微網中蓄電池儲能系統的控制策略研究

張惠娟，脫少鑒，李 旭

(河北工業大學電磁場與電器可靠性省部共建國家重點實驗室培育基地，天津300130)

微網中蓄電池儲能系統的控制策略研究

張惠娟，脫少鑒，李 旭

(河北工業大學電磁場與電器可靠性省部共建國家重點實驗室培育基地，天津300130)

微網中太陽能等一次能源發電易受自然條件因素的影響，導致輸出功率很不穩定，針對上述問題，對儲能系統作為微電網主要電源的主從控制策略進行了研究。以發展技術成熟的蓄電池為儲能元件，主控儲能裝置采用恒壓恒頻控制算法，檢測電網電壓波動快速補償有功無功功率；次控儲能裝置采用恒功率控制算法，維持最大功率的輸出。搭建了微電網仿真模型，模擬微電網并網和孤島運行模式轉換的過程，仿真結果驗證了該控制策略的有效性。

微電網；儲能系統；電壓頻率環；有功無功補償；恒功率控制

大電網一旦局部發生事故，很容易擴散造成大面積停電，加上偏遠地區供電困難和能源危機等問題，學者們提出了投資小、供電可靠而且發電方式靈活的微電網技術[1]。儲能系統作為微電網必不可少的一部分，它的合理配置值得深入研究。

目前微電網中的儲能大部分只做輔助電源，而主要電源是太陽能等一次能源。但一次能源容易受天氣等不確定因素影響，在電網發生故障時會導致輸出功率很不穩定，具有間歇性和波動性等問題。而儲能作為一種穩定能源，它可以持續地為微電網提供電能。

本文以發展技術較成熟的蓄電池為儲能元件，主控儲能裝置采用恒壓恒頻(V/f)控制算法，檢測電網電壓波動快速補償有功無功功率；次控儲能裝置采用恒功率(PQ)控制算法，維持最大功率的輸出。建立系統仿真模型，并研究此算法的有效性。

1 蓄電池儲能系統的主要結構及功率轉換系統工作原理

儲能技術中蓄電池儲能系統 (battery energy storage system，BESS)在微電網中應用很廣泛，已成為經濟發展的一個新熱點[2]。

蓄電池儲能系統由蓄電池和電力電子變流器組成，主要包括蓄電池系統、電池管理系統、功率轉換系統(power conversion system，PCS)等三部分。功率轉換系統選擇使用電壓型三相橋式PWM變流器(簡稱PWM變流器)[3]。

PWM變流器可以實現能量的雙向流動，當蓄電池從電網吸收電能時，PWM變流器運行于整流模式；當蓄電池向電網釋放能量時，PWM變流器運行在逆變模式。下面通過建立模型電路分析其工作原理。

從圖1可知PWM變流器的直流側電容可等價為一個直流源，交流側電路由交流電動勢、網側電阻和網側電感等組成。分析時只考慮基波分量而忽略整流器諧波分量，且假設交流側為對稱且穩定的三相交流電，可得矢量方程：

圖1 PWM變流器的等效電路

2 儲能系統的控制策略

2.1 儲能系統的構成

系統主要的組成部分包括BESS、控制器、負荷、光伏電池及靜態開關(SB)。多個BESS子系統并聯構成大型蓄電池儲能系統，BESS1作為系統的主控電源，在檢測到PCC點電壓、電流的變化后，進行并網模式和孤島模式的轉換，其他BESS則一直保持PQ控制方式。大型儲能系統的微電網結構如圖2所示。

圖2 大型儲能系統的微電網結構

每個BESS子系統由一個電池模塊(由一定數目的單個電池經過串并聯構成)和一個功率轉換系統(由PWM變流器和濾波器構成)組成，電池模塊直接連接在功率轉換系統直流母線側，經過DC/AC變換，得到負載/電網需要的交流電后通過變壓器接在PCC上。

2.2 單個儲能裝置的并網模式(PQ控制)

PQ控制通過鎖相環SPLL采集逆變器出口電流和饋線電壓，經過Park變化，把三相電壓電流轉化為軸的分量，進行功率計算和電流控制，得到正弦調制信號，保證儲能輸出的有功和無功保持在恒定值[5]。圖3為PQ控制方法結構框圖。

圖3 PQ控制方法結構框圖

PQ控制的關鍵在于對有功和無功功率進行解耦，把對功率的控制轉變為對電流的控制，然后對電流進行PI控制，從而控制逆變器的輸出。

由圖3知，母線上電壓可表示為：

式中：ω為母線電壓角頻率，并網時取決于配電網的電壓頻率，孤島時為微網電壓頻率。

由式(2)～式(4)就可以完成PQ的解耦控制。

2.3 單個儲能裝置孤島模式(V/f控制)

V/f控制方法適用于微電網孤島運行，通過控制主控儲能系統的變流器，以維持輸出的電壓和頻率在可調范圍內，確保微網穩定運行。圖4為V/f控制方法的結構框圖。

圖4 V/f控制方法的結構框圖

V/f控制的關鍵在于電壓電流雙環控制，外環是瞬時電壓環，采用比例積分控制(PI控制)來穩定負載電壓；內環是電容電流瞬時調節環，采用比例控制(P控制)來增強系統的抗干擾能力。

電壓電流雙環控制的原理是將系統濾波器輸出電壓與參考電壓進行比較后，得到的誤差信號經PI控制器，疊加電容補償單元后，同時引入微網電壓前饋補償項，疊加后的輸出值與實際電容電流進行比較后，經過P控制器后輸出可以驅動開關管的正弦調制信號。

3 仿真驗證

為了驗證提出控制策略的正確性和有效性，本節研究含有兩個儲能裝置的三相微網系統。微網系統結構如圖5所示。

圖5 微網結構模型

BESS1作為主控電源，BESS2作為從屬電源，并網模式下BESS1和BESS2均采用PQ控制 (按照上級調度指令輸出恒定有功和無功功率)，當微網脫離配電網時，BESS1切換為V/f控制，BESS2仍然保持PQ控制。假設光伏系統此時處于晚上(特殊情況)，既不發出電能，也不吸收電能。

微網的電壓等級為380 V，配電網用三相理想電壓源替代。直流側為蓄電池的串并聯組合模型，BESS1和BESS2端電壓均為800 V。BESS1和BESS2按照上級調度指令輸出有功和無功功率，其有功無功的給定由負荷而定。PWM載波頻率，仿真采樣時間為50 μs。

下面對微電網進行仿真，仿真時間為6 s。

閉合K1、K2和K3，接入恒功率負載1、2、3，仿真過程為：

(1)0～2 s，微網處于并網運行，BESS1、BESS2都是PQ控制，2 s時微網孤島運行，BESS1由PQ切換到V/f，BESS2仍然是PQ控制；

(2)4 s時微電網重新并網，僅BESS1切換為PQ控制。仿真結果如圖6所示。

圖6 微網系統仿真結果

由圖6分析得：

(1)2 s時，圖6(a)微網頻率在0.2 s內波動較大，短暫調整后恢復到50 Hz左右；圖6(b)表示BESS1輸出的有功功率由3 500 W增加到6 000 W，無功功率由0增加到2 500 Var。V/f控制的BESS1可以為孤島模式運行提供穩定的頻率支撐。

(2)4 s時，系統頻率在轉為并網模式時短時間內下降，約0.2 s就恢復到50 Hz水平，頻率的變化在允許范圍內。BESS1由V/f切換到PQ控制時輸出的有功從6 000 W減小到3 500 W，同時無功由2 500 Var減少到0，需要的功率缺額由配電網來補償。圖6(c)表示BESS2始終處于PQ控制，有功和無功給定不變，基本保持恒定，恒功率控制效果理想。

為了檢測PCC點電壓的波動情況，清楚地觀測電壓波形是否完整，將仿真時間稍作修改。設仿真時間為0.3 s。仿真過程為：0～0.1 s，微網并網，0.1 s時微電網脫網，0.2 s時微電網重新并網。仿真結果如圖7所示。

圖7 PCC點電壓波形

由圖7可知，在0.1 s微網切換運行模式時相電壓幅值有了微小的變化，但是很快恢復到了正常水平，幅值在311 V左右趨于穩定，波形基本為正弦波，PCC點電壓穩定。

從以上的仿真結果可知，在微電網運行模式轉換時儲能系統BESS1可以通過改變有功和無功補償來實現整個微電網的穩定運行，頻率和電壓變化也符合國家規定的標準，控制效果理想。

4 結論

本文給出了大型蓄電池儲能系統的主從控制策略，主控儲能裝置采用電壓頻率環和有功無功補償相結合的恒壓恒頻控制算法，次控儲能裝置采用恒功率控制算法。這種控制策略在不穩定電源如光伏電池不能為微網提供電能的前提下，蓄電池儲能系統也能在微電網并網和孤島運行模式轉換時保證整個微電網的穩定運行，頻率和電壓變化也在允許的范圍內，控制效果理想，微網可以穩定運行。

[1]王成山，李鵬.分布式發電、微網與智能配電網的發展和挑戰[J].電力系統自動化，2010，34(2)：10-12.

[2]黃曉東，郝木凱，陸志剛，等.微網系統中電池儲能系統應用技術研究[J].可再生能源，2012，30(1)：38-41.

[3]智剛，梁京哲，金新民，等.蓄電池充放電裝置用三相PWM整流器的研究[J].電源技術應用，2008，11(3)：14-17.

[4]徐琳.微電網蓄電池儲能系統控制技術研究[D].濟南：山東大學，2012.

[5]田野.微網變流器控制關鍵技術研究[D].杭州：浙江大學，2013.

Study on control strategy of battery energy storage system in micro grid

Primary energy in micro-grid such as solar power is easily influenced by natural factors,which lead to the output power unstable.For the above problem,a master-slave control strategy in which storage system was main power of micro-grid was proposed.With technical mature battery as energy storage component,master energy storage adopted constant voltage and frequency control algorithm, which could detect voltage fluctuation and compensate power;secondary energy storage adopted constant power control algorithm,which could ensure to provide micro grid stable power.The simulation model of micro grid was built, and the switch process of interconnection and isolated net was simulated.The simulation proves the validity.

micro grid;energy storage system;frequency voltage loop;active reactive power compensation;constant power control

TM 727

A

1002-087 X(2016)06-1262-03

2015-12-05

張惠娟(1963—)，女，天津市人，博士，教授，主要研究方向為電力系統分析與預測。