大規(guī)模儲(chǔ)能電站建模與仿真研究

大規(guī)模儲(chǔ)能電站建模與仿真研究

近年來(lái)，能源儲(chǔ)存技術(shù)的商業(yè)化相對(duì)成熟。中國(guó)先后建立了數(shù)十座大型能源儲(chǔ)備站，建立了包括能源儲(chǔ)存系統(tǒng)識(shí)別指標(biāo)、檢測(cè)方法、檢測(cè)流程和平臺(tái)的能源儲(chǔ)存系統(tǒng)檢測(cè)評(píng)估體系。PCS多機(jī)并聯(lián)后通過(guò)變壓器接入母線是現(xiàn)階段儲(chǔ)能電站的主流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以青海格爾木時(shí)代新能源光伏儲(chǔ)能電站為例，該項(xiàng)目為50MW(峰值功率)光伏電站，配置了15MW/18MWh磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，用來(lái)提高光伏電站的可調(diào)度性，促進(jìn)電網(wǎng)和光伏發(fā)電的協(xié)調(diào)發(fā)展，并減少棄光電量，項(xiàng)目于2016年開(kāi)始并網(wǎng)發(fā)電，屬于大規(guī)模儲(chǔ)能與發(fā)電站聯(lián)合運(yùn)行的典型案例。該儲(chǔ)能電站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，儲(chǔ)能系統(tǒng)以3MW為一個(gè)單元，每個(gè)單元經(jīng)過(guò)6臺(tái)500kW儲(chǔ)能變流器接入一臺(tái)3.15MVA升壓變的低壓側(cè)母線，升壓至35kV后再通過(guò)110kV升壓站接入變電站。目前已有相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)PCS多機(jī)并聯(lián)乃至大規(guī)模儲(chǔ)能電站的建模進(jìn)行了一定研究，文獻(xiàn)綜上所述，本文以實(shí)物電站作為研究對(duì)象，首先按電站規(guī)格對(duì)單體PCS參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)設(shè)定參數(shù)取值范圍體現(xiàn)各單體間的差異；之后通過(guò)一種dq坐標(biāo)系下的全解耦控制策略，消除了多PCS間耦合對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響；然后根據(jù)電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接各PCS，完成大規(guī)模儲(chǔ)能電站的等值建模；最后基于現(xiàn)行儲(chǔ)能電站檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電站模型進(jìn)行仿真，并通過(guò)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證所建模型的性能，為實(shí)際儲(chǔ)能系統(tǒng)檢測(cè)提供參考依據(jù)。1稱重電流建模1.1仿真模型的建立儲(chǔ)能PCS的主要組成部分為逆變器與濾波器，其中LCL型濾波器因其對(duì)高次諧波的優(yōu)良衰減效果與低開(kāi)關(guān)頻率下的性能優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際應(yīng)用中逐漸代替了傳統(tǒng)的L型濾波器由文獻(xiàn)(1)LCL濾波器因自身電感會(huì)產(chǎn)生阻抗，阻抗導(dǎo)致的壓降應(yīng)小于額定電網(wǎng)電壓的10%;(3)為了保持并網(wǎng)逆變器的功率因數(shù)，使其不過(guò)度降低，需要使濾波電容吸納的無(wú)功功率應(yīng)小于系統(tǒng)額定有功功率的5%，即控制策略部分采取傳統(tǒng)的PI控制器，按照文獻(xiàn)式中：U通過(guò)疊加定理，可求得PCS的并網(wǎng)輸出電流表達(dá)式為：其中：式中：K首先設(shè)定K由圖可見(jiàn)，K考慮到實(shí)際電站中各PCS的電子元件的參數(shù)一致性較差，在仿真模型中濾波器的濾波電感與電容均通過(guò)設(shè)定取值范圍的方式隨機(jī)取值。綜上所述，PCS各項(xiàng)參數(shù)取值見(jiàn)表1。1.2稱重傳感器的參數(shù)設(shè)計(jì)參照?qǐng)D1的電站拓?fù)鋱D，多臺(tái)PCS并聯(lián)接入母線需要經(jīng)過(guò)10kV/380V三相變壓器。出于貼近實(shí)物的目的考慮，仿真鐵芯設(shè)定為不飽和1.3simulik平臺(tái)的能源壓縮模式2大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真模型的測(cè)試與驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)GB.T36548-2018《電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)測(cè)試規(guī)范》的主要適用對(duì)象為額定功率100kW及以上，可在額定功率放電工況下工作15min以上的于35kV以下電壓等級(jí)電網(wǎng)工作的并網(wǎng)型儲(chǔ)能電站，對(duì)該種電站的設(shè)備與測(cè)試相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)定。參照該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行測(cè)試，并將仿真結(jié)果與南瑞電氣設(shè)備與工程能效測(cè)評(píng)中心出具的青海格爾木時(shí)代新能源光儲(chǔ)電站15MW/18MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)的檢測(cè)報(bào)告結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)仿真系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證。其中，各項(xiàng)測(cè)試的仿真采樣步長(zhǎng)均為5×102.1放電調(diào)節(jié)時(shí)間具體測(cè)試方法為：在系統(tǒng)處于熱備用狀態(tài)時(shí)，向儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)送額定功率充放電指令，記錄開(kāi)始放電時(shí)刻；然后當(dāng)放電功率偏差維持在儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率的2%以內(nèi)時(shí)，該時(shí)刻與開(kāi)始放電的時(shí)間差值為放電調(diào)節(jié)時(shí)間；重復(fù)以上操作兩次，取最大調(diào)節(jié)時(shí)間作為測(cè)試結(jié)果。圖6和圖7為三次測(cè)試中采用為測(cè)試結(jié)果的充放電功率調(diào)節(jié)時(shí)間仿真與實(shí)測(cè)曲線，其中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的采樣步長(zhǎng)為4×102.2額逐漸增加功率有功功率調(diào)節(jié)能力的測(cè)試分兩步:第一步按固定差額逐漸增加設(shè)定充放電有功功率并觀察控制效果;第二步則是在額定功率附近不斷改變功率值，來(lái)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)正常運(yùn)行中可能出現(xiàn)的功率微調(diào)工況進(jìn)行模擬。2.2.1功率曲線對(duì)比具體測(cè)試方法為：按圖8所示，設(shè)置系統(tǒng)初始有功功率為0，然后調(diào)節(jié)放電或充電有功功率至±0.25P按測(cè)試步驟仿真后得到的梯度充放電功率曲線與實(shí)測(cè)功率曲線的對(duì)比見(jiàn)圖9所示，因仿真系統(tǒng)不存在實(shí)際系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，故實(shí)驗(yàn)過(guò)程較實(shí)測(cè)快。其中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)取200ms作為數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)間窗，計(jì)算對(duì)應(yīng)的有功功率平均值。在各額定功率數(shù)值下，功率曲線均可迅速調(diào)節(jié)至平穩(wěn)，而且波形畸變率也較小。具體數(shù)值分析如表4，無(wú)論在充電還是放電階段，控制效果穩(wěn)定后平均絕對(duì)誤差的仿真與實(shí)測(cè)值基本一致，誤差在3kW以內(nèi)。2.2.2功率平均絕對(duì)誤差圖10所示為設(shè)置系統(tǒng)初始有功功率為0，調(diào)節(jié)有功功率至0.9P按測(cè)試步驟仿真后得到的梯度充放電功率與實(shí)測(cè)功率曲線的對(duì)比如圖11所示。其中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)取200ms作為數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)間窗，計(jì)算功率平均值。該實(shí)驗(yàn)各設(shè)定功率比起梯度功率充放電實(shí)驗(yàn)更接近額定功率，具體數(shù)值分析如表5，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均絕對(duì)誤差與最大絕對(duì)誤差基本一致。綜合兩個(gè)有功功率調(diào)節(jié)能力測(cè)試可以總結(jié)出，本文使用的儲(chǔ)能系統(tǒng)模型可以適應(yīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)出力需求，迅速調(diào)節(jié)功率，證明了系統(tǒng)在額定功率范圍內(nèi)的正常運(yùn)行能力。2.3儲(chǔ)能系統(tǒng)出力精度測(cè)試結(jié)果大型儲(chǔ)能電站仿真中，如文獻(xiàn)作為建模對(duì)象的青海格爾木時(shí)代新能源光儲(chǔ)電站15MW/18MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)，其主要工作模式為接受光伏電站并網(wǎng)狀態(tài)與出力調(diào)度，從而達(dá)到改善光伏電站輸出特性，提升新能源消納水平，與進(jìn)行輔助調(diào)峰調(diào)頻的功能。通過(guò)在并網(wǎng)狀態(tài)下發(fā)布手動(dòng)調(diào)度指令，可以對(duì)并網(wǎng)模式下的儲(chǔ)能電站出力精度進(jìn)行檢測(cè)。出力精度的測(cè)試基于手動(dòng)模式下功率指令與接收到的功率值之差，出力精度誤差=100%×(測(cè)量值-設(shè)定值)/設(shè)定值，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，合格的儲(chǔ)能電站各項(xiàng)出力精度均不應(yīng)低于90%。測(cè)試方法為：首先測(cè)試各PCS出力精度，對(duì)1到5號(hào)儲(chǔ)能單元的每一臺(tái)PCS有功功率設(shè)置為0，然后逐漸升高放電或充電有功功率到±100、±300、±500kW，記錄對(duì)應(yīng)功率值，每次功率穩(wěn)定后維持一段時(shí)間，再繼續(xù)下發(fā)下一功率指令；然后以全站為規(guī)模測(cè)試出力精度，設(shè)置全站有功功率為0，逐漸升高充放電有功功率至全站最大有功功率的25%、50%、75%、100%，并記錄對(duì)應(yīng)功率值與出力精度。對(duì)本文搭建的光儲(chǔ)電站等值仿真模型與圖11所示的整體等效仿真模型分別進(jìn)行出力精度測(cè)試，并將結(jié)果與在青海格爾木時(shí)代新能源光儲(chǔ)電站15MW/18MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行的同種出力精度測(cè)試進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表6。由表6的數(shù)值分析可以看出，兩種仿真模型的全站出力精度范圍與實(shí)測(cè)基本一致，其中本文所建模型因控制參數(shù)取值等原因與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的出力精度差略大于整體等效模型，但在單PCS出力精度方面，整體等效仿真模型因?qū)⒄麄€(gè)模型等效為單臺(tái)儲(chǔ)能逆變器并網(wǎng)，仿真結(jié)果無(wú)法表現(xiàn)出某些PCS單體因元件參數(shù)差異等原因?qū)е碌某隽认鄬?duì)較低的情況。使用該種模型進(jìn)行大規(guī)模儲(chǔ)能電站建模，則可能導(dǎo)致全站出力精度符合標(biāo)準(zhǔn)，而PCS單體出力精度不合格，從而對(duì)儲(chǔ)能電站運(yùn)行造成安全隱患。3運(yùn)行穩(wěn)定性仿真結(jié)果分析本文參照目標(biāo)電站拓?fù)浣⒘诉m用于大規(guī)模儲(chǔ)能電站的儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真模型，并基于相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)模型進(jìn)行仿真分析并與實(shí)際儲(chǔ)能電站的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了模型的有效性。具體結(jié)論如下所述：(1)功率控制能力方面，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型仿真結(jié)果均控制在40ms左右，而且仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本一致；額定范圍內(nèi)的功率曲線穩(wěn)定后，最大絕對(duì)誤差保持在額定功率的2%以內(nèi)，而且仿真與實(shí)測(cè)值基本一致，誤差在3kW以內(nèi)；(2)因各PCS之間的耦合與參數(shù)一致性較差等原因，儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部各單元的輸電能力呈現(xiàn)出差異，并對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。與傳統(tǒng)的整體等效仿真模型相比，本文所建仿真模型可以表現(xiàn)出這種性能上的差異，預(yù)防并聯(lián)系統(tǒng)諧振與個(gè)別單元不符合標(biāo)準(zhǔn)的情況；(3)本文模型可以對(duì)儲(chǔ)能電站暫態(tài)運(yùn)行工況進(jìn)行模擬，并在輸出特性上與實(shí)際電站表現(xiàn)相近，為儲(chǔ)能電站的運(yùn)維提供了數(shù)據(jù)參考，同時(shí)為大規(guī)模儲(chǔ)能電站運(yùn)行穩(wěn)定判據(jù)的研究提供了分析基礎(chǔ)。(2)濾波器的諧振頻率儲(chǔ)能電站模型的搭建平臺(tái)選用Simu