy power station,this paper proposes an energy storage system based on the principle of lowpass filtering tosmooth the fluctuation control strategy of new
6、energy power station.According to the lowpass filtering model,the powerfluctuation suppression module of an energy storage system is constructed,and the filtering time constant is selected underdifferent weather conditions by active and reactive decoupling control.The smoothing power fluctuation uni
7、fied controlstrategy of battery energy storage system and active filter module is adopted to realize coordinated control of energy storagesystem to smooth new energy output fluctuation and power grid harmonic control.Finally,some case studies are given toshow the effectiveness of the proposed algori
8、thm.K e yw o r d s:new energy power station;energy storage;lowpass filtering;power fluctuation;smooth control引用格式:李秀芬,李泽昊,赵建利.考虑平抑新能源电站功率波动和谐波治理的储能系统控制策略研究J.内蒙古电力技术,2023,41(3):1625.LI Xiufen,LI Zehao,ZHAO Jianli.Research on Control Strategy of Energy Storage System Considering Suppression of PowerFl
9、uctuations and Harmonic Management for New Energy Power StationJ.Inner Mongolia Electric Power,2023,41(3):1625.162023年第41卷第3期李秀芬,等:考虑平抑新能源电站功率波动和谐波治理的储能系统控制策略研究针对新能源电站和储能系统的研究主要包括:利用储能的能量时移特性对负荷进行跟踪,消除新能源反调峰特性影响7-10;利用储能的快速响应特性抵消新能源预测值和实际值的差额,提升新能源预测精度,研究针对新能源预测不平衡和优化储能配置11-14;利用储能平滑新能源出力波动,保持电力系统安全
10、稳定运行,研究针对新能源波动平滑的控制策略15-16。目前,在储能系统平抑新能源电站出力波动方面,国内外学者均开展了相关研究工作,提出了一些较为实用的平抑算法,比较主流的算法包括滤波算法、模型预测算法。文献17利用一阶低通滤波器将新能源输出功率的中高频波动分量剔除,达到平滑并网功率的效果。但电网侧与电力电子变换器均存在谐波,同时低通滤波算法对新能源功率波动较为敏感,使得该控制策略适应性不强,且滤波时间参数难以确定。而在设备级的功率调节方面,文献18是基于直流有源滤波器实现直流链纹波电流的抑制。文献19利用荷电状态(State of Charge,SOC)偏差、频率偏差以及滤波时间常数之间的关系
11、确定滤波时间常数,使得储能系统的SOC工作在正常范围内。因计算量小、原理简单,低通滤波算法在平滑新能源波动中得到广泛应用。部分学者采用了模型预测控制的技术以平滑新能源功率波动。文献20结合风电场功率预测技术,充分考虑储能电池放电深度、SOC等因素,有效实现平滑输出功率,但该策略需要有超高的风功率预测水准。文献21将两个一阶滤波分配算法串联构成二阶滤波算法,根据超级电容荷电状态自适应调节其滤波时间常数,使超级电容荷电值处于缓冲区时,基于变时间常数分配高低频功率,对混合储能各部分进行平抑。文献22构建了低通滤波器与模型预测控制之间的联系,实现了新能源功率波动平抑。上述技术方案均可对新能源输出功率进
12、行分解,得到高频的波动功率和较平滑的并网功率,但在协调有效平滑新能源功率波动和电网谐波统一控制的问题上,效果并不理想,可能造成并网功率的过度平滑,加大储能系统的负担。基于此,构建一种同时兼顾平滑新能源电站功率波动和电网谐波治理的控制策略具有重要的应用价值和研究意义。针对上述问题,本文提出一种能平抑新能源电站功率波动和谐波治理的储能系统控制策略。首先,给出了储能系统平滑可再生能源电站波动控制结构,实现有功无功的解耦控制。其次,基于低通滤波原理构建平滑控制策略,获得不同天气情况下滤波时间常数的选取原则。最后,提出了储能系统平抑新能源电站功率波动和有源滤波的统一控制策略,通过储能系统的控制策略实现了
13、平抑新能源功率波动与电网谐波治理。1储能系统平抑功率波动解耦控制模型储能变流器(Power Conversion System,PCS)可实现储能电池与交流电网之间双向能量传递,一般由DC/AC逆变器和LCL滤波器组成。变流器的并网控制策略为PQ控制,即通过控制并网电流实现变流器吸收或释放给定的有功和无功功率。储能系统平抑新能源电站功率波动的控制结构如图1所示。PCS采用传统的PI控制,但在正弦量控制中,PI控制难以达到无差跟踪目标。因此,通过dq坐标变换,将三相交流电流转换到旋转坐标系下进行控制。LCL滤波器是在dq坐标系下的高阶耦合系统,当电容值远小于电感时,LCL滤波器可以忽略电容的耦合
14、作用,直接采用电感滤波控制方式。而电容值较大时,需要在dq坐标系下进行解耦控制。为了实现解耦控制,在dq坐标系中将三相并网电流转换成两相坐标系下的直流量,从而使PI控制起到有效图1储能平抑新能源电站功率波动控制示意图Fig.1 Schematic diagram of power fluctuation control forenergy storage suppression of new energy power stationUabciabcCabcdqPbQbidqedqidrefQbPbPrefQref-PIPIiqref可再生能源发电厂电网L2L1CSabcuabc*Cdqabcp
15、q解耦控制PWM调制图中:Uabc为并网点电压;iabc为并网点电流;Cabcdq为转换到dq坐标系的变换矩阵;edq为dq坐标系下的电压;idq为dq坐标系下的电流;Pref为有功参考功率;Qref为无功参考功率;Pb为储能系统实际发出有功功率;Qb为储能系统实际发出无功功率;idref为Pref与Pb经PI控制器输出的有功电流指令;iqref为Qref与Qb经PI控制器输出的无功电流指令;Cdqabc为解耦到三相坐标系的变换矩阵;uabc*为经过波动控制后的电压;Sabc为新能源电站平抑控制后功率;L1和L2为滤波电感;C为滤波电容。172023年第41卷第3期内 蒙 古 电 力 技 术的
16、误差调节作用。dq坐标系中,解耦变换矩阵Tabc/dq可表示为:Tabc/dq=23sint sint-23sint+23cost cost-23cost+23,(1)式中:为网侧电压角频率(由锁相环检测网侧电压相位得到),rad/s;t为时间,s。在模型中引入电容电流ICabc可得:Uabc=L1dICabcdt+()L1+L2dIabcdt+Eabc,(2)式中:Uabc、ICabc、Iabc和Eabc分别表示变流器输出电压,V,滤波电容电流,A,网侧电流,A,网侧电压,V。对公式(2)进行 dq 坐标变换,结果见式(3)(4):Tabc/dqUabc=L1Tabc/dqdICabcdt+
17、()L1+L2Tabc/dqdIabcdt+Tabc/dqEabc,(3)Ud=()L1+L2dIddt+L1dICddt+()L1+L2Iq+L1ICq+EdUq=()L1+L2dIqdt+L1dICqdt-()L1+L2Id-L1ICd+Eq,(4)式中:Ud与Uq、Id与Iq、ICd与ICq、Ed与Eq分别表示变流器d、q轴输出电压、网侧电流、滤波电容电流和网侧电压的坐标分量。在公式(4)中,微分项的数值可通过PI控制器计算得到,其余项可通过交叉解耦方式进行补偿,即可实现PQ的解耦控制。其中,由锁相环PLL检测网侧电压获得,在理想情况下令Eq=0,而Ed为相电压幅值。综上所述,有功参考功
18、率Pref由平滑可再生能源功率波动控制策略决定,无功参考功率Qref由电网调度指令提供;储能系统实际发出有功Pb和无功功率Qb,由测量电压Uabc和电流iabc计算所得。Pref与Pb经PI控制器输出有功电流指令idref,Qref与Qb经PI控制器输出无功电流指令iqref。PCS基于上述得到idref与iqref,通过PQ解耦控制实现储能释放吸收有功功率和无功功率,达到平抑电站出力波动和满足电力系统对无功的需求。2基于低通滤波原理的平滑控制策略为保持新能源电站处于最大发电能力,通常仅输出有功功率PR,无功功率QR为0。将电站输出的PR经过低通滤波器处理后,可滤除高频成分,得到注入电力系统的
19、平滑功率PG。图2为一阶低通滤波原理,其中T表示滤波时间常数,该参数对储能功率容量确定及新能源波动平抑效果具有重要作用。在不考虑储能运行损耗的情况下,PG可由公式(5)计算得到。储能系统充放电功率Pb由公式(6)计算得到,经由能量管理系统确定有功给定值指令Pref。为分析简便,储能系统提供无功功率Qref为0。PG=11+sTPR,(5)Pb=PR-PG=sT1+sTPR。(6)低通滤波器波特图特性如图3所示。其幅频函数为单调递减函数,当频率取0时,幅值达到最大值1;当频率为c时(即截止频率),幅值为0.707。由此可知,大于截止频率的波动将被抑制。由于频率和滤波时间常数T成反比,因此当T取值
20、较大时,经一阶低通滤波后输入电网的功率波动则越小。图4给出了不同时间常数下储能出力传递函数的波特图。从图中可以看出,对于滤波时间常数为T1的曲线,理论上储能可以补偿频率大于1的所有图2低通滤波算法简图Fig.2 Schematic diagram of lowpass filtering algorithm+-PRPGPb11+sT图3一阶低通滤波器波特图Fig.3 Baud diagram of firstorder lowpass filter10.90.80.70.60.50.40.30.20.10c角频率/(rad s-1)幅值182023年第41卷第3期李秀芬,等:考虑平抑新能源电站
21、功率波动和谐波治理的储能系统控制策略研究波动,且有12T2T3,也就是说,滤波时间常数越大,储能所补偿的频率范围就越大。3储能系统有源滤波功能的平滑策略由于天气的多变性,可再生能源电站实际功率波动通常小于最大功率波动值,因此参与平滑可再生能源功率波动的储能系统往往有较高剩余容量,导致设备利用率低。为此基于有源滤波器电路拓扑和控制结构,提出了具有平滑功率波动与有源滤波功能统一的控制模式,其控制结构如图5所示,主要包括谐波电流检测、储能能量管理系统、平滑控制、功率限幅模块、电流指令合成与PWM信号调制等功能环节。3.1平滑波动电流指令计算将电站的输出信号PR经过低通滤波器处理后,可滤除高频成分,得
22、到注入电力系统的平滑信号PG。储能系统提供无功功率Qref由电网调度指令决定,为分析简便,令储能系统提供无功功率 Qref为0。为了便于对谐波电流进行限幅处理,选择在三相坐标系下合成储能系统平滑波动与有源滤波的电流指令。因此,根据瞬时功率理论,将Pref、Qref转换到三相静止坐标系下pref、qref,电流指令iba、ibb、ibc由公式(7)(10)推导计算得到。prefqref=eee-eibib,(7)ee=Cabc-eaebec=231-12-12032-32222222eaebec,(8)ibib=eee-e-1prefqref=1e2+e2 eee-eprefqref,(9)ib
23、aibbibc=C-1abc-ibib=231-12-12032-32222222Tibib,(10)式中:e、e为在两相绕组下的电压值,V;ea、eb、ec为测量电压,V;ib、ib为两相静止坐标系下的电流指令。3.2谐波电流指令检测基于瞬时功率理论的谐波检测电路是有源滤波功能实现的关键,检测电路如图6所示。基于瞬时功率理论的谐波检测电路,可以由式(11)求得谐波电流iLabch。iLahiLbhiLch=iLaiLbiLc-C-1abc-C-1-pqiLpiLq0。(11)3.3限幅钳位电流计算当不考虑储能PCS的容量限制,储能系统在实现平滑波动功能时,可以完全补偿电网谐波电流,图5储能系
24、统平滑波动与有源滤波功能统一控制结构Fig.5 Unified control structure for smooth fluctuation andactive filter functions of energy storage system可再生能源发电厂PGQGPRQRPCC负荷电网iLabceabcihabc能量管理系统指令电流计算模块sT1+sTPRVbSOCPb1PrefibabciLabchPWM调制Sabc检测SOCVbPLLIabcQref=0Ca-pq-1Cabc-a-1Ca-pqCabc-aMAFMAF限幅模块iLpiLp+-iLqiLqKiLabcfiLabchiL
25、abch-iLabc图4不同时间常数下储能传递函数波特图Fig.4 Baud diagram of energy storage transfer functionunder different time constants10.90.80.70.60.50.40.30.20.10123T1T2T3幅值图中:PCC为新能源电站并网点;Vb为蓄电池系统在使用或充电状态下电化学反应所提供的电动势;eabc为测量电压;PLL为锁相环;Pb1为储能系统实际发出有功功率;I为反馈电流差;MAF为滑动平均滤波;iLabc为有源滤波电流,ibabc为平滑波动电流;iLabch为谐波电流实测值;iLabch为
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