含混合儲能系統(tǒng)直流微電網(wǎng)分布式協(xié)調(diào)控制策略

張瑞成，翟電杰，張 怡

(華北理工大學 電氣工程學院， 河北 唐山 063210)

隨著人類對能源需求的不斷增加，太陽能和風能作為清潔無污染、儲存豐富的新能源，得到國際社會和專家的廣泛關(guān)注[1-3]，但由于分布式電源(如風能和太陽能)受外界環(huán)境影響較大，風速、溫度和光照的變化都會影響分布式電源的輸出特性[4-5]。隨著風能和太陽能系統(tǒng)規(guī)模變得越來越復雜，外界環(huán)境的變化對分布式電源輸出功率穩(wěn)定性的要求來越高，此時僅靠分布式電源不能維持系統(tǒng)安全運行。為了實現(xiàn)直流微電網(wǎng)運行穩(wěn)定性、分布式電源間功率平衡以及系統(tǒng)電能質(zhì)量的可靠性，需要在直流微電網(wǎng)中加入儲能系統(tǒng)來補充由于分布式電源輸出功率的隨機性和隨季節(jié)變化的不穩(wěn)定特性，儲能系統(tǒng)可有效地平衡系統(tǒng)間的功率平衡[6-8]。混合儲能系統(tǒng)是由蓄電池和超級電容兩部分組成，蓄電池能量密度大，可以吸收或放出來自母線的低頻功率，而超級電容功率密度高可以吸收或放出來自母線的高頻功率，他們在功率方面形成互補性，超級電容的接入可有效地減少蓄電池的充放電次數(shù)和提高蓄電池的使用壽命[9-10]，并對維持系統(tǒng)母線電壓穩(wěn)定起到重要作用。

目前，關(guān)于微電網(wǎng)中的儲能系統(tǒng)的研究已經(jīng)很多[11]，對不同類型的儲能裝置比較可以看出[12]。鉛酸蓄電池能夠達到分布式電源對能量密度的需求，但不能及時補充系統(tǒng)動態(tài)響應的特點[13-14]。文獻[15]和[16]中介紹了超級電容本身具有的功率密度高和能量密度低的特點。直流微電網(wǎng)可采用蓄電池和超級電容組合在一起作為系統(tǒng)的儲能系統(tǒng)[17-19]。

基于以上的分析，本研究提出一種含混合儲能系統(tǒng)直流微電網(wǎng)分布式協(xié)調(diào)控制策略。蓄電池和超級電容級聯(lián)在一起，在系統(tǒng)負荷發(fā)生突變時，混合儲能系統(tǒng)中的儲電池和超級電容可有效地吸收或補充系統(tǒng)的低頻和高頻功率，可有效地抑制負荷突變對系統(tǒng)母線電壓的擾動。最后，通過Matlab/Simulink仿真驗證直流母線電壓的穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

含風機和光伏板的分布式發(fā)電單元的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。風機和光伏板通過單向AC/DC和DC/DC變換器接入直流母線，混合儲能通過雙向DC/DC變換器接入母線，通過母線來對負荷進行供電。風能和太陽能都工作在最大功率點跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)模式下，母線上接由直流負荷，蓄電池和超級電容通過級聯(lián)的方式接入母線來補充發(fā)電單元和用電單元的不平衡，通過DC/AC變換器與電網(wǎng)相連，可工作在并網(wǎng)和孤島模式下運行。

直流微電網(wǎng)功率流動關(guān)系如圖2所示，在圖2中，PDG表示分布式電源功率之和(風力發(fā)電和太陽能發(fā)電)；PHESS表示混合儲能吸收或發(fā)出功率之和(蓄電池和超級電容)；Pgrid表示微電網(wǎng)輸入電網(wǎng)功率；PL表示負荷消耗的總功率之和；Pw表示風力發(fā)出的功率；Ppv表示太陽能發(fā)出的功率；Psc表示超級電容輸送功率；Pbat表示蓄電池輸送功率。

圖1 直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)功率流動關(guān)系

直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中，各個發(fā)電單元和用電單元間的功率關(guān)系式為：

PDG=PL+PHESS+Pgrid

(1)

Ppv=PDG-Pw

(2)

(3)

Psc=PHESS-Pbat

(4)

式中：s表示微分環(huán)節(jié)；1/τs+1表示系統(tǒng)低筒濾波環(huán)節(jié)；τ表示系統(tǒng)微分時間。

2 混合儲能系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)及原理分析

含超級電容的混合儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)等效電路如圖3，該混合儲能系統(tǒng)是由蓄電池和超級電容通過串聯(lián)連接在一起，超級電容簡化模型為一個理想電容和等效電阻串聯(lián)在一起組成，Ubat表示儲電池兩端電壓值，Rsc和Csc分別表示超級電容的等效串聯(lián)電阻和電容，Usc-oc表示超級電容的開路電壓值。變換器DC/DC1是由電感L2、開關(guān)管S3、S4和系統(tǒng)母線電容C2構(gòu)成。變換器DC/DC2是由電感L1、開關(guān)管S1、S2和變換器DC/DC1構(gòu)成。電感L1和L2流過的電流分別為IL1和IL2，IES表示混合儲能系統(tǒng)輸入母線電流值。

混合儲能系統(tǒng)通過狀態(tài)空間平均法轉(zhuǎn)化的狀態(tài)平均方程表達式為

(5)

當混合儲能系統(tǒng)工作在Boost時，變換器DC/DC1，S4處于開關(guān)狀態(tài)，S3關(guān)閉狀態(tài)，θ1=1，α1=1-d1，d1代表DC/DC1的占空比值；變換器DC/DC2，S2處于開關(guān)狀態(tài)，S1關(guān)閉狀態(tài)，θ2=1，α2=1-d2，d2代表DC/DC2的占空比值。

圖3 混合儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)等效電路

當直流微電網(wǎng)系統(tǒng)母線電壓發(fā)生波動，需要混合儲能系統(tǒng)投入運行時，超級電容優(yōu)于蓄電池最先投入到系統(tǒng)，通過超級電容快速充放來補充母線電壓的高頻功率，以此來穩(wěn)定母線電壓。超級電容電流電壓的下垂特性如圖4所示。

圖4 超級電容下垂特性

圖4中：Isc表示超級電容充放電電流值；Udc表示系統(tǒng)母線電壓值；Iscmax和Iscmin分別表示超級電容充放電電流的最大和最小值；UL1、UL2、UH1、UH2表示超級電容的臨界電壓值；ksc表示超級電容的下垂系數(shù)值。根據(jù)系統(tǒng)母線電壓值計算出超級電容充放電的參考電流值，當UL1

當直流微電網(wǎng)系統(tǒng)母線電壓發(fā)生低頻波動，超級電容不足以穩(wěn)定母線電壓時，則需要蓄電池投入補充低頻功率來穩(wěn)定母線電壓。蓄電池電流電壓的下垂特性如圖5所示。

圖5 儲電池下垂特性

圖5中：Ib表示蓄電池輸送電流值；Usc表示超級電容兩端電壓值；Ibmax和Ibmin分別表示蓄電池輸送電流的最大和最小值；Usc1、Usc2、Usc3、Usc4示超級電容的儲能工作的臨界電壓值；kb表示蓄電池的下垂系數(shù)值。根據(jù)超級電容電壓值計算出蓄電池輸送的參考電流值，當Usc2

為了防止超級電容和蓄電池出現(xiàn)過放過充的現(xiàn)象，對混合儲能系統(tǒng)設(shè)定運行范圍。超級電容設(shè)定的最大最小運行電壓為Usc1和Usc4，蓄電池主要是其本身核電荷量狀態(tài)，其設(shè)定的最大最小的SOC為Sbmax和Sbmin。當系統(tǒng)運行過程中超出混合儲能設(shè)定的安全運行范圍值，超級電容和蓄電池將停止運行。

在系統(tǒng)母線電壓發(fā)生變化時，為了避免混合儲能系統(tǒng)出現(xiàn)開關(guān)管頻繁開關(guān)的現(xiàn)象，增加蓄電池的使用壽命，現(xiàn)對母線電壓進行分段，分成3個運行模式進行控制。

1) 運行模式1：當母線電壓值處于UH1

2) 運行模式2：當母線電壓值處于UL1

3) 運行模式3：當母線電壓值處于UL2

3 仿真驗證

3.1 仿真參數(shù)

依據(jù)圖1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在Matlab/Simulink中進行模型仿真驗證，考慮系統(tǒng)運行在孤島模式下，風機發(fā)電使用雙饋發(fā)電機模擬代替、光伏發(fā)電使用光伏模擬器代替和負荷使用電阻代替。混合儲能系統(tǒng)的參數(shù)如下，L1=100 μH，C1=1.5 μF，L2=1 mH，C1=1 μF，超級電容和蓄電池SOC的初始值為50%，儲電池使用中航鋰電池，額定電壓為200 V，容量為60 A·h，超級電容值為20 F，系統(tǒng)母線電壓為380 V，電壓波動范圍為±5%。

3.2 仿真結(jié)果分析

當外界負荷功率發(fā)生變化時，在儲電池調(diào)整輸出功率的同時，超級電容將迅速補充母線電壓由于負荷變動引起的高頻分量，從而降低負荷變動對母線和蓄電池的擾動，提高了系統(tǒng)的抗擾動能力，保持系統(tǒng)平穩(wěn)運行。在0.5 s時，外界負荷突然增加，則混合儲能運行功率輸出情況如圖6所示。

圖6 混合儲能功率輸出

1) 運行模式1：在t=2 s時，負荷RL由原來的11 Ω增加為12.4 Ω，母線電壓升高為389 V，混合儲能迅速充電，吸收母線多余的功率以維持母線電壓穩(wěn)定，如圖7所示。

圖7 運行模式1下的仿真效果

2) 運行模式2：在t=2 s前，母線電壓處在368 V

圖8 運行模式2下的仿真效果

3) 運行模式3：在t=2 s時，負荷RL由原來的11 Ω減少為8.75 Ω，母線電壓降低為368 V，混合儲能迅速放電，補充母線缺失的功率以維持母線電壓穩(wěn)定，如圖9所示。

圖9 運行模式3下的仿真效果

仿真效果表明，當母線電壓發(fā)生波動并在允許范圍內(nèi)時，混合儲能系統(tǒng)可根據(jù)母線電壓波動值切換到相應的運行模式中，使儲能系統(tǒng)自行進行充放電。

4 結(jié)論

混合儲能系統(tǒng)能夠在母線電壓發(fā)生波動時，通過蓄電池吸收或釋放低頻功率，以及超級電容快速吸收或釋放高頻功率來抑制負載突變對直流母線的沖擊；混合儲能系統(tǒng)在其工作模式下，超級電容和蓄電池可以自由地進行充放電，并利用其能量互補性，減少蓄電池的動作次數(shù)，延長使用壽命。