在电网上使用的储能系统模拟(simulink）

1 概述

2 配电系统

3 动态负载模型

4 光伏电场和TMY3数据

5 储能系统 (ESS)

6 案例

7 仿真结果

8 Simulink&Matlab代码实现

1 概述

(1)目标展示了SimPowerSystems在不到一分钟的模拟时间内，以相量模式模拟电路和控制系统的能力。

(2)说明与能量存储系统(ESS)相关的概念。

(3)演示如何使用公共太阳能数据时间序列(TMY3文件)以及如何创建典型的负荷分布。
(4)提供一种工具，帮助确定用于配电电力系统的通用ESS的适当额定值(功率和容量)。

2 配电系统

该示例的电网代表典型配电系统。它由一个等效于为 25 kV 配电变电站供电的 120 kV 输电系统组成。几条馈线连接到变电站的 25 kV 母线。其中一个为拥有光伏电场和储能系统的社区供电。连接在 25 kV 母线上的接地变压器提供中性点，并在单相故障期间限制正常相的过电压。其零序阻抗是电网正序阻抗值的三倍。由于Powergui块的Phasor解决方案，即使模拟周期为一年，也可以在很短的时间内模拟这个网格。如果只对电路中所有电压和电流的幅度和相位的变化感兴趣，则相量解决方案是理想的算法。您不需要求解由 R、L 和 C 元素相互作用产生的所有微分方程（状态空间模型）。相反，可以求解一组更简单的与电压和电流相量相关的代数方程。这就是相量求解方法在特定指定频率（本例中为 60 Hz）下所做的事情。

3 动态负载模型

动态负载模型实现了一个基于负载曲线的三相三线动态负载。负载所吸收的有功功率P和无功功率Q随着正序电压V和负载曲线数据的变化而变化。P和Q的变化情况如下：

P=P_LoadProfile*(V/Vo)^np & Q=Q_LoadProfile*(V/Vo)^nq

负荷曲线是以小时为单位的每日负荷曲线。它们被存储在LoadProfile_Datasets.mat文件中。对于每个负荷曲线，用户指定夏季和冬季数据。提供了两套配置文件。Build_LoadProfile_Datasets.m MATLAB脚本可以帮助用户创建额外的负荷曲线。

4 光伏电场和TMY3数据

TMY3数据块将TMY3太阳辐照度数据转换为电能。该电源信号被馈送到光伏电场模块，该模块将电源信号转换为电流。TMY3是来自1961-1990年和1991-2005年国家太阳辐射数据库(NSRDB)档案的典型气象年(TMY)数据集的数据文件。
这些文件包含一年内太阳辐射和气象要素的每小时值。这些文件由NREL的电气系统中心在太阳能资源表征项目下制作，该项目由美国能源部能源效率和可再生能源办公室资助和监督。
用户可以从242个站点位置中选择一个用于太阳时间序列数据。用户可以选择全局水平辐照度(GHI)或直接法线辐照度(DNI)作为模拟要使用的辐照度值。
所有位置的辐照度值存储在StationData_NEW.mat文件中，该文件在遮罩初始化时自动加载。

5 储能系统 (ESS)

储能系统模块包含以下组件： - 控制系统 - 不可用监视器 - 储能计算器 - SPS 功率电流模型和 240/600V 升压变压器。在白天的任何给定时间，控制系统都会确定来自 ESS 的所需功率，以将功率保持在电网允许的最大功率的指定值以下。该电源信号被馈送到连接到 240/600V 升压变压器的电源电流模块。尽管对于电池储能系统 (BESS)，建模 ESS 的额定功率和容量分别以 kW 和 kWh 为单位指定，但该 ESS 可以代表多种类型的储能系统，例如飞轮、压缩空气、超级电容器、抽水蓄能，超导磁。

6 案例

显然，与储能系统和智能电网有关的众多应用可以使用SimPowerSystem模型进行研究和验证，比如这个ESS演示。应用可以是多种多样的，如金融能源套利、缓解线路拥堵、设备延迟、太阳能平滑、旋转储备、电压支持等。在我们的案例中，我们选择了一个简单的场景来说明这个演示的一个用途。目的是确定连接到600V社区电力系统的ESS设备的适当尺寸（功率和容量），以防止社区购买超过与电力公司约定的电力。基于给定的负载情况、光伏电站的输出、ESS的额定功率和容量，模拟将给出一整年的不可用的数量。这种规模的研究可以在各地进行。

7 仿真结果

下图显示两天结果，其中 ESS 控制系统确定 ESS 所需的功率，以避免超过电网允许的最大功率（本模拟为 1000 kW）

（1）在第 91 天，ESS 无法提供必要的电力，而社区别无选择从电网购买更多电力。

（2）在第 92 天，ESS 输出足以避免超过允许的最大功率。

下图显示了第 126 天（5 月 6 日）18 时 03 分巴士 B4 故障引起的瞬态放大图。 Phasor 解决方案在编程的故障定时产生了毫秒精度的仿真结果。

8 Simulink&Matlab代码实现

部分代码：

% 使用以下脚本，您可以定义附加负载配置文件。
% 这些负载配置文件将保存在文件“LoadProfile_Datasets.mat”中。
% 配置文件将被动态负载块使用：
%“住宅负荷”。
%
% ===================================================
%             典型负荷曲线
% ===================================================
%
% 格式。
% 第1列：一天中的小时
% 第2列=典型的夏季负荷，占Pnom_Load的百分比
% 第3列=典型的冬季负荷，占Pnom_Load的百分比DataSet1=[1  24  27      2  19  263  16  244  17  275  20  356  30  397  40  488  46  569  52  6110  57  6311  62  6712  65  6613  68  6014  71  4615  80  3816  84  3417  87  3318  87  3719  85  4420  72  4821  67  4422  60  3723  52  3124  40  29 ];%% DataSet2 (Northeast USA)
DataSet2=[1  26  30      2  23  303  22  304  21  315  22  326  26  347  30  478  36  569  40  6110  40  6111  41  5112  42  4013  43  3614  45  3415  46  3316  49  3517  52  3718  52  4019  52  4020  51  3921  47  3722  42  3523  39  3424  34  32 ];%LoadProfile_Data(:,:,1)=DataSet1;LoadProfile_Data(:,:,2)=DataSet2;BP1=[1:24]';BP2=[1:3];BP3=[1:2];%clear DataSet1 DataSet2save LoadProfile_Datasets