微電網混合儲能系統設計

趙彥龍 曹以龍

（上海電力學院電子與信息工程學院，上海 200090）

微電網混合儲能系統設計

趙彥龍 曹以龍

（上海電力學院電子與信息工程學院，上海 200090）

微電網中的光伏、風力及其他電源受外界條件影響不夠穩定，將蓄電池和超級電容組成的混合系統應用于微電網能有效增強微電網的穩定性。DC/DC雙向變換器，通過多滯環和PID控制可以將蓄電池和超級電容并聯起來；將SVPWM技術和改進解耦應用于儲能系統的并網系統中，SVPWM技術有效利用了直流電壓，改進解耦控制方法減少了電網諧波含量和系統響應時間。將這些方法組合應用于儲能系統的并網，提高微電網的穩定性。

混合儲能；微網；雙向DC/DC變換；改進解耦

1 引言

微電網是由包括風能光能等多種分布式電源、配電線路、儲能設備、各級負荷及各種監測繼保裝置組成的系統[1]。微電網的運行方式主要包括并網運行和離網運行，為了提高微電網的供電可靠性和能量利用效率，可以利用儲能系統儲存電能。通過儲能系統的調節，微電網在并網運行時，儲能系統能夠儲存多余的電能或者在用電高峰期向微網反饋電能，并能補償功率因數，提高電能質量；當微電網離網運行時，儲能系統能夠通過變換電能保證微網的基本運行，保證重要負荷不斷電運行，提高了系統穩定性。

超級電容器通過合適的變換裝置可以與蓄電池并聯成混合儲能系統。并聯后的混合儲能系統占地面積更小，維護方便，經濟性能更優，對于各種負載都具有良好的適應能力，減少了因為停電或者故障響應電網正常運行的事故概率。蓄電池由于受極化的影響，應避免頻繁的和過大的電流進行充放電，與超級電容器混合使用后，有效地降低了蓄電池的充放電循環次數和電流，延長了蓄電池的使用周期[2]。為了將蓄電池和超級電容高效地并聯起來，文獻[3][4]提出了一種雙向DC/DC變換器，可以將這種變換器應用于此，有效地利用兩種儲能方式的優點。文獻[5]在分析傳統逆變器過程中提出一種改進解耦策略，結果表明能加快系統響應速度，改善電網電流諧波，本文將其應用于儲能系統的并網控制。當混合儲能系統放電時：混合儲能系統通過三相DC/AC變換器將直流電逆變為交流電送至微網中；當微網中含有多余的電能時，向儲能系統充電，三相DC/AC變換器將微網中的交流電變換為直流電?；旌蟽δ芟到y就是通過與微電網之間的功率交換實現系統的瞬時功率平衡和穩定控制。

基于以上，本文設計一種總體控制方法，將混合儲能系統高效地接入微電網系統。

2 系統結構

通常超級電容與蓄電池連接有三種形式：第一種是中間不加任何裝置直接將兩者并聯，第二種是通過在兩者間加電感作為緩沖并聯，第三種是通過功率變換器并聯混合儲能系統。由于在并聯兩個電源時需要保持兩者端電壓一致，避免出現環流，本文采用圖 1所示的并聯結構，通過雙向Buck/Boost變換器[4]并聯混合儲能系統。

圖1　混合儲能系統接入電網結構示意圖

這種并聯方式結構簡單，沒有交流變壓的繁瑣，具有很好的經濟性和易控性。這樣既充分發揮了電容響應速度快的優點，也降低了蓄電池的頻繁充放電次數，延長了蓄電池使用壽命。

3 系統建模與分析

3.1雙向DC/DC變換器模型

假設變換器帶的是恒功率負載RL，開關V1導通時間為m，以直流側電感電流iL和電容器電壓Udc作為狀態變量，建立如下狀態方程：

在系統的穩態工作點(0CU,0Li,0m)對式（1）進行線性化[6],最終可以得到系統的穩定條件及在系統實際穩定運行需要滿足的條件：

式中，P0為混合儲能系統的輸出功率。

3.2三相變換器模型

三相并網逆變器主電路結構如圖2所示，其中ua，ub，uc表示逆變器輸出橋臂電壓，ia，ib，ic表示逆變器并網電流，ea，eb，ec表示三相電網饋線電壓。

圖2　三相變換器示意圖

以電感電流iL為狀態變量，根據KCL和KVL定律，列出狀態方程：

經過Clark變換，將模型由三相靜止坐標系轉換到兩相靜止坐標系。

兩相靜止坐標系經過式（5）的轉換矩陣可以變換到兩相旋轉坐標系。

將（4）、（5）兩式相乘可以得到逆變器在旋轉坐標系下的方程：

通過dq變換，可以使控制系統的設計簡化很多，但是也造成了d軸分量和q軸分量的耦合，必須找到一種有效的方法將此耦合關系解開[7]。

4 系統控制方法

傳統SPWM技術是使逆變器的輸出電壓波形盡可能的接近于正弦波[8]，這種方法不能充分利用直流電壓，而且會產生高次諧波，不利于數字化實現?，F在逆變器和變頻器廣泛使用的是空間矢量PWM控制技術（SVPWM）。相較于傳統的脈沖寬度調制技術（即SPWM技術），空間矢量PWM控制技術的直流電壓利用率提高了15.74%，并且有更低的電壓和電流諧波畸變率[9][10]。

控制前先加入蓄電池 SOC檢測[11]，由于蓄電池的 SOC處于0.2～0.8之間時，受極化影響較小，因此當SOC<0.2時，蓄電池應該停止向電容側供電；當SOC>0.8時，電容側應該停止向蓄電池充電。這樣系統中的蓄電池可以增加循環使用次數，減小運行和維護成本。

4.1DC/DC多滯環控制策略

為了優化微電網的儲能結構，充分利用超級電容響應速度快、功率密度大的優點，改善混合儲能系統的充放電過程，文章采用多滯環調節控制，如圖3所示。

圖3　參考電流計算原理圖

由直流側電容兩端電壓UC的大小，通過滯環判斷參考電流iL_ref的數值，再經由滑模變結構控制方法實現前端電流iL對參考值iL_ref的無靜差跟蹤。其工作過程如下：

iL_ref>0時：

當UC從U5→U3時，電容器組儲存的能量充足，iL_ref=0，功率變換器不作用；

當UC從U3→U1時，電容器組儲存的能量不足，蓄電池組以電流 I3向超級電容器組充電，iL_ref=I3，此時電路工作在Boost狀態；

UC

當超級電容器組電壓逐漸升高時，UC→U2時，蓄電池組仍以大電流 I4向超級電容器組充電，iL_ref=I4，此時電路工作在Boost狀態；

當UC從U2→U4時，電容器組儲存的能量不足，蓄電池組以電流 I3向超級電容器組充電，iL_ref=I3，此時電路工作在Boost狀態；

當UC從U4→U6時，電容器組儲存的能量充足，iL_ref=0，功率變換器不作用；

當iL_ref<0時，情況類似，電路工作在Buck狀態。

4.2改進解耦

傳統的儲能裝置并網變換器解耦控制，是通過采集電網電流的d軸分量id和q軸分量iq,將它們分別和濾波電感總感抗相乘再加到系統中。本文 2.2中已經得到三相變換器的模型，由式（6）可得：

圖4　傳統解耦原理示意圖

改進解耦控制方法[4]是將給定的、代替傳統解耦方法中的id、iq，如圖5所示。該方法由于解耦時沒有采集電網電流的分量，而引入的是人為給定的、，因此不會受到電網電流的直接影響，動態響應速度快，波形質量高。

圖5　改進解耦控制圖

在系統中進行仿真，在圖 6比較兩種解耦方式的并網電流THD可以發現，改進解耦控制方法的并網電流THD大約在3.06%，比傳統解耦方法THD（6.88%）含量小，并網電流波形質量更高。

圖6　兩種控制方法仿真波形及THD

5 仿真及驗證

根據上述混合儲能系統設計的結構和控制算法，在Matlab/Simulink中對系統進行仿真分析并在樣機中驗證。設定系統功率為15kW，蓄電池容量為100Ah，額定電壓為120V，內阻為0.2?；超級電容容量為10F， 額定電壓200V，內阻為0.2?；直流變換器電感為1mH，直流變換和交流變換的開關頻率都設定為 12kHz。由于系統功率滿足公式(8)，系統可以穩定運行。

在仿真中比較單一蓄電池儲能和混合儲能對系統頻率的影響和兩種儲能對直流母線電壓的影響，從圖7和圖8可以看出，混合儲能系統有效地提升了系統的穩定性，頻率和直流母線電壓的仿真波形都得到有效改善。

圖7　兩種儲能方式對頻率的影響

圖8　兩種儲能方式對直流母線電壓的影響

6 結論

充分利用超級電容和蓄電池組成的混合儲能系統，構建適用于微網的整體結構和控制方法。蓄電池技術成熟，但功率密度不足，循環次數少；超級電容功率密度大，循環次數多，但能量密度低，通過多滯環控制混合儲能系統能有效滿足微網運行的需求。SVPWM技術提高了直流電壓利用率，改進解耦技術減少了諧波含量 ，加快了響應系統速度。仿真表明，這套系統能應用于微網的儲能系統。

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A design for hybrid energy storage system of micro-grid

Because of the conditional instability, the voltage of photovoltaic cells, wind power generators and the other sources in micro-grid is lack of stability. The hybrid storage system consists of super-capacitor and battery improves the stability of micro-grid. The bi-directional DC/DC converter can parallel the super-capacitor and battery effectively through multi-loop hysteresis control and PID control. The SVPWM technology applied in grid-connected system uses the DC voltage effectively. The improved decoupling control reduces the harmonics in grid and the response time of the system. Combining these methods and applying them to energy storage systems can improve the stability of micro-grid.

Hybrid energy storage system; micro-grid; bi-directional DC/DC converter; improved decoupling

TM712

A

1008-1151(2015)07-0072-04

2015-06-10

趙彥龍（1988－），男，河南商丘人，上海電力學院電子與信息工程學院在讀碩士，研究方向為儲能技術及其在微網中的應用；曹以龍（1965－），男，安徽當涂人，上海電力學院電子與信息工程學院教授，博士，研究方向為電力電子技術。