微網(wǎng)孤島運(yùn)行下儲能控制策略的分析與仿真

楊海晶，李朝暉，石光，劉中勝，宋春暉

（1.河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州 450052；

2．天津天大求實(shí)電力新技術(shù)股份有限公司，天津 300384）

微網(wǎng)孤島運(yùn)行下儲能控制策略的分析與仿真

楊海晶1，李朝暉1，石光1，劉中勝2，宋春暉2

（1.河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州 450052；

2．天津天大求實(shí)電力新技術(shù)股份有限公司，天津 300384）

為維持微網(wǎng)孤島系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行并防止系統(tǒng)頻繁的充放電對傳統(tǒng)蓄電池儲能產(chǎn)生較大的負(fù)面影響，文中介紹了一種由超級電容和蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)能量管理方法。在負(fù)荷變化時，由超級電容迅速響應(yīng)功率需求，同時控制直流側(cè)母線電壓；在直流側(cè)母線電壓穩(wěn)定后，超級電容不再輸出功率，由蓄電池補(bǔ)償系統(tǒng)凈負(fù)荷的功率缺額。該方法有效防止了微網(wǎng)孤島系統(tǒng)的凈負(fù)荷需求突然變化對蓄電池造成的沖擊，優(yōu)化了蓄電池的工作過程，延長了蓄電池的使用壽命。最后利用PSCAD仿真驗(yàn)證了本文所提方法的有效性。

混合儲能；蓄電池；超級電容；雙極式變流；能量管理

一個典型的微網(wǎng)由多種分布式發(fā)電單元、儲能裝置及負(fù)荷組成，并由一個中央能量管理單元負(fù)責(zé)微網(wǎng)內(nèi)的發(fā)電調(diào)度。隨著近幾年光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量的不斷增加，在電網(wǎng)孤島運(yùn)行時可再生能源輸出功率波動和負(fù)荷需求功率波動對電能質(zhì)量與安全穩(wěn)定的影響越來越受到重視。利用儲能裝置雖然可在一定程度上起到抑制功率波動的作用，但是單一儲能裝置很難同時滿足功率與能量兩方面的要求，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界提出了利用超級電容與蓄電池組成混合儲能系統(tǒng)的思路。該混合儲能系統(tǒng)同時具有超級電容功率密度大和蓄電池能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，有效地發(fā)揮了各個儲能裝置的互補(bǔ)特性?？梢?，儲能系統(tǒng)對于微網(wǎng)的穩(wěn)定控制、電能質(zhì)量的改善和不間斷供電具有非常重要的作用[1，2]，是微網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

文獻(xiàn)[3]提出了超級電容器與蓄電池混合儲能的思路，從理論上證明了混合儲能可以充分利用蓄電池和超級電容器的互補(bǔ)特性，提高儲能的功率輸出能力；文獻(xiàn)[4]利用超級電容器功率密度高和循環(huán)壽命長的優(yōu)點(diǎn)，通過雙向DC/DC變換器的多滯環(huán)控制，優(yōu)化了蓄電池的充放電過程，延長了其使用壽命；文獻(xiàn)[5]提出了一種利用蓄電池與超級電容器混合儲能平抑風(fēng)電波動功率的控制方法，根據(jù)實(shí)時風(fēng)電功率及儲能元件的荷電狀態(tài)，在雙層控制模型下依次檢索預(yù)置的專家信息庫，得到充放電控制器相應(yīng)的控制算法，簡化了風(fēng)電功率多種波動狀態(tài)下的控制邏輯，縮短了控制時間；文獻(xiàn)[6]提出了利用超級電容與蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)孤島運(yùn)行時的功率平衡，或抑制并網(wǎng)運(yùn)行時可再生能源與負(fù)荷的功率波動。

本文在分析微網(wǎng)孤島穩(wěn)定運(yùn)行對儲能需求的基礎(chǔ)上，對超級電容與電池混合儲能系統(tǒng)控制管理，并對DC/DC功率變換單元和DC/AC功率變換單元進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以達(dá)到在微網(wǎng)孤島運(yùn)行模式下，負(fù)荷波動的同時使混合儲能系統(tǒng)充分抑制可再生能源輸出功率波動，并充分利用超級電容器功率密度高和循環(huán)壽命長的優(yōu)點(diǎn)來補(bǔ)償可再生能源輸出功率和負(fù)荷功率的瞬時波動，優(yōu)化蓄電池的工作過程，延長蓄電池使用壽命。最后在PSCAD中搭建相應(yīng)模型，通過仿真驗(yàn)證了所提出的混合儲能系統(tǒng)及其控制策略的有效性。

1 混合儲能控制方法

本文以圖1所示的微網(wǎng)孤島系統(tǒng)為例對所提方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖1 孤島系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1Structure of island system

蓄電池與超級電容通過各自的DC/DC變換器連接到直流母線上，再通過統(tǒng)一的DC/AC變換器連接到交流母線上，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過DC/AC與交流母線相連，整個微網(wǎng)系統(tǒng)再與負(fù)荷相連。儲能系統(tǒng)DC/AC變換器采用V/f控制，蓄電池DC/DC變換器采用恒功率控制，超級電容DC/DC變換器控制直流母線電壓恒定，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用最大功率跟蹤控制MPPT（maximum power point tracking）。

忽略系統(tǒng)各部分的能量損耗，由能量守恒可得上述系統(tǒng)各進(jìn)線功率之間的關(guān)系式為

式中：Pbat為蓄電池功率；Psc為超級電容功率；Pw為風(fēng)機(jī)功率；Pload為負(fù)荷功率；Pnet-load為微網(wǎng)孤島凈負(fù)荷（微網(wǎng)孤島運(yùn)行時，凈負(fù)荷的計(jì)算是微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷值減去可再生能源的最大功率，而可再生能源的最大功率是依照當(dāng)前的風(fēng)速情況計(jì)算出來的）。

混合儲能系統(tǒng)中，超級電容屬于功率型儲能裝置，輸出功率變化范圍大、變化速率快，且充放電循環(huán)次數(shù)多，因此在微網(wǎng)孤島運(yùn)行時超級電容對可再生能源輸出功率和負(fù)荷功率的波動快速響應(yīng)；而蓄電池屬于能量型儲能裝置，輸出功率變化范圍小、變化速率慢，且充放電循環(huán)次數(shù)少，因此在微網(wǎng)孤島運(yùn)行時蓄電池主要用來在系統(tǒng)穩(wěn)定后對系統(tǒng)凈負(fù)荷的功率缺額進(jìn)行補(bǔ)償[7～9]。

蓄電池與超級電容混合儲能控制方法是指在負(fù)荷變化時，超級電容輸出功率迅速去響應(yīng)功率需求，同時超級電容對直流側(cè)母線電壓進(jìn)行控制，但實(shí)際微網(wǎng)孤島中由于風(fēng)機(jī)和負(fù)荷的功率采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信需要一定時間進(jìn)行，則此時蓄電池需要經(jīng)過一定延時才開始緩慢對凈負(fù)荷功率進(jìn)行補(bǔ)償，這樣減少了蓄電池的充放電次數(shù)，延長了蓄電池的使用壽命。

在直流側(cè)母線電壓穩(wěn)定時，超級電容不再輸出功率，此時微網(wǎng)孤島系統(tǒng)凈負(fù)荷的功率缺額由蓄電池全部補(bǔ)償，則此時微網(wǎng)孤島凈負(fù)荷功率為

蓄電池的功率控制框圖如圖2所示，圖中延遲時間為實(shí)際微網(wǎng)孤島中風(fēng)機(jī)和負(fù)荷的功率采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信所需要的時間，即為蓄電池延遲啟動的時間，該時間的存在對直流側(cè)母線電壓的穩(wěn)定速度有一定影響，延遲時間越短，直流側(cè)母線電壓恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間越短，電壓波動的幅度越小。

圖2 蓄電池功率控制框圖Fig.2Control block diagram of battery power

2 雙級式變流器孤島運(yùn)行協(xié)調(diào)控制

本文介紹的微網(wǎng)孤島系統(tǒng)所采用的雙級式變流器主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括前級DC/DC功率變換單元和后級DC/AC功率變換單元。DC/DC模塊允許能量的雙向流動，為減小開關(guān)損耗，本文采用獨(dú)立PWM控制方式：當(dāng)下橋臂進(jìn)行PWM調(diào)制，上橋臂關(guān)斷時，電路處于Boost放電狀態(tài)；當(dāng)上橋臂進(jìn)行PWM調(diào)制，下橋臂關(guān)斷時，電路處于Buck充電狀態(tài)。DC/AC為三相電壓源型雙向變流器VSC（voltage source converter），最后經(jīng)LCL濾波器負(fù)荷相連。

圖3 雙級變流器主電路結(jié)構(gòu)Fig.3Structure of two-stage converter main circuit

DC/DC模塊和DC/AC模塊通過直流母線電容解耦，兩級模塊之間的功率變化將直接導(dǎo)致直流母線電容電壓出現(xiàn)波動，直流母線電容電壓動態(tài)方程為

式中，udc、io和idc分別為直流母線電壓、直流側(cè)輸出電流及DC/AC側(cè)輸入電流。

忽略變流器損耗，直流側(cè)輸出功率為

式中，Pdc、ubat、ibat、usc和isc分別為直流側(cè)功率、蓄電池端電壓、蓄電池輸出電流、超級電容端電壓及超級電容輸出電流。

為維持兩級功率模塊的動態(tài)平衡，即保證直流母線電容電壓udc恒定，需要對直流母線電壓udc進(jìn)行閉環(huán)控制，因此該系統(tǒng)控制目標(biāo)包括輸出功率控制和直流母線電壓控制。

基于雙級式變流器的風(fēng)機(jī)、蓄電池和超級電容等分布式電源孤島運(yùn)行時，蓄電池DC/DC側(cè)控制系統(tǒng)功率輸出，超級電容DC/DC側(cè)控制直流母線電壓，兩者的電流環(huán)通常都采用PI控制結(jié)構(gòu)[10]。

當(dāng)直流側(cè)為風(fēng)機(jī)時，電流參考值Iwind_ref可通過MPPT算法得到[10]。

當(dāng)直流側(cè)為蓄電池，電流參考值Ibat_ref可根據(jù)功率參考值直接得到，蓄電池DC/DC變流器控制框圖如圖4所示。

圖4 蓄電池DC/DC模塊控制框圖Fig.4Control block diagram of battery DC/DC module

當(dāng)直流側(cè)為超級電容，電流參考值Isc_ref可根據(jù)直流側(cè)母線電壓值直接得到，超級電容DC/DC變流器控制框圖如圖5所示。

圖5 超級電容DC/DC模塊控制框圖Fig.5Control block diagram of super capacitor DC/DC module

即當(dāng)電流參考值ibat_ref和isc_ref為正時，蓄電池和超級電容器支路DC/DC模塊工作于Boost放電狀態(tài)；當(dāng)電流參考值ibat_ref和isc_ref小于零時，超級電容器支路DC/DC模塊則運(yùn)行在Buck充電模式。

為了維持兩級功率模塊的動態(tài)平衡，即維持直流母線電容電壓恒定，交流側(cè)DC/AC模塊采用“V/f”的控制方法，控制框圖如圖6所示，圖中的f為微網(wǎng)孤島運(yùn)行的系統(tǒng)頻率，u為儲能系統(tǒng)與微網(wǎng)連接處三相電壓uabc的系統(tǒng)值。

其中外環(huán)控制包括兩部分：d軸由PI控制器對系統(tǒng)的交流側(cè)的電壓幅值進(jìn)行控制，從而得到d軸的內(nèi)環(huán)電流環(huán)的參考值idref；q軸由PI控制器對系統(tǒng)頻率進(jìn)行控制，從而得到q軸的內(nèi)環(huán)電流的參考值iqref。內(nèi)環(huán)為基于空間矢量調(diào)制（SVPWM）的dq電流解耦閉環(huán)控制。

圖6 DC/AC模塊控制框圖Fig.6Control block diagram of DC/AC module

3 PSCAD仿真驗(yàn)證

在PSCAD中搭建相應(yīng)微網(wǎng)孤島仿真模型，如圖1所示，利用恒壓直流源接DC/AC變換器模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的出力；電池采用理想電壓源與內(nèi)阻串聯(lián)的模型；超級電容采用電容值與電阻串聯(lián)的模型；假設(shè)實(shí)際微網(wǎng)孤島中風(fēng)機(jī)和負(fù)荷的功率采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信時間為0.1 s。

蓄電池儲能系統(tǒng)額定功率為20 kW，按照其滿容量且以最大功率輸出時，持續(xù)時間不小于10 h的原則，確定其容量為1 440 kC，額定電壓為500 V；超級電容儲能系統(tǒng)額定功率為40 kW，按照其滿容量且以最大功率輸出時，持續(xù)時間不小于30 s的原則，確定其電容值為16 F，額定電壓為400 V。

仿真中所用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率數(shù)據(jù)波形如圖7所示，風(fēng)電功率波動范圍為0～22 kW。

圖7 風(fēng)機(jī)有功功率波形Fig.7Active power waveform of wind turbine

三相對稱負(fù)荷有功功率波形如圖8所示，波動范圍為0～35 kW，峰值為20 kW，在微網(wǎng)孤島第一次達(dá)到穩(wěn)定后負(fù)荷功率每秒鐘改變一次，在2 s時發(fā)生階躍變化，負(fù)荷需求功率突增20 kW，在3 s時發(fā)生短暫突變，驟減15 kW后迅速恢復(fù)，在4～5 s時負(fù)荷功率隨時間逐步減小，在5 s后負(fù)荷功率保持恒定，最終穩(wěn)定在20 kW。

圖8 三相對稱負(fù)荷功率波形Fig.8Power waveform of three-phase symmetric loads

直流側(cè)母線電壓波形如圖9所示，在仿真模型運(yùn)行1.3 s后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，直流側(cè)母線電壓第一次穩(wěn)定在750 V，其后在三相對稱負(fù)荷每秒變化后直流側(cè)母線電壓在短時間內(nèi)恢復(fù)到750 V。微網(wǎng)孤島仿真模型的凈負(fù)荷和儲能系統(tǒng)功率波形如圖10所示，在微網(wǎng)孤島系統(tǒng)穩(wěn)定后，凈負(fù)荷曲線Pnet-load和儲能系統(tǒng)曲線PESS基本重合，儲能系統(tǒng)輸出功率完全補(bǔ)償凈負(fù)荷功率。

圖9 直流側(cè)母線電壓波形Fig.9Waveform of bus voltage at DC side

圖10 凈負(fù)荷和儲能系統(tǒng)功率波形Fig.10Power waveforms of both net-load and energy storage system

超級電容和蓄電池功率波形如圖11所示，在負(fù)荷波動時刻，超級電容功率曲線Psc立刻響應(yīng)，蓄電池功率曲線Pbat延遲0.1 s響應(yīng)，而且蓄電池功率曲線Pbat并不像超級電容功率曲線Psc那樣頻繁穿越零點(diǎn)。當(dāng)超級電容輸出功率等于零時，直流側(cè)母線電壓調(diào)節(jié)完成，穩(wěn)定在750 V，此時，蓄電池功率完全補(bǔ)償凈負(fù)荷，進(jìn)行功率控制。

圖11 超級電容和蓄電池功率波形Fig.11Power waveforms of both super capacitor and battery

圖12為延遲時間為0.05 s時的直流側(cè)母線電壓。和延遲時間為0.1 s時的直流側(cè)母線電壓（圖9）比較發(fā)現(xiàn)，延遲時間縮短為0.05 s，直流側(cè)母線電壓恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間變短，電壓波動的幅度變小，可以看出實(shí)際微網(wǎng)孤島中風(fēng)機(jī)和負(fù)荷的功率采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信所造成的延時對微網(wǎng)孤島系統(tǒng)的穩(wěn)定有一定影響。

圖12 直流側(cè)母線電壓波形Fig.12Waveform of bus voltage at DC side

4 結(jié)語

儲能對于實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)孤島運(yùn)行內(nèi)部能量的瞬時平衡、維持微網(wǎng)孤島的穩(wěn)定運(yùn)行具有非常重要的作用。本文提出了適用于微網(wǎng)孤島運(yùn)行的超級電容與蓄電池混合儲能系統(tǒng)，并采用雙級式變流器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，由于超級電容具有的高功率密度特性，大幅度提高了混合儲能系統(tǒng)的功率輸出能力，有效實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)的瞬時功率平衡，提高了微網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明，本文所提出的混合儲能系統(tǒng)能夠充分利用超級電容器功率密度高和循環(huán)壽命長的優(yōu)點(diǎn)來補(bǔ)償可再生能源輸出功率和負(fù)荷功率的瞬時波動，蓄電池緩慢進(jìn)行補(bǔ)償功率波動分量，優(yōu)化了蓄電池的工作過程，延長蓄電池使用壽命，提高儲能裝置應(yīng)用于微網(wǎng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

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Analysis and Simulation of Energy Storage System under Micro-island Operation

YANG Hai-jing1，LI Zhao-hui1，SHI Guang1，LIU Zhong-sheng2，SONG Chun-hui2
（1.HAEPC Electric Power Research Institute，Zhengzhou 450052，China；
2.Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co．，Ltd．，Tianjin 300384，China）

In order to maintain the stable operation of micro-island system and avoid the greater negative impact of frequent charge and discharge on the performance of traditional battery energy storage system（BESS），this paper introduces a new energy management method of hybrid battery super-capacitor storage system.When the load changes，the super-capacitor responses to the power demand quickly and controls the bus voltage of DC side at the same time.When the DC-side bus voltage is stable，the super-capacitor no longer outputs power and the payload power shortfall is compensated by the battery.This method prevents the battery from being destroyed by the sudden changes of the net-load demand power，optimizes the working process of the battery，and extends the battery lifetime.Finally，a PSCAD model is used to verify the validity of this method.

hybrid energy storage；battery；super capacitor；bipolar converter；energy management

TM743

A

1003-8930（2013）03-0067-05

楊海晶（1977—），男，博士，從事電力系統(tǒng)分析、保護(hù)與控制以及智能電網(wǎng)技術(shù)方面研究。Email：hkyoung@163.com

2012-11-08；

2012-12-21

國家電網(wǎng)科技項(xiàng)目“微電網(wǎng)應(yīng)用模式與協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究開發(fā)及應(yīng)用”（EPRIPDKJ[2012]3120）

李朝暉（1971—），男，高級工程師，從事自動控制、可靠性與電能質(zhì)量研究。Email：lee5476@sina.com

石光（1971—），男，高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)工作。Email：shiguang@ha.sgcc.com.cn