0 引言

随着风光等可再生能源的大力发展和推广应用，风电场、光伏电站在电网中装机与发电容量占比日益增大。2020年国家提出“碳达峰”“碳中和”的能源发展目标，使得可再生能源的发展和利用获得进一步支持。值得注意的是，风光等可再生能源因其随机性、波动性等特征，给电网安全和稳定运行带来诸多问题和风险，如电能质量、调频问题、功率波动等，导致大规模风光接入对电网供电及安全可靠性的影响也日益增加。

近年来，储能逐渐在风光等可再生能源协调发电领域中发挥作用^[1-3]。2011年张北地区建设了国内首个风光储电网友好型电站，将储能应用于电网削峰填谷、平滑波动等领域^[4]，同时有学者提出了储能在调频、调峰等方面取得的成果^[5]。在储能应用方面，较多学者侧重于储能的平抑波动算法^[6-11]、风储协调策略^[12]的研究，并开展相应的仿真建模测试工作，以验证策略有效性^[13-18]。但上述研究多侧重于理论验证。在风光储系统仿真建模方面，目前的研究主要是运用离线仿真软件进行纯数字仿真建模和策略验证^[19-20]，也有学者提出了数字物理混合仿真方案验证策略^{[14, 21]}，即通过新能源实物控制器结合实时仿真工具建立数模混合仿真模型。上述研究侧重于机组控制器的数模混合在环仿真，缺少场站级控制器的指令下发与闭环测试，而机组控制采用实物装置模型的仿真结果更贴近现场实际^[21-25]。

本文以某风光储新能源场站为例，建立风光储联合发电数模混合仿真平台，与场站控制器构建通信接口与指令响应逻辑，制订指令跟踪及平滑功率波动的控制策略，模拟调度指令开展仿真测试，以验证仿真方法与控制策略的有效性和正确性。

1 风光储联合发电系统建模

风光储联合发电系统由风电系统、光伏系统、储能系统、电网系统及场站控制器装置组成。采用RT-LAB建立数字模型，接收响应调度（场站控制器）下发的指令，并上传风光储实时的电气信息量；场站控制器主要进行调度指令的分配和下发。在接收到总指令后，按照策略对风光储分别下发相应指令值，保证新能源的最大消纳和利用。

风电系统模型结构如图 1所示，采用与实际场站相同容量的双馈风电机群。风电机组定子侧直接连接箱式变压器低压侧，转子侧经背靠背变流器连接电网，风机出口通过变压器连接至35 kV母线。在风机控制系统中，网侧部分采用典型的直流电压外环和电流内环控制，对直流母线电压进行采样，通过外环PI控制得到内环有功电流I_d的参考值，再通过内环PI控制生成网侧脉冲宽度控制（Pulse Width Modulation，PWM）作用于网侧变流器，保证直流母线电压的稳定。机侧控制包含两种模式。自由发电模式下，采集机组转速信号，通过最大功率跟踪模块进行最大功率捕获，并进行桨距控制，得到内环d轴电流参考值，内环利用dq轴电流PI控制，保证风电机组在最大功率下运行；调控发电模式下，风电机组接收控制器下发的有功功率、无功功率功率指令，进而得到内环电流参考值，实现功率的指令跟踪。

光伏发电系统采用单极式结构，拓扑和控制逻辑结构如图 2所示。光伏电池板接收辐照度和温度输入，通过DC/AC逆变到交流侧，滤波后经变压器接入35 kV母线。控制模式包含两种，自由发电运行模式和调控运行模式。自由发电运行模式下，控制系统采集光伏板输出电压U__PV和电流I__PV，经最大功率跟踪模块计算得到直流电压参考值U_dcref，通过直流电压、电流双闭环控制生成PWM进行最大功率跟踪发电；在调控运行模式下，光伏系统接收控制器下发的功率参考指令，通过功率闭环控制，实现有功功率、无功功率指令跟踪响应。

储能系统（如图 3所示）主要作为风光资源的补充，直接接收控制器下发的功率指令，通过功率—电流双闭环进行指令跟踪，实现风光储的协调并网发电。

2 系统架构与控制策略 2.1 系统架构

基于RT-LAB平台建立风光储并网实时仿真模型，用于执行控制器下发的调控指令，并实时采集、上传机组、场站实时信息；调度指令下发通过场站控制器进行模拟，场站控制器负责上传信息接收处理、控制逻辑策略计算和指令分配下发等任务，平台整体架构如图 4所示。电气部分模型包含电网、风电、光伏、储能四部分，仿真步长为20 μs。为保证仿真实时性，各部分占用一个仿真资源核，模型间通过解耦连接线连接，实现多核并行运算。通信部分仿真模型通过IEC104协议与场站控制器通信，各部分模型分别接收场站控制器下发的调控遥调指令，同时采集遥信、遥测量反馈给场站控制器进行策略制订和计算分配。以风电模型为例，风电系统在运行过程中，实时接收场站控制器下发的有功功率、无功功率指令值并响应输出，上报风电系统的有功输出值、无功输出值、当前有功最大可发值、无功最大可发值和相应的指令反馈值、标志位。依次完成光伏、储能、电网汇集线的指令接收和下发，实现整个系统的数模混合仿真计算。

2.2 控制策略

风光储联合发电系统的控制策略主要是利用储能的快速响应和功率性能来实现调控功率指令跟踪、平滑功率波动等功能。正常运行时，场站控制器下发功率指令，优先调用风电和光伏系统进行发电跟踪，当指令需求小于风光最大可发功率时，对负荷供电的同时向储能系统充电，实现风光资源的最大消纳利用；当指令需求大于风光最大可发功率时，将调用储能系统进行补充发电，以满足负荷的指令需求。

考虑到风光资源的随机性和波动性，风光发电过程中将给电网带来功率波动。光伏发电主要受到云层移动等影响，晴天输出功率相对稳定，但极端天气下，短时间功率波动可能超过装机容量的50%^[4]；而风电主要受风速波动的影响，其波动频率更高。以某实际投运的50 MW风电场站12 h实际运行曲线为例，其功率变化如图 5所示，可见风电场输出的功率变化频率较高。为缓解风光功率输出高频快速波动，储能系统的快速投切显得至关重要。

目前，较多学者多采用低通滤波算法进行功率平滑，这种方法适用性强、易于实现^[12]，即通过储能的投切弥补风光出力中功率大幅变化，从而达到功率平滑输出的目的。以图 3为例，设P_g为场站并网点总输出功率目标值，则有：

(1)

式中：P_wind为风电机组总有功实际出力；P_pv为光伏系统总有功实际出力；P_bat为储能系统总有功出力；P_loss为线路传输过程中产生的损耗。

采用低通滤波算法的传递关系为

(2)

式中：P_flter为平滑功率的目标值；s为微分算子；T为滤波时间常数；P_all为去除损耗的风光功率之和。则储能的目标输出指令为：

(3)

对式（2）（3）进行差分运算，可得：

(4)

(5)

式中，T_c为采样周期。通过式（4）、式（5）可以得出t时刻的储能指令，达到功率平滑的效果。这种方法对降低波动量效果好，充放电转换次数少^[6]，是同时考虑平滑效果和经济性实用性的综合方案。

3 试验分析

为验证平台及策略的正确性，基于RT⁃LAB平台建立风光储并网仿真系统，风电装机容量425 MW，光伏容量75 MW，储能系统容量140 MWh，仿真步长20 μs。分别进行有功指令跟踪试验和功率平滑输出试验，验证大容量储能系统参与功率指令跟踪和功率平滑的响应效果，同时校验数模混合仿真方法及控制策略的准确性。

3.1 有功指令跟踪试验

风光储联合发电系统并网运行，场站控制器下发有功阶跃调度指令，结果如图 6所示。第一阶段，调度指令为128 MW，此时风电光伏可发电量较大，按照比例保障风光发电，在满足调度需求的前提下对储能系统充电；第二阶段，调度指令提升至256 MW，仍为储能系统充电，荷电状态（State of Charge，SOC）一直呈增加趋势，风光按照调度需求及储能最大充电功率发电；第三阶段，调度指令为382 MW，仍小于风光的最大可发能力，但由于受风光波动的影响时刻变化，无法保证储能满功率输入，因此风光按最大可发能力发电，满足调度要求后剩余功率为储能系统充电，储能系统充电功率呈波动趋势；第四阶段，调度指令为512 MW，已超过风光总体最大可发能力之和，需储能系统配合发电，策略为优先调用风光资源满足消纳，其余由储能系统放电补充，同时补偿输出功率因风光波动造成的缺额，SOC呈下降趋势。

3.2 功率平滑输出试验

功率平滑模式下，场站控制器下发自由发电指令，风光按照当前最大功率进行发电，由于风速和光照的波动使得功率出现高频波动（见图 7），波动范围为400~450 MW，通过滤波算法投入储能指令，滤除风光波动中高频部分，使得功率波动幅度明显减小（见图 7），可见储能系统的参与对于功率波动有明显的抑制作用。

4 结语

本文建立了风光储联合发电系统数模混合仿真平台，包括风电机组模型、光伏发电模型、储能模型和电网模型，提出了场站控制器实物在环仿真架构、联合实时仿真和指令通信响应方法，以新能源场站实际功率曲线为依据，提出储能参与风光联合发电控制策略，并开展了仿真试验。仿真结果表明，提出的控制策略可有效提升风光消纳能力、降低功率波动水平，同时，提出的数模混合仿真方法可验证场站控制器策略有效性，为现场实际运行提供技术参考。