并聯(lián)型儲能系統(tǒng)孤網(wǎng)運行協(xié)調(diào)控制策略

彭思敏 竇真蘭 凌志斌 蔡 旭,

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院 風力發(fā)電研究中心 上海 200240 2.上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室 上海 200240）

1 引言

近年來隨著能源危機、環(huán)境惡化等問題的日益加劇，風電、光伏等可再生能源（Renewable Energy Source, RES）的發(fā)展越來越受到人們的重視[1]，然而這些可再生能源因自身固有的間歇性、波動性等特點，給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行及可靠供電帶來一定負面影響[2]。將這些RESs就地構(gòu)成微電網(wǎng)進行孤網(wǎng)供電為解決上述問題提供了一種有效方式，尤其是偏遠地區(qū)或海島[3]。

與并網(wǎng)運行不同，因無大電網(wǎng)支撐且含間歇性、波動性 RESs及動態(tài)負荷，孤網(wǎng)運行時首要問題是保證系統(tǒng)電壓幅值和頻率的穩(wěn)定，即維持公共母線電壓幅值up和頻率fp的穩(wěn)定。儲能系統(tǒng)（Battery Energy Storage System, BESS）的接入為解決這些問題提供了一種有效的方式[4,5]。

同時，在實際研究及應(yīng)用中，為滿足孤網(wǎng)中風能穿透比高或大容量負荷的要求，需要將多個BESS并聯(lián)構(gòu)成并聯(lián)型儲能系統(tǒng)（Parallel-Connected Battery Energy Storage System, P-BESS），但存在 RESs與P-BESS間如何協(xié)調(diào)控制、P-BESS內(nèi)如何協(xié)調(diào)控制及分配負荷以維持up和fp穩(wěn)定等問題。由于 RESs及P-BESS一般經(jīng)電壓型逆變器后并聯(lián)向負載供電，又因其無互聯(lián)線、可實現(xiàn)即插即用功能等優(yōu)點，采用下垂控制策略是實現(xiàn)RESs與P-BESS間協(xié)調(diào)控制及分配負荷的一種有效控制方式[5-11]。文獻[6, 7]從理論上分析了在不同電壓等級電網(wǎng)中功率傳輸特性，并給出了適合低壓微電網(wǎng)的功率傳輸特性。文獻[8]針對微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行控制，提出了基于傳統(tǒng)下垂控制的對等控制策略。文獻[9]考慮到低壓微電網(wǎng)線路阻抗并不完全為純感性，引入虛擬頻率和電壓來實現(xiàn)功率解耦控制，但其控制算法復(fù)雜。文獻[10]以逆變器輸出端電壓為切入點推導(dǎo)了并聯(lián)功率理論，提出一種基于“類功率”的無互聯(lián)線并聯(lián)下垂控制策略。文獻[11]提出了一種自適應(yīng)分布式下垂控制策略以實現(xiàn)微電網(wǎng)中并聯(lián)變換器的功率平衡。上述研究主要是針對 RESs與單個 BESS并聯(lián)運行控制，而對于在考慮電池系統(tǒng)的荷電狀態(tài)[12]（State of Charge, SOC）基礎(chǔ)上如何實現(xiàn)RESs與P-BESS間、P-BESS內(nèi)部的協(xié)調(diào)控制及負荷分配，進而穩(wěn)定up和fp的研究并不多。

本文在分析 P-BESS工作原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)電池系統(tǒng)工作特性并結(jié)合下垂控制，提出了基于電池系統(tǒng)SOC（SOCb）的外環(huán)負荷功率分配控制策略。同時，考慮到傳統(tǒng)下垂控制固有的靜態(tài)誤差、中低壓電網(wǎng)線路并不完全表現(xiàn)為純感性等特點，提出了含線性補償環(huán)的內(nèi)環(huán)電壓幅值-頻率控制策略，從而使系統(tǒng)更加有效地進行負荷分配以實現(xiàn)系統(tǒng)功率平衡。最后，建立了系統(tǒng)仿真模型，并設(shè)計了實驗平臺。

2 P-BESS系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

2.1 P-BESS的構(gòu)成

本文基于P-BESS的孤網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。孤網(wǎng)系統(tǒng)主要由P-BESS、負載、RESs及備用電源組成，且各單元交流側(cè)并聯(lián)在公共母線上。P-BESS由多個模塊化BESS并聯(lián)構(gòu)成（單個BESS間的距離可根據(jù)實際情況而定）；每個BESS又由一個電池系統(tǒng)（Battery System, BS）與一個功率變換系統(tǒng)（Power Conversion System, PCS）組成；每個PCS主要由三相橋式電壓源變換器及LCL濾波器構(gòu)成，BS接入其直流母線側(cè)；每個BS是由一定數(shù)目電池單體經(jīng)串/并聯(lián)直接構(gòu)成。負載主要包括電機負載、RL負載等。備用電源主要包括柴油機，用于BS放電完后配合P-BESS共同向負載供電。

圖1 基于并聯(lián)型儲能系統(tǒng)的孤網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 An islanded power system based on P-BESS

2.2 工作原理

在孤網(wǎng)系統(tǒng)中，首先由P-BESS建立up和fp。當開關(guān) S1斷開瞬間，P-BESS將迅速承擔系統(tǒng)中負載與RESs（如風電）之間的瞬時功率差。當負載或RESs變化時，P-BESS都根據(jù)各BESS中電池系統(tǒng)的SOCb初始狀態(tài)，快速調(diào)節(jié)各BESS輸出的有功、無功功率來平滑系統(tǒng)功率差，以維持up和fp的穩(wěn)定。對于每個BESS而言，僅利用本地信息（電壓、電流等）并通過控制PCS輸出的電壓幅值和相位差來維持up和fp的穩(wěn)定，可實現(xiàn)BESS的即插即用功能。特別是當 RESs不能向孤網(wǎng)中負荷供電（如幾小時內(nèi)無風）時，P-BESS將單獨為負載供電，并維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

3 P-BESS控制策略

為便于分析，本文以其中任一個模塊化 BESS為例進行分析與研究，單個BESS的控制策略如圖2所示。圖中，U0、ω0分別為up及fp的給定值；Udc為電池系統(tǒng)端電壓；Ib為電池系統(tǒng)輸出電流。

圖2 BESS控制原理圖Fig.2 Schematic diagram of control scheme for a BESS

P-BESS中BESS控制策略為由功率外環(huán)與電壓內(nèi)環(huán)構(gòu)成的雙環(huán)控制策略。其中功率外環(huán)控制為：通過檢測每個BESS本地公共母線的線電壓和相電流，計算出本地有功功率P、無功功率Q和電壓幅值Um，P、Q經(jīng)基于電池系統(tǒng) SOCb的下垂控制分別得到相應(yīng)的電壓幅值Ul及角頻率ωl。而電壓外環(huán)控制為：將Ul及ωl分別與由線性補償環(huán)得到的電壓幅值Uc和角頻率ωc進行疊加，得到給定電壓幅值Ue和角頻率ωe。Ue與實測的電壓幅值Um的差值經(jīng)比例-積分調(diào)節(jié)器后，得到調(diào)制比m；ωe直接經(jīng)積分后得到相位角δ。最后將m和δ送PWM脈沖發(fā)生器產(chǎn)生IGBT的驅(qū)動信號，從而控制PCS的輸出有功、無功功率大小和方向，實現(xiàn)對up和fp的穩(wěn)定控制。

3.1 負荷分配協(xié)調(diào)控制

如圖1所示，P-BESS包括多個BESS，孤網(wǎng)運行時，考慮到系統(tǒng)中無其他電源向負載供電，則P-BESS將承擔系統(tǒng)中的所有負載供電（若有其他電源向負載供電，則 P-BESS將承擔其他電源與負載間功率差），忽略線路中能量損耗，根據(jù)能量守恒定律得到總負載有功率Pl和無功功率Ql分別為

式中，Pi和Qi分別為第i個BESS提供的有功功率和無功功率。

根據(jù)電力系統(tǒng)中電壓/頻率下垂控制（V/f控制）特性，任意一個BESS提供的有功功率和無功功率靜態(tài)特性如圖3所示。

圖3 有功和無功功率靜態(tài)特性Fig.3 Static characteristics of active power and reactive power

與基于傳統(tǒng)下垂特性的電壓/頻率控制方法類似，各個BESS輸出電壓/頻率下垂控制特性可表示為

在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，通常以BESS中PCS額定容量來衡量 BESS額定容量，即kω′i和kvi的大小取決于每個PCS的有功、無功功率額定值為

式中，Δωmax、ΔUmax分別為可允許的最大角頻率差及電壓差；Psi、Qsi分別為第i個PCS的有功、無功功率額定值。

式中，kωi為第i個 BESS的有功功率下垂系數(shù)。于是，得到基于改進型下垂控制的負荷功率分配策略，即單個BESS輸出有功功率/頻率下垂控制特性：

由式（7）、式（8）可知，P-BESS工作過程中，在滿足Pi≤Psi前提下（Pi＞Psi時，有功功率下垂系數(shù)將仍按式（5）計算，將作為后續(xù)工作進一步討論），系統(tǒng)中有功負荷分配主要取決于各BESS中電池系統(tǒng)的SOCb比值，且跟隨其變化而變化。SOCb越大，對應(yīng)的BESS將發(fā)出更多的有功功率以維持系統(tǒng)有功功率平衡，反之，將分配較少的有功負荷。

3.2 電壓及頻率控制

考慮到傳統(tǒng)下垂控制固有的靜態(tài)誤差、中低壓電網(wǎng)線路并不完全表現(xiàn)為純感性等問題，本文引入線性補償環(huán)節(jié)以微調(diào)電壓幅值和頻率的給定值，使系統(tǒng)在穩(wěn)定工作時靜態(tài)誤差為 0。圖4為含線性補償環(huán)節(jié)的電壓幅值和頻率控制圖。

圖4 電壓及頻率控制策略Fig.4 Control strategy of voltage and frequency

線性補償環(huán)節(jié)主要分為兩部分：一是由公共母線電壓幅值給定與檢測值的差值作為比例-積分調(diào)節(jié)器（PI0）的輸入，得到電壓補償值Uc；二是由公共母線電壓角頻率給定直接經(jīng)過頻率補償系數(shù)k后，產(chǎn)生角頻率補償值ωc。其具體表達式為

式中，kcp、kci分別為電壓補償部分調(diào)節(jié)器 PI0的比例系數(shù)和積分系數(shù)，k為頻率補償系數(shù)。

同時，含線性補償環(huán)的電壓-頻率控制為

式中，kvp、kvi分別為電壓環(huán)中調(diào)節(jié)器 PI1的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

4 仿真及結(jié)果

為驗證本文所提出的基于電池系統(tǒng) SOCb改進下垂控制策略的正確性及電壓補償?shù)淖饔茫鶕?jù)圖1所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真環(huán)境下搭建了由P-BESS（含有2個BESS）及不同負荷（大電動機、純電阻負載、阻抗性負載）構(gòu)成的系統(tǒng)仿真平臺，具體系統(tǒng)仿真參數(shù)見下文。平臺主要電源為儲能系統(tǒng)，風電作為輔助電源，以驗證在極端情況（如短時無風狀態(tài)）下P-BESS中各BESS負荷分配控制及其維持系統(tǒng)電壓幅值和頻率穩(wěn)定的能力。關(guān)于風電與P-BESS共同作為電源組成風-儲混合系統(tǒng)將作為后續(xù)工作，有待進一步研究。仿真時負載變化如下：初始時刻，系統(tǒng)帶純電阻負載（5kW）運行一段情況；2s時刻，突然啟動大電機（30kW）；4s時刻，再投入純電阻負載（10kW）；5s時刻，再投入阻抗性負載（（10+j15）kVA）；之后，在6s、7s、9s時刻依次切除阻抗性負載、純電阻負載、大電機等。圖 5為在 2個電池系統(tǒng) SOCb的初始值（SOCb1_0=0.8、SOCb2_0=1）不同時分別帶不同負載情況下系統(tǒng)響應(yīng)情況。

圖5 SOCb1_0與SOCb2_0不同時帶不同負載情況下系統(tǒng)響應(yīng)情況Fig.5 System response to various loads when SOCb1_0 is not equal to SOCb2_0

圖 5a為負載有功、無功功率變化情況。由圖5b、圖5c可知，無論負載的投入，還是切除，2個BESS始終都能快速跟隨系統(tǒng)負載變化，且在系統(tǒng)穩(wěn)定運行狀態(tài)時能根據(jù)預(yù)定比值（SOCb1_0∶SOCb2_0=0.8∶1=4∶5）分配負荷有功、無功功率，而對應(yīng)電池放電電流Ib1與Ib2亦按此預(yù)定比值向負載供電（見圖5d）。特別地，大電機啟動時（2s時刻），由于慣性作用，負載有功功率（Pl）、無功功率（Ql）迅速上升，經(jīng)過一段時間（約 0.2s）后進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。為維持系統(tǒng)功率平衡，BESS1和 BESS2均迅速調(diào)節(jié)其各自有功功率輸出（P1、P2）與無功功率輸出（Q1、Q2）以平滑系統(tǒng)功率差，且電機穩(wěn)定運行時成比例（4∶5）分配負荷有功、無功功率，從而驗證了基于 SOCb下垂控制策略能迅速平滑系統(tǒng)功率差且有效進行負荷功率分配。由圖5e可知，當系統(tǒng)每次進入新的穩(wěn)定狀態(tài)后，電池端電壓（Udc1、Udc2）短時內(nèi)基本保持不變，即使當負載發(fā)生變化時，其端電壓變化也不大，因為這是由電池電壓工作特性所決定。圖 5f為2個電池系統(tǒng) SOC變化情況（為便于分析，仿真時電流積分常數(shù)按1∶1 000設(shè)定）。不難看出，雖然 SOCb2_0＞SOCb1_0，但因Ib2始終大于Ib1，隨著SOCb1由0.8下降到0.45、SOCb2由 1下降到 0.55，而 SOCb1與 SOCb2的差值由初值0.2逐漸減少到0.1，即SOCb1與SOCb2越來越趨于相同，從而證明本文采用所提出的基于SOCb下垂控制策略有助于各電池系統(tǒng)間 SOCb均衡，進而有利于電池系統(tǒng)的管理與控制。由圖 5g、圖 5h可知，up和fp都一直穩(wěn)定在其給定值附近，當負載突變時，up最大突變范圍約為10%，而fp最大突變范圍約為 6%，當系統(tǒng)穩(wěn)定后，up波動范圍小于0.1%，而fp波動范圍小于0.1%，再一次驗證了本文所提出控制策略具有維持系統(tǒng)up和fp穩(wěn)定的能力。

圖6 加入線性補償環(huán)前后up及fp對比Fig.6 Comparison analysis of up and fp with added linear compensation

圖6所示為加入線性補償環(huán)前后的up及fp的對比情況。由圖6可知，加入線性補償后，無論系統(tǒng)負載如何變化，系統(tǒng)每次達到新的穩(wěn)定狀態(tài)后，up都能穩(wěn)定在其給定值附近（380V），其最大偏離范圍小于0.1%；而對補償前的系統(tǒng)而言，系統(tǒng)負載變化時，系統(tǒng)每次達到新的穩(wěn)定狀態(tài)后，up都在一定程度上偏離其給定值，且隨負載的增大而偏離程度越大，最大偏離范圍約為2.6%（5s時刻）。與此同時，加入線性補償后的fp在系統(tǒng)達到新的穩(wěn)定狀態(tài)后亦都能穩(wěn)定在其給定值附近（50Hz），且其上、下波動程度較小，最大波動范圍約為0.5%；而補償前的fp在系統(tǒng)每次達到新的穩(wěn)定狀態(tài)后其上下波動程度相對大些，最大波動范圍約為 1%，尤其是大電機切除后（9s時刻）。

5 實驗及結(jié)果

為進一步驗證本文所提出的基于電池系統(tǒng)SOCb改進下垂控制策略的正確性，本文設(shè)計開發(fā)了實驗平臺。系統(tǒng)主要包括P-BESS（2個BESS組成，每個BESS中包括PCS樣機及BS）和負荷（1臺感應(yīng)電機、1臺籠型電機及阻抗負載）。2個BS的SOC初值分別為 SOCb1_0=0.8、SOCb2_0=1?？刂破鞑捎肨M320F2812處理器。系統(tǒng)具體參數(shù)見下表。

表 仿真及實驗參數(shù)Tab. Parameters of simulations and experiments

圖7為大電機啟動時系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)情況。當大電機全壓啟動瞬間，由于慣性作用，大電機的電流im先迅速上升，大小約為額定值的5、6倍，而后經(jīng)過一段時間（約0.25s）進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。為平衡系統(tǒng)功率，BESS1通過控制其PCS1使電池放電電流Ib1也先迅速激增而后回落到穩(wěn)定狀態(tài)（電池向外放電為負，下同），以快速補償大電機啟動時的系統(tǒng)功率差，進而維持up在其額定值 380V。同時，由于啟動時間短，BESS1的電池系統(tǒng)端電壓Udc1變化一般較慢，故先略微下降后恢復(fù)到穩(wěn)定值（約140V）。

圖7 大電機啟動瞬間系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)情況Fig.7 System dynamic response when large motor starts

圖8為帶大電機負載（15kW）及籠型電機負載（5.5kW）時系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)情況。由圖8a可知，系統(tǒng)穩(wěn)定時，up和fp基本穩(wěn)定在額定值（380V、50Hz），且公共母電壓、電流ip波形為光滑正弦波，BESS1輸出電壓up1亦基本維持在其額定值 70V。由圖 8b可知，為維持系統(tǒng)有功、無功功率平衡，2個BESS在系統(tǒng)穩(wěn)定運行狀態(tài)時需根據(jù)預(yù)定比值（SOCb1_0∶SOCb2_0=4∶5）分配負荷有功功率，又因穩(wěn)態(tài)時電池系統(tǒng)端電壓（Udc1、Udc2）短時間內(nèi)基本不變，所以，2個 BESS對應(yīng)電池系統(tǒng)將按預(yù)定比值向外放電（Ib1∶Ib2≈70A∶90A≈4∶5），且電流方向一致（均為負）。同時，整個供電過程中up和fp基本穩(wěn)定在額定值。

圖8 帶不同電機負載時系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)情況Fig.8 System steady-state response with different motors

6 結(jié)論

本文針對P-BESS孤網(wǎng)運行時如何實現(xiàn)P-BESS協(xié)調(diào)控制及負荷分配的問題，在介紹基于 P-BESS的孤網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上，提出了以基于電池系統(tǒng) SOCb改進型下垂控制的負荷分配控制策略為功率外環(huán)、含線性補償環(huán)的電壓-頻率控制策略為電壓內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)協(xié)調(diào)控制策略，并搭建了系統(tǒng)仿真模型及實驗樣機。仿真及實驗結(jié)果表明，本文所提出的控制策略能根據(jù) P-BESS中各 BESS的電池系統(tǒng) SOCb初始預(yù)定比值來快速、有效地分配負荷功率，并實現(xiàn)系統(tǒng)功率平衡，進而維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，適宜為風能穿透比高、負載波動性大的孤島系統(tǒng)供電。同時，所提出的控制策略有助于實現(xiàn)P-BESS中各BESS的SOCb均衡，進而提高電池系統(tǒng)使用壽命，為電池管理系統(tǒng)的設(shè)計與研究提供了一種思路。

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