风光储互补系统基于不确定性分析的储能配置研究

风光储互补系统基于不确定性分析的储能配置研究

刘雅 薄宇

内蒙古鲁电蒙源电力工程有限公司 内蒙古 呼和浩特 010000

摘要：在不可再生能源枯竭、环境保护双重压力下，各界加强了对风能、太阳能等分布式能源以微电网的方式并入大电网的研究。文章以风光互补微型电网运作为入手点，在微电源数学模型构建的基础上，介绍了混合储能在风光互补微型电网中的应用方法，并对其在风光互补微电网并网、离网中的控制策略进行了进一步分析，以期为系统功率平衡提供一定借鉴。

关键词：混合储能;风光互补微网

引言

近年来能源消耗不断加剧，因为大量化学能源如煤炭、石油等的大量使用，造成的环境问题日益突出，全世界都把目光转向了清洁能源，因此如何充分利用太阳能、风能等清洁能源对减少一次能源消耗及降低环境污染显得尤为重要。然而风力和光伏发电容易受到天气和气候的影响，极不稳定，这使得风光互补发电系统在并网过程中会对大电网的安全稳定运行有较大影响。当系统所发电量能满足负载的最低要求时，为减少系统的发电成本，除考虑协调系统中分布式电源的出力配合，还应综合考虑风光互补系统与大电网的电力能量交互和系统储能装置的工作运行状态。

1风光互补微网建模

1.1风力发电

风力发电主要依靠清洁能源代表———风能，其是自然界内部空气流动而产生的动能，可以驱动旋转叶片转换为机械能，进而转换为电能，受叶片面积、风速等因素影响。

1.2光伏发电

光伏发电主要是将太阳能电池作为枢纽，实现太阳能→电能的直接转换，受发电季节、温度、天气、昼夜等因素影响，不受地域限制。一般在太阳光照射在PN结(P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体基片上交界面形成的空间电荷区)上时可以形成空穴电子对，在PN结内建电场作用下空穴电子对运动可以产生光生电动势，接入负载会产生电能。理想状态下，可以将光伏电池中PN结看做理想二极管与恒流源并联，但实际情况下太阳能PN结不可避免出现损耗，

2混合储能在风光互补微网中的应用

2.1系统构成

混合储能系统由双层电容器、蓄电池构成。前者主要是在外加电磁场的作用下，极化电解液促使其内部荷电离子附着在极性不一的电机表面，形成具备储能功能的双电层。整个过程中仅充电、放电环节存在荷电离子附着，无其他化学物质释放，具有循环使用年限长(50万次)、功率密度高(7000-18000W/kg)、充放电效率高(90%)、受温度影响小、能量检测便捷、对环境无污染等优良特点，但也存在能量密度低(普通电池的1/10-1/20)、造价高等缺陷;后者主要是通过化学反应实现充放电。以铅酸蓄电池为例，在充电时可以利用外部电能激活内部化学物质再生，实现电能→化学能转换并储存，放电操作则相反。蓄电池具有成本低廉、回收利用率高(90%)等优良特点，但也存在寿命短(1000-2000次)、污染大(铅化学污染)、功率密度低(0.1-0.5KW/kg)等缺陷。

2.2连接方式

根据混合储能装置运行需求，需要选择恰当的连接方式将蓄电池与双层电容器有机组合。常用的蓄电池、双层电容器连接方式为直接并联、经电感器并联、经功率变换器(DC/DC)并联。其中直接并联主要是以并联的方式将双层电容器、蓄电池连接，实现最大电源输出功率及经济可靠效益。但是，因双层电容器内阻处于毫安级，若其与蓄电池电压差较大，则会导致连线接触点、电池组电极化桩损坏。基于此，应严格控制双层电容器、蓄电池电压值一定，不可应用滤波元件，灵活度较差;经电感器并联主要是在双层电容器、蓄电池间增设一电感器。利用电感器滤波作用，降低蓄电池能量输送，但是仍然没有从根本上解决混合储能系统端电压不可调这一问题;经DC/DC并联主要是利用单向(蓄电池→负载)、双向(蓄电池→电容器/负载，双层电容器→蓄电池)功率转换器，同时实现能量存储、释放，在保证电池利用率稳定输出的同时，提高混合储能系统调控灵活度。因此，在混合储能装置应用于风光互补微型电网中时，可以选择DC/DC变换器，拓扑结构为Buck－Boost。在这一拓扑结构中，若DC/DC运行于Buck(充电模式)电路模式，能量流动方向为母线→储能，而在DC/DC运行于Boost(放电模式)模式时，能量流动方向为储能→母线。

3风光储系统优化调度策略

3.1并网型风光储互补系统运行方式

风光互补发电系统可同时利用风能和太阳能提供能量，并能考虑到时间和气候资源变化时风力机组和光伏电池不同的发电特性，控制系统正常运作和稳定输出功率。并网型风光互补系统主要由分布式电源部分、储能系统、并网逆变器等几部分组成，分布式电源包括风力发电子系统和光伏发电子系统。并网系统设计的原理是将风光互补发电系统发的直流电转换为交流电，通过并网逆变器，转换后的交流电要满足电网标准，且使用时不区分是哪一部分提供的能量。在负荷需求低于风光互补系统发电量的情况下，若储能装置还未满电且荷电状态未到上限，储能开始吸收能量，处于充电状态。若储能的荷电状态达到上限时，考虑到储能装置的寿命和安全性，停止充电。当风光互补系统的发电量不能满足负荷需求时，储能开始释放存储的能量，以补偿所需的负荷差，储能处于放电状态。

3.2负荷分类

根据对供电可靠性的要求，将断电后对生活和生产产生较大影响的用电设备进行分级，优先保障停电影响较大的用电设备，将负荷分为一级负荷、二级负荷、三级负荷。当风光出力不满足负荷需求时，按照用电优先级从后向前依次切除负荷，这类负荷被称为可切负荷，并将一些可转移使用时间的负荷称为可转移负荷。

3.3飞轮储能系统

近年来，随着储能技术的发展，飞轮储能技术已经开始越来越多的应用在供电保障作业中。在重要节日、重要会议、重大体育赛事等场景下，通过与应急柴油发电车配合，飞轮储能技术可实现对用电敏感用户的电源零闪动要求。是一种新型的储能装置，是机械能和电能的交换装置。充电时，电动机驱动飞轮转动，实现从电能到机械能的转换；能量储存阶段，飞轮在真空中保持高速旋转状态；放电时，高速旋转的飞轮驱动发电机发电，将机械能其转换为电能为负载供电。飞轮储能能量密度高、响应速度快，同时环保性好、经济性强，市场潜力大。飞轮储能应用在光伏电站，可以根据输出优化有功和无功输出，对调节并网点电能质量具有明显作用。

3.4储能优化调度策略

风光储互补系统的运行控制多分为三种：平滑功率输出模式、跟踪计划出力模式和削峰填谷模式，本文主要讨论在削峰填谷模式运行条件下储能的能量调度策略。储能的优化调度不仅需考虑分布式电源的出力配合，还需考虑系统与外部大电网间的能量交互。因此，系统的优化调度策略不仅与系统本身的能量协调相关，也与外部大电网的需求侧政策紧密相连，本文提出了基于可控负荷并与峰谷电价相结合的优化调度策略，具体的优化调度策略如下：当风能和太阳能发电量不能满足负荷需求储能开始放电，若储能的荷电状态位于储能约束的下限时对部分负荷进行切除，直到风力和光伏发电回到正常水平；当储能能够正常充放电时，对部分负荷进行时间上的转移，由高电价期向低电价期转移，也可由风光发电不足时期向风光发电充足时期转移。

结语

综上所述，由于风能、太阳能自身的不确定性、随机性，风光互补微型电网输出功率波动较大。特别是在并网、离网运行模式切换时，极易出现功率缺额或者冲击震荡问题。因此，技术人员应以提高风光互补微电网电力资源供应可靠性为目标，合理利用双层电容器与蓄电池构成的混合储能装置，并对装置控制策略进行优化完善，保障风光互补微型电网应用效益。

参考文献

［1］李强，胥永利，王凤军．风光互补微电网的建模及最大功率跟踪控制策略［J］．分布式能源，2016，2:52-56

［2］刘银丽，林中鹏，谭聚文．考虑需求侧响应的微网混合储能优化配置［J］．水电能源科学，2017，5:200-203