基于混合儲能的微電網功率控制策略

吳雨，潘文霞，馮蒙霜，包抒一

（河海大學可再生能源發電技術教育部工程研究中心，南京 210098）

基于混合儲能的微電網功率控制策略

吳雨，潘文霞，馮蒙霜，包抒一

（河海大學可再生能源發電技術教育部工程研究中心，南京 210098）

微電網中間歇式微電源輸出功率較大的不確定和波動，給微電網孤網運行時的電能質量和并網運行時的功率可調度控制帶來了巨大的挑戰。采用單一的儲能系統平滑功率波動，不僅無法很好解決上述兩種問題，且不利于延長儲能元件的壽命。文中利用超級電容的高功率密度、快速充放和蓄電池適于平抑長周期功率波動的特點，提出了基于超級電容和蓄電池組成的混合儲能系統及相應的控制策略，微電網孤網運行時采用超級電容平滑波動頻率較高的功率，并網運行時結合蓄電池平抑頻率較低的功率，通過兩者的共同作用提高了微電網孤網運行的電能質量與并網運行的可調度性，同時避免了蓄電池頻繁充放電。在PSCAD/EMTDC中建立微電網仿真模型，驗證了所提出的混合儲能結構及其控制策略的可行性。

微電網；微電源；蓄電池；超級電容；混合儲能；控制策略

隨著可再生能源發電技術的逐步成熟，可再生能源微電源被大量應用到微電網中，滿足了人們對電能和環境保護的需求，然而這種間歇性微電源的接入給微電網的運行與控制帶來了巨大的挑戰，如何提高微電網供電網質量和并網運行的可調度性成為人們極為關注的問題。

隨著儲能技術的迅速發展，各種儲能技術在電力系統中的應用研究日趨廣泛。

目前的儲能方式有蓄電池、超級電容、超導和飛輪儲能[1]等，其中蓄電池儲能技術成熟、成本低，但充放電次數受到限制。文獻[2]研究利用電池儲能系統改善并網風電場電能質量和穩定性，文獻[3]著重結合蓄電池儲能技術解決了光伏功率波動的問題。相比于蓄電池，超級電容具有超長壽命、高能量密度和快速充放電的優點，文獻[4]綜述了超級電容的優點及在電車、電子以及電力系統中的廣泛應用。根據蓄電池和超級電容的各自特點，文獻[5]提出了基于多滯環調解控制的混合儲能系統，將蓄電池和超級電容組合在同一單元中，減少了蓄電池充放電次數，但蓄電池和超級電容并不能同時工作。

本文根據微電網運行模式、微電源和儲能系統各自特點，提出了基于混合儲能的微電網功率控制策略，力求改善微電網在孤網運行時電能質量和并網運行時可調度性問題，并建立PSCAD典型微電網模型，仿真分析說明了本文所提出微電網混合儲能結構和控制策略的有效性。

1 微電網及微電源

微電網是將微電源、負荷、儲能裝置和控制裝置等結合起來的一個可控系統，同時向用戶供給電能和熱能[6]。微電網既可與主網聯網運行，也可在主網故障或需要時與主網斷開單獨運行。微電網中微電源一般可分為非間歇性微電源（如微型燃氣輪機等）和間歇性微電源（如風力發電和光伏發電等），微型燃氣輪機以可燃性氣體或液體為燃料，能同時產生熱能和電能[7-8]，其控制方法靈活可采用功率控制和恒壓恒頻控制，恒壓恒頻控制能為微電網在孤網運行時提供電壓和頻率的支撐[9]。風力發電和光伏發電受天氣和自然環境較大約束，它們通常采用最大功率跟蹤控制方法[10-12]。間歇式微電源輸出功率的不確定性，降低了微電網供電的電能質量和并網運行的可調度性，因此往往通過加入儲能元件與之形成互補，增強微電網安全經濟運行。

2 混合儲能系統與控制策略

2.1 超級電容儲能系統建模與控制策略

超級電容儲能系統主要由超級電容、雙向DC/ DC和逆變器組成[13]如圖1所示。超級電容采用由等效電容串聯等效電阻組成的模型，DC/DC部分為非隔離型Buck-Boost雙向變換器（Buck/Boost bi-directional converter），DC/AC部分為電壓源逆變器。

為了實現低壓側超級電容器與直流高壓之間的能量雙向流動且保持高壓側電壓恒定，因此本文DC/DC部分采用雙PI控制結構，外環高壓側給定值Udcref與實測值Udc2的偏差經PI調節器輸出高壓側電流控制信號Idc，由直流變換器占空比定義和功率守恒原則得到超級電容電流參考控制信號Iscref，電流環的輸出經PWM脈寬調制控制DC/DC變換器。為了滿足超級電容快速吸收和釋放電能需求，VSI部分采用功率外環加電流內環PI控制，使調節過程更加快速平穩，實現無差控制。超級電容儲能系統控制框圖如圖2所示，其中Udc1為超級電容電壓，Isc超級電容實測電流，Pscref、Qscref分為超級電容輸出有功與無功參考值。

圖1 超級電容系統結構Fig.1 Structure of super-capacitor system

圖2 超級電容控制策略Fig.2 Control strategy of super-capacitor

2.2 蓄電池建模與控制策略

考慮蓄電池在處于充放電狀態時表現出電阻電容特性，本文蓄電池模型采用Thevenin等效模型，比簡單等效電路模型更接近真實的蓄電池電路，如圖3所示。Thevenin模型由理想電源Ub，極化內阻Rbp，歐姆內阻Rbs，極化電容Cbp構成。將蓄電池通過Bi-DC/DC變換器接于直流母線，一方面可實現能量雙向流動，另一方面可使所需蓄電池電壓等級降低。本文采用變功率充放電方式對蓄電池進行充放電，與恒功率充放電方式相比其更符合實際工作狀態。蓄電池電壓在正常工作范圍內時，通過判斷外部需要蓄電池提供電能Cb值大小來控制蓄電池充放電，當Cb＜0時，DC/DC變換器處于Buck工作模式給蓄電池充電；當Cb＞0時，DC/DC變換器處于Boost模式蓄電池放電，其控制策略如圖4所示。

圖3 蓄電池充放電等效電路模型Fig.3 Equivalent circuit mode of charge and discharge of battery

圖4 蓄電池儲能系統控制策略Fig.4 Control strategy of battery energy storage system

2.3 混合儲能控制策略

微電網并網運行時向主網輸出或吸收功率，主網期望微電網與其交換的功率按照微電網前一日預測的凈負荷曲線變化，即能實現微電網的可調度。然而實際上由于對間歇式微電源輸出的預測誤差，因此公共連接點PCC（point of common coupling）凈負荷功率必會發生波動，無法滿足與預測曲線變化一致，對主網而言波動降低了微電網的可調度性。

本文提出的基于超級電容和蓄電池混合儲能控制策略如圖5所示，此控制力求改善微電網在孤網運行時電能質量和并網運行時的可調度性。間歇式微電源輸出功率Pb通過一階滯后濾波后得到平滑的間歇式微電源輸出的有功指令Pbp，指令功率Pbp與原Pb之間的差額ΔPsc即為超級電容儲能系統在電容電壓滿足Vscmin＜V＜Vscmax情況下向微電網輸出的功率，通過降低非間歇式微電源輸出瞬時有功波動幅值和頻率來改善微電網孤網運行時的電能質量。微電網并網運行時測得的PCC點凈負荷由通信設備傳輸到蓄電池儲能系統功率計算單元，判斷測得的PCC點凈負荷功率是否符合預測得到的PCC點凈負荷功率決定蓄電池的動作，蓄電池的充放電的先決條件為Vbmin＜V＜Vbmax，通過超級電容和蓄電池的聯合作用提高微電網并網運行的可調度性。圖5中Pb為微電網內間歇式微電源輸出功率，Ph為非間歇式微電源輸出功率，Pl為負荷功率。

圖5 混合儲能控制策略Fig.5 Control strategy of hybrid energy storage

3 仿真分析

在PSCAD/EMTDC中建立典型低壓微電網系統仿真模型[14-16]，對所提出的混合儲能系統在微電網的兩種運行模式下控制策略有效性進行仿真分析，仿真模型中涉及到電力電子器件一律采用理想模型，且開關頻率足夠高。微電網仿真模型如圖6所示，主要由3種微電源、2種儲能系統和可變負荷組成。微型燃氣輪機額定功率為30 kW、20 kvar，直驅風力發電機容量100 kVA，光伏陣列容量20 kVA，超級電容器儲能系統安裝在直驅風力發電機出口，線路阻抗為（0.641+j0.101）Ω/km，超級電容器電容20 F，Vscmin為200 V，Vscmax為900 V，初始電壓為625 V，兼顧靈敏度與平穩度一階滯后濾波器的取值G=1、T=0.5，蓄電池儲能系統安裝在公共連接點處，考慮一定充放裕度蓄電池容量500 A·h，額定電壓500 V，最大工作電壓為800 V，最小工作電壓為200 V。

圖6 微電網系統結構Fig.6Structure of microgrid system

3.1 混合儲能對提高微電網孤網電能質量的控制效果

微電網孤網運行時，直驅風機和光伏陣列采用單位功率因數控制。微型燃氣輪機采用v/f控制策略，以保證系統功率變化時微電源與負荷之間的功率平衡，并為系統提供電壓和頻率支撐。

圖7為0—6 min內風速曲線，第1 min時微電網孤網運行，1—6 min內考慮到光照、溫度及負荷變化較小，在此情況下認為光伏陣列輸出功率恒定為18 kW/0 kvar和負荷恒定為60 kW，微電網孤網運行功率波動主要是由風機輸出引起。孤網運行時直驅風機輸出功率如圖8所示，由圖看出風機有功輸出波動范圍較大，該波動直接導致了微電網電能質量下降如圖9（a）所示。依據采用本文所提出的混合儲能系統，對平滑波動幅度較大的瞬時功率只需投入超級電容儲能系統即可，蓄電池處于待工作狀態。圖10（a）即為在直驅風機輸出端口加入超級電容儲能系統后送入微電網的功率，比未加儲能系統時的瞬時波動降低，由圖9（b）看出微電網孤網電能質量得到明顯提高，超級電容吸收和釋放的功率如圖10（b）所示。

3.2 混和儲能對提高微電網并網可調度性的控制效果

考慮0—24 h內溫度、光照、風速和負荷變化曲線如圖11所示，圖12為微電網預測PCC點凈負荷曲線。

圖7 風速曲線Fig.7 Curve of wind

圖8 直驅風機輸出的功率Fig.8 Output of PMSG

圖9 微電網孤網電壓Fig.9 Voltage of microgrid on island operation mode

圖10 風機輸出與超級電容釋放和吸收的功率Fig.10 Power of PMSG and supercapacitor

圖110 —24 h溫度、光照、風速和負荷曲線Fig.11 Curves of temperature，illumination，wind speed and load

圖12 微電網PCC點預測凈負荷曲線Fig.12 Forecast net load curve of PCC

仿真過程中忽略電機響應時間和電網暫態過程，并網運行時燃氣輪機采用功率控制，輸出的額定功率為30 kW、20 kvar，直驅風機與光伏陣列采用單位功率因數控制，其功率輸出如圖13所示。

在無任何儲能元件情況下，PCC點凈負荷隨微電源輸出和負荷變化無規律波動，不能滿足主網的要求，嚴重降低了微電網并網運行的調度性。若只在PCC點加入蓄電池儲能系統，而蓄電池不能進行快速充放電的動作，因此無法平滑掉波動較快的有功功率，PCC凈負荷曲線無法滿足主網對微電網的要求，如圖14（b）所示。單加入超級電容儲能系統，PCC點凈負荷波動率減小但仍不滿足主網對微電網PCC點凈負荷要求，如圖14（c）所示。圖14（d）為采用本文所提出的混合儲能系統的仿真結果圖，充分利用超級電容-蓄電池互補特性，使得實際PCC點凈負荷與預測凈負荷曲線基本吻合，達到了預期的控制目標，有效的提高了微電網并網運行的可調度性，混合儲能系統蓄電池和超級電容的充放電曲線如圖15所示。

圖13 直驅風機、光伏陣列功率輸出Fig.13 Output of PMSG and PV

圖14 不同情況下PCC點凈負荷曲線Fig.14 Net load curves of PCC in different situations

圖15 超級電容和蓄電池充放電曲線Fig.15 Charge and discharge curves of supercapacitor and battery

4 結語

儲能系統對維持微電網的安全穩定運行具有十分重要的作用，本文針對微電網電能質量和并網功率可調度問題提出了基于超級電容和蓄電池混合儲能系統及其控制策略。文中建立了PSCAD/ EMTDC的典型微電網系統仿真模型，對微電網在孤網和并網兩種運行方式下的儲能控制策略進行了仿真分析，仿真結果表明采用本文提出的混合儲能系統和控制策略后，微電網孤網運行的電能質量明顯提高；在可調度方面微電網并網運行時混合儲能比單一儲能更有利于對PCC點功率的控制，增強了微電網運行的可調度性與安全性。

[1]周林，黃勇，郭珂，等（Zhou Lin，Huang Yong，Guo Ke，et al）．微電網儲能技術研究綜述（A survey of energy storage technology for micro grid）[J]．電力系統保護與控制（Power System Protection and Control），2011，39（7）：147-152．

[2]張步涵，曾杰，毛承雄，等（Zhang Buhan，Zeng Jie，Mao Chengxiong，et al）．電池儲能系統在改善并網風電場電能質量和穩定性中的應用（Improvement of power quality and stability of wind farms connected to power grid by battery energy storage system）[J]．電網技術（Power System Technology），2006，30（15）：54-58．

[3]邱培春，葛寶華，畢大強（Qiu Peichun，Ge Baohua，Bi Daqiang）．基于蓄電池儲能的光伏并網發電功率平抑控制研究（Battery energy storage-based power stabilizing control for grid-connected photovoltaic power generation system）[J]．電力系統保護與控制（Power System Protection and Control），2011，39（3）：29-33．

[4]張步涵，王云玲，曾杰（Zhang Buhan，Wang Yunling，Zeng Jie）.超級電容器儲能技術及其應用（Super-capacitor energy storage and its application）[J]．水電能源學（Water Resources and Power），2006，24（5）：50-52．

[5]張國駒，唐西勝，齊智平（Zhang Guoju，Tang Xisheng，Qi Zhiping）．超級電容器與蓄電池混合儲能系統在微網中的應用（Application of hybrid energy storage system of super-capacitors and batteries in a microgrid）[J].電力系統自化（Automation of Electric Power System），2010，34（12）：85-89．

[6]魯宗相，王彩霞，閔勇，等（Lu Zongxiang，Wang Caixia，Min Yong，et al）．微電網研究綜述（Overview on microgrid research）[J].電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2007，31（19）：100-107．

[7]王成山，馬力，王守相（Wang Chengshan，Ma Li，Wang Shouxiang）．基于雙PWM換流器的微型燃氣輪機系統仿真（Simulation of a microturbine system based on double PWM Converters）[J]．電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2008，32（1）：56-60．

[8]Huang Wei，Zhang Jianhua，Wu Ziping，et al．Dynamic modeling and simulation of a micro-turbine generation system in the microgrid[C]//IEEE International Conference on Sustainable Energy Technologies.Singapore，Singapore：2008．

[9]王成山，肖朝霞，王守相（Wang Chengshan，Xiao Zhaoxia，Wang Shouxiang）．微網綜合控制與分析（Synthetical control and analysis of microgrid）[J]．電力系統自動化（Automation of Electric Power System），2008，32（7）：98-103．

[10]楊曉萍，郭鑫（Yang Xiaoping，Guo Xin）．直驅式永磁風力發電機組并網控制（Control strategy of direct-drive permanent magnet synchronous generators wind turbine connected to grid）[J]．電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2011，23（6）：121-126．

[11]程軍照，李澍森，張騰飛（Chen Junzhao，Li Shusen，Zhang Tengfei）．多路并網光伏發電系統的仿真與分析（Simulations and analysis on a multi-branch grid-connected photovoltaic system）[J]．電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2009，21（4）：58-62．

[12]周念成，鄧浩，王強剛，等（Zhou Niancheng，Deng Hao，Wang Qianggang，et al）．光伏與微型燃氣輪機混合微網能量管理研究（Energy management strategy of PV and micro-turbine hybrid micro-grid）[J]．電工技術學報（Journal of Electrician Technique），2012，27（1）：74-84．

[13]Li Xiao，Hu Changsheng，Liu Changjin，et al．Modeling and control of aggregated super-capacitor energy storage system for wind power generation[C]//34th Annual Confer－ence of IEEE Industrial Electronics Society.Orlando，USA：2008．

[14]黃宇淇，方賓義，孫錦楓（Huang Yuqi，Fang Binyi，Sun Jinfeng）．飛輪儲能系統應用于微網的仿真研究（Simulation research on the microgrid with flywheel energy storage system）[J]．電力系統保護與控制（Power System Protection and Control），2011，39（9）：83-87，113．

[15]牟曉春，畢大強，任先文（Mou Xiaochun，Bi Daqiang，Ren Xianwen）．低壓微網綜合控制策略設計（Study on the control strategies of low voltage microgrid）[J]．電力系統自動化（Automation of Electric Power System），2010，34（19）：91-96．

[16]王凌，李培強，李欣然，等（Wang Ling，Li Peiqiang，Li Xinran，et al）．微電源建模及其在微電網仿真中的應用（Modeling of micro-powers and its application in microgrid simulation）[J]．電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2010，22（3）：32-38．

Power Control Strategy for Microgrid Based on Hybrid Energy Storage System

WU Yu，PAN Wen-xia，FENG Meng-shuang，BAO Shu-yi
（Research Center for Renewable Energy Generation Engineering，Ministry of Education，Hohai University，Nanjing 210098，China）

The output fluctuation of intermittent micro-power in mircrogrid will bring great challenge to the control of power quality at the island operation mode and the power schedulability at the grid-connected operation mode. Using one type of energy storage system to smooth the power fluctuation is hard to perfectly solve the above problems but is not good to extend the life of energy storage device.This paper proposes a control strategy based on hybrid energy storage system consisted of super-capacitor and battery，which takes advantage of the battery to smooth long-periodic fluctuation power and the high power density，fast charge and discharge of the super-capacitor.The super-capacitor is used to smooth the high fluctuation power when the microgrid on island operation mode.By combining with the battery，the super-capacitor can be used to smooth the low fluctuation power when the microgrid on grid-connected operation mode.Therefore，the power quality on island operation mode and schedulability of the microgrid on grid-connected operation mode can be improved，and too much charge and discharge of the battery can be avoided.A simulation model of microgrid is built by PSCAD，and simulation results verify the feasibility of the proposed hybrid energy storage construct and control strategy.

microgrid；micro-power；battery；super-capacitor；hybrid energy storage；control strategy

TM73

A

1003-8930（2013）02-0109-06

吳雨（1987—），男，碩士研究生，研究方向為可再生能源發電技術。Email：rainlchina@yahoo.cn

2012-08-30；

2012-10-08

南通河海大學海洋與近海工程研究院“科技研發與產業化引導專項”

潘文霞（1961—），女，博士，教授，博士生導師，從事電氣工程領域的教學與科研工作。Email：pwxhh@yahoo.com.cn

馮蒙霜（1989—），女，碩士研究生，研究方向為儲能技術在微電網中的應用。Email：jessicafmsz@163.com