微網中儲能系統控制策略研究

(華北水利水電大學電力學院，河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著環境的污染和傳統能源危機，可再生能源的開發與利用成為當今社會的焦點。由于可再生能源具有間歇性和不穩定性，在并網時會影響電網的穩定[1]。微電網的協調控制策略控制儲能系統有效地改善了電網的質量和維持電網的平衡[2]。文獻[3]提出了改進微電網能量優化調度策略，使微電網的頻率和電壓保持穩定。大規模的間歇性能源并網使得傳統電源的容量難以滿足電網調頻需要，儲能技術的發展恰好為控制電網頻率提供了解決方案。

微網在供電時，由于分布式供電電源的種類不同，各種微源的結構特性、出力特性、反應特性也都不同，還有各種因素的影響，微網負荷的突變會引起的電壓和頻率的突變，風力發電機和徑流式水輪機在暫態響應時反應緩慢，而蓄電池的快速反應特性，可以快速為微網提供和消納微網缺少和多余的電能。因此提出了PQ和V/F聯合的制策略。

1 微電網系統的結構設計

1.1 水輪機建模與仿真

水輪機及引水系統是將水源引入水輪機并帶動水輪機轉動，是發電設備的原動機。在水輪機和引水系統的數學建模中，為了方便數學建模，一般會忽略水阻、認為引水管道是剛性的且水體積始終不可變、水速與導葉位置和水頭的平方根成正比、水輪機輸出功率與水頭與水流量之積成正比[4-5]。

通過數學模型進行分析，給出了柴油發電機的仿真模型，如圖1所示。

圖1 柴油發電機的仿真模型

1.2 風力發電系統建模與仿真

風力機工作狀態獲取的功率為:

風能利用系數函數表達式為：

2 儲能的PQ/VF控制策略

2.1 PQ控制策略

PQ 控制策略主要控制分布式能源的有功出力和無功輸出無限接近參考值，即在網側的負荷發生突變時，微網的頻率和電壓趨于動態變化，分布式能源均不參與出力，始終保持其有功和無功的出力不變，同時網內頻率和電壓由外部支撐。微網中由于分布式能源的間歇性和不穩定性，微源的出力不穩定，為了增加分布式能源的出力，一般在其輸出環節采用PQ控制，通過最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)，最大化地輸出功率。PQ控制的實質是使無功和有功功率實時跟隨給定值，所以PQ控制在調節時無法滿足電壓和頻率不變。

2.2 V/f 控制策略

V/F控制策略和PQ控制策略類似，V/F控制在保證電壓和頻率穩定的情況下，提高了對采用V/F控制策略的微源的要求，V/F控制要求微源有足夠的容量可以持續性穩定的為微網供電。選用 V/f 控制策略時，微網的母線頻率和電壓幅值為首要調節對象，即在分布式能源受外界影響出現出力波動時，交流側的頻率和電壓幅值均穩固在額定值附近，以保持微網的頻率和電壓。微網中，對于儲能電池等連續性微源，可以保持穩定的輸出功率，并能根據負荷和電網的狀態變化而調整其出力值，所以這類微源更適于采用 V/f 控制，用于維持微網運行頻率和電壓的穩定。

2.3 PQ/VF控制策略

針對不同控制策略的特點，提出了一種PQ和V/F聯合控制以適應微網中不同時間段負荷的變化的控制策略，如圖2所示。PQ和V/F聯合控制策略在進行相互轉變時，存在多個問題會導致控制策略切換失敗，影響微網電能質量，嚴重時導致微網崩潰。因此，合理的控制策略對微網的穩定運行至關重要。圖3-28是PQ和V/F聯合控制策略結構圖。當原始狀態為使用PQ控制策略，需要改變為V/F控制策略進行控制時，開關K1和開關K2同時由上邊打到下邊；當穩定狀態為使用V/F控制策略，需要改變為PQ控制策略進行控制時，開關K1和開關K2同時由下邊打到上邊。

圖2 PQ和V/F聯合控制策略結構圖

簡單的將兩種控制策略直接合成聯合控制策略，可能會導致控制策略切換失敗、微網崩潰，所以針對這兩個問題，提出了一種改進型的PQ和V/F聯合控制策略，以提高控制策略切換時的微網穩定性。平穩直流母線電壓并使其達到穩定是儲能系統工作的關鍵環節。穩定的直流母線電壓可確保直流負載的平穩運行，當直流母線的電壓升高時，即風機輸出功率大于負荷所需要的功率，這時需要儲能系統將溢出的能量進行吸收，儲能系統進行充電； 而當母線電壓降低時，風機的輸出功率小于負荷所需的功率，那么儲能系統需要放電釋放能量對負荷進行功率補償，此時儲能系統處于放電狀態。

風機整流器工作在恒壓狀態輸出時，采用電壓外環、電流內環的雙閉環控制來實現直流母線電壓穩定的目標。從檢測到的瞬時值中減去由直流母線電壓設置的參考值，并且通過PI控制器電壓外環獲得該差值，以得到風機輸出電流的參考值，再與風機實時輸出電流作比較，其差值通過電流內環PI控制器調整。總體控制策略如圖3所示。

圖3 總體控制策略圖

3 仿真分析

負荷較輕時，分別采用了V/F控制和PQ控制。負載發生突變時，頻率調節緩慢，一段時間內頻率在50 Hz波動，最終調節到了50 Hz，但是頻率波動范圍相較小很多。這里也體現了PQ控制在調節時，頻率在一段較長時間內會有一些波動。當負荷從較輕工況上升到較重工況時，風力發電機需要接入到微網中分擔一部分負荷，PQ和V/F聯合控制策略需要由PQ控制變換到V/F控制。負荷很重工況是指徑流式水輪機輸出功率達到了臨界值0.25 MV，風力發電機輸出功率達到了臨界值0.08 MV，此時只能依靠蓄電池調節微網的電壓和頻率。仿真中在30 s時讓微網有功功率增加10%，在50 s時讓微網有功功率減少15%。

圖4是當負荷從較重工況上升到很重工況時，2種控制模式都工作在V/F控制策略。此時兩種控制策略下的微網電壓、頻率、蓄電池有功輸出、徑流式水輪機有功輸出和柴油發電機有功功率輸出圖形是一樣的。

圖4 交流母線頻率對比圖

4 結語

本文研究混合儲能設備作為孤島運行模式下風機和徑流式水電直流微電網和負載運行時的狀態，通過其充放電來維持系統的功率平衡，從而確保直流母線的電壓質量與系統的穩定性，同時實現了直驅風機的平穩出力，保證了穩定的有功輸出。仿真結果驗證了本文提出的以滿足可變負載功率需求及平抑風機功率波動的混合儲能系統、以直流電壓恒定為目標的混合儲能系統控制策略的正確性和有效性。本文只討論了單臺風機并入直流微網的穩定情況，沒有對多機系統進行分析。未來可對規模化新能源接入直流微網系統的穩定問題進行分析研究。