考虑平抑新能源电站功率波动...治理的储能系统控制策略研究_李秀芬.pdf

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/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 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 harmonic 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 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 unified 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 algorithm.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 PowerFluctuations 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*Cdqabcpq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=23|sint 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+()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