混合儲能系統(tǒng)在風(fēng)光互補微電網(wǎng)中的應(yīng)用

殷桂梁，李相男，郭 磊，李曉亮

（燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，秦皇島066004）

為了更高效地利用可再生能源，在太陽能、風(fēng)能資源比較豐富的地區(qū)，構(gòu)建風(fēng)光互補微電網(wǎng)進行發(fā)電，可以提高微電網(wǎng)供電的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性[1-2]。典型的風(fēng)光互補微電網(wǎng)由風(fēng)力發(fā)電單元、光伏發(fā)電單元、儲能系統(tǒng)及負荷組成[3]。其中，儲能對于微電網(wǎng)的不間斷供電、電力調(diào)峰、電能質(zhì)量的改善和微電源性能的提升具有非常重要的作用，是微電網(wǎng)安全可靠運行的關(guān)鍵[4-5]。

蓄電池儲能具有能量密度大、運行維護簡便的優(yōu)點[6]，超級電容器具有功率密度大、循環(huán)壽命長、充放電效率高的優(yōu)點[7]，二者在技術(shù)性能上有互補性[8]，通過合理連接混合使用，可使系統(tǒng)兼具蓄電池的高能量密度和超級電容器的高功率密度的優(yōu)點，并可以優(yōu)化蓄電池的工作環(huán)境。文獻[9-10]對混合儲能應(yīng)用于獨立的光伏發(fā)電系統(tǒng)進行了研究，研究表明混合儲能應(yīng)用于獨立光伏系統(tǒng)，可以降低蓄電池的放電深度，提高光伏系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率；文獻[11-12]將混合儲能系統(tǒng)應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電中，結(jié)果表明，混合儲能可以迅速平衡系統(tǒng)瞬時功率，改善風(fēng)電功率波動，優(yōu)化蓄電池的工作狀態(tài)，延長其使用壽命；文獻[13]在分析微電網(wǎng)穩(wěn)定運行對儲能要求的基礎(chǔ)上，提出適用于微電網(wǎng)的混合儲能控制策略，在滿足微電網(wǎng)運行需求的前提下，混合儲能結(jié)構(gòu)能夠延長蓄電池的使用壽命，有較強的技術(shù)經(jīng)濟性。

本文深入分析了含有混合儲能系統(tǒng)的風(fēng)光互補微電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略，進而在孤島模式下進行仿真，考慮了當(dāng)外界自然條件和負載變化時，混合儲能系統(tǒng)的加入對于負載電壓和系統(tǒng)頻率的影響，驗證了混合儲能系統(tǒng)的加入對于提高電能質(zhì)量的作用。

1 儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混合儲能系統(tǒng)由蓄電池組、超級電容器組、雙向DC/DC 變換器和雙向DC/AC 變換器組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中，UB和RB為蓄電池組電壓和等效內(nèi)阻；L 為雙向DC/DC 變換器電感；iL為流過電感上的電流；C 為直流母線電容；udc為直流母線電壓；Usc和Rsc為超級電容器組等效電壓源和等效內(nèi)阻；Lf為變換器濾波電感；Cf為變換器濾波電容；Rf為變換器濾波電阻；Zln為線路阻抗；Z 為恒阻抗負載；Ui、Il分別為變換器輸出的電壓和濾波電感上的電流；Uldi為濾波電容上的電壓；Ici為流向濾波電容上的電流；Iln為流向負載和電網(wǎng)的電流之和。

圖1 混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of hybrid energy storage system

蓄電池組通過雙向buck/boost 變換器與超級電容器組一起并聯(lián)在三相變換器的直流母線上，三相變換器經(jīng)過LC 濾波器接入風(fēng)光互補微電網(wǎng)的交流母線上，通過與微電網(wǎng)之間有功和無功功率的交換實現(xiàn)系統(tǒng)的瞬時功率平衡和穩(wěn)定控制。

2 雙向DC/DC 變換器的控制策略

為了改善蓄電池的充放電過程，并滿足風(fēng)光互補微電網(wǎng)運行的功率需求，采用如圖2 所示的電流計算模塊，計算得到雙向DC/DC 變換器上的電感電流參考值。根據(jù)直流母線電容電壓udc的大小，由滯環(huán)判斷得到電感電流的參考值iL_ref。

圖2 參考電流計算模塊Fig.2 Reference current calculation module

根據(jù)參考電流iL_ref的正負判斷雙向DC/DC 變換器的工作狀態(tài)。當(dāng)iL_ref〉0 時，電路工作在boost狀態(tài)；當(dāng)iL_ref〈 0 時，電路工作在buck 狀態(tài)；當(dāng)iL_ref=0 時，電路不工作。

與相對傳統(tǒng)的PID 控制相比，滑模變結(jié)構(gòu)具有較強的魯棒性和動態(tài)響應(yīng)特性，本文選取S =iL（t）-iL_ref（t）為切換函數(shù)，取u=sgn（S）為控制規(guī)律，則

DC/DC 變換器滑模變結(jié)構(gòu)控制框圖見圖3。

圖3 DC/DC 變換器滑模變結(jié)構(gòu)控制框圖Fig.3 Block for sliding-mode and variable-structure controll of DC/DC converter

給定電感電流iL_ref與實際電感電流iL的差值，經(jīng)過符號位Sign 判斷得到控制量u，由控制量u 的正負判斷PWM 波控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，使實際電流iL跟蹤參考電流iL_ref。

為了驗證DC/DC 變換器滑模變結(jié)構(gòu)控制方法的響應(yīng)速度和控制效果，搭建如圖1 所示的混合儲能系統(tǒng)，系統(tǒng)中將三相逆變器部分等效為恒功率負載。系統(tǒng)參數(shù)為：超級電容器電容15 F，額定電壓900 V，初始電壓850 V，內(nèi)阻0.1 Ω；蓄電池容量100 A·h，額定電壓240 V，內(nèi)阻0.5 Ω；雙向DC/DC 變換器電感9 mH；負載電阻100 Ω。仿真得到傳統(tǒng)PID 控制與滑模變結(jié)構(gòu)控制時電感電流仿真波形，如圖4 所示。

兩種控制方法都能使電感電流有效地跟蹤給定電流，采用PID 控制方法輸出的電感電流紋波約為20%，而采用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法輸出的電感電流紋波約為5.7%。由此可以看出，采用滑模變結(jié)構(gòu)的控制方法輸出的電感電流紋波更小，響應(yīng)的速度也更快。

圖4 DC/DC 變換器電感電流仿真曲線Fig.4 Simulation curve of DC/DC converter of inductance current

3 雙向DC/AC 變換器的控制策略

當(dāng)光照、溫度、風(fēng)力發(fā)生變化時，風(fēng)光互補的微電網(wǎng)輸出功率波動很大，這就要求混合儲能系統(tǒng)能夠平抑分布式電源的并網(wǎng)功率，減少功率波動對微電網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊，而在孤島運行時能夠提供微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和頻率參考，且能合理分擔(dān)負荷的功率，維持整個系統(tǒng)的功率平衡。因而，雙向DC/AC 變換器采用控制靈活、簡單的下垂控制策略。

在低壓微電網(wǎng)中，微電源輸出的有功功率主要與輸出電壓的幅值有關(guān)，而無功功率主要與輸出電壓相角有關(guān)。因而，傳統(tǒng)的下垂控制方程變?yōu)?/p>

其中：

式中：Pmax為微電源在電壓下降時允許輸出的最大功率；Pn為微電源的額定輸出功率；Un為微電源輸出額定功率下的電壓；Umin為允許的最小電壓幅值；fn為電網(wǎng)的額定頻率；fmax為微電源允許輸出的最大頻率；Qmax為微電源達到頻率最大允許值時輸出的無功功率。

根據(jù)上述低壓下垂特性，設(shè)計得到功率控制器，如圖5 所示。同時為了改善三相輸出電能，需對電壓和電流進行精確、動態(tài)的控制，其中最典型的控制策略是電壓電流雙環(huán)控制，如圖6 所示。

圖5 功率控制器結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of power controller

圖6 電壓電流雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Structure block of voltage-current loop controller

輸出電壓與功率控制器得到的參考電壓信號相比較，其差值經(jīng)過電壓環(huán)PI 控制器和前饋解耦控制得到電流內(nèi)環(huán)的參考電流。濾波電感電流與參考電流的差值經(jīng)過電流環(huán)PI 控制器、前饋解耦和電壓前饋補償?shù)玫絊PWM 調(diào)制電壓信號。

4 仿真分析

為了驗證混合儲能系統(tǒng)在風(fēng)光互補微電網(wǎng)中的重要性，構(gòu)建一個風(fēng)光互補的微電網(wǎng)，結(jié)構(gòu)如圖7 所示，系統(tǒng)由光伏發(fā)電（31 kW）、雙饋風(fēng)力發(fā)電（35 kW）以及超級電容蓄電池混合儲能系統(tǒng)（蓄電池容量100 Ah，額定電壓240 V，超級電容器電容15 F，額定電壓900 V）和負載組成，通過線路、斷路器連接到大電網(wǎng)中。超級電容蓄電池混合儲能接在公共母線上，用于穩(wěn)定母線電壓，并在孤島運行時采用下垂控制，吸收或補給功率缺額，維持整個系統(tǒng)的功率平衡。負載1、2 為本地負載，負載3 為重要負載，運行時應(yīng)保證其供電可靠性，負載4、5 為普通負載，必要時可以切除，負載6 為沖擊性負載。

圖7 風(fēng)光互補微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of wind/solar hybrid microgrid

4.1 孤島運行時光照強度、風(fēng)速變化仿真分析

太陽的光照強度和風(fēng)機的風(fēng)速隨機的發(fā)生變化。本地負載1、2 和重要負載3 接入系統(tǒng)，負載1：P=5 kW，Q=3 kvar；負載2：P=8 kW，Q=3 kvar；負載3：P=20 kW，Q=0 kvar。仿真結(jié)果如圖8 所示。

由圖8（a）、（b）可以看出，光伏和風(fēng)機的輸出功率隨著太陽的光照強度和風(fēng)機的風(fēng)速隨機的發(fā)生變化，具有很大的隨機性、波動性。由圖8（c）、（d）可以看出，在風(fēng)速和光照強度變化時，負載3電壓基本保持不變，維持在標(biāo)幺值1 p.u.附近，系統(tǒng)頻率始終穩(wěn)定在50 Hz 附近，滿足了重要負荷的供電可靠性。

整個仿真過程表明，當(dāng)外界條件發(fā)生變化，風(fēng)光互補微電網(wǎng)輸出功率波動很大時，儲能系統(tǒng)能夠平抑功率的波動，提供微電網(wǎng)的電壓和頻率支持，且能夠合理地分擔(dān)負載功率，維持整個系統(tǒng)的功率平衡。

圖8 孤島運行時光照強度、風(fēng)速變化仿真曲線Fig.8 Simulation curve of solar irradiance and wind velocity changes in islanding operation mode

4.2 孤島運行時負載變化仿真分析

太陽的光照強度恒為1 000 W/m2，風(fēng)機的風(fēng)速恒為8 m/s。本地負載1、2 和重要負載3 以及普通負載4 接入系統(tǒng)，負載1：P=10 kW，Q=3 kvar；負載2：P=13 kW，Q=3 kvar；負載3：P=25 kW，Q=0 kvar；負載4：P=10 kW，Q=0 kvar。t=1 s 時突加沖擊負載：t=1.0～1.25 s 總的負載消耗有功功率由58 kW 逐漸增加到80 kW，無功功率由6 kvar逐漸增加到10 kvar；t=1.25～1.5 s 總的負載消耗有功功率由80 kW 逐漸降到58 kW，無功功率由10 kvar 逐漸降到6 kvar。t=3 s 時突加負載5，P =5 kW，Q=500 var，t=4 s 時切除負載5，t=5 s 時突甩負載4。得到的系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖9 所示。

圖9 孤島運行時負載變化仿真曲線Fig.9 Simulation curves of the load change in islanding operation mode

由圖9（a）、（b）可以看出，光伏輸出功率恒為P=31 kW，Q=0 kvar；風(fēng)機輸出功率恒為P=28 kW，Q=6 kvar。由圖9（d）可以看出，由于混合儲能系統(tǒng)提供穩(wěn)定的頻率支持，使得系統(tǒng)頻率一直穩(wěn)定在50 Hz 附近，滿足了重要負荷的供電可靠性。

在t=1 s 時突加沖擊負載，由圖9（d）、（e）可以看出，無混合儲能系統(tǒng)時，突加沖擊負載則重要負載3 電壓下降到0.8 p.u.左右，系統(tǒng)頻率在49.5～50.5 Hz 上下波動較大，不能滿足負載穩(wěn)定性要求；加混合儲能系統(tǒng)時，在突加沖擊負載前后，負載兩端電壓基本保持不變，維持在1 p.u.附近，系統(tǒng)頻率維持在50 Hz 附近，滿足負載的供電可靠性。

在無混合儲能系統(tǒng)時，t=3 s 時，突加負載5。由圖9（e）可以看出，由于系統(tǒng)存在功率缺額，重要負載3 電壓下降到0.9 p.u.，t=5 s 時，突甩負載4，重要負載3 電壓在0.95～1.2 p.u.上下波動；在加入混合儲能系統(tǒng)以后，在突加、突甩負載時，混合儲能系統(tǒng)使整個微網(wǎng)功率平衡并向系統(tǒng)提供電壓支持，負載3 電壓穩(wěn)定在標(biāo)幺值1。

整個仿真過程表明，系統(tǒng)孤島運行時，突加沖擊負載和突加、突甩負載時，儲能系統(tǒng)能夠維持系統(tǒng)功率平衡，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓和頻率，使整個過程中電壓幅值和頻率的變化始終在允許的范圍內(nèi)，滿足電能質(zhì)量的要求。

5 結(jié)語

混合儲能對于風(fēng)光互補微電網(wǎng)內(nèi)部能量的瞬時平衡，維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行以及改善微電源的性能具有非常重要的作用。本文采用適合風(fēng)光互補微電網(wǎng)的混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計了雙向DC/DC、雙向DC/AC 變換器的控制策略，并構(gòu)建了風(fēng)光互補微電網(wǎng)，針對系統(tǒng)孤島運行時光照強度、風(fēng)速變化；突加、突甩負載；突加沖擊負載3 種情況進行了仿真分析。仿真結(jié)果表明儲能系統(tǒng)能夠提供風(fēng)光互補微電網(wǎng)的電壓和頻率參考，維持整個系統(tǒng)的功率平衡，提高微電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

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