柴油發電機組帶脈沖負載儲能補償試驗研究

侯朋飛，陳靜靜，范菊旺，孫 凱，許 力

應用研究

柴油發電機組帶脈沖負載儲能補償試驗研究

侯朋飛1，陳靜靜2，范菊旺1，孫 凱1，許 力1

（1. 中國人民解放軍96881部隊，河南洛陽 471000；2. 陸軍工程大學，南京 210000）

柴油發電機組帶脈沖負載引起系統交流電壓畸變、交流頻率波動以及直流電壓振蕩，為改善系統電能質量、提高穩定裕度、增強系統帶負載能力，本文提出了在直流側加儲能控制以提升系統穩定性。儲能電池一方面可作為系統的冗余備用，一方面可以降低直流側母線電壓波動，進而改善交流側電能質量，滿足負荷對電源的需求。在直流側配置儲能單元改善柴油發電機-整流器的運行特性，搭建儲能補償柴油發電機組帶脈沖負載試驗平臺，驗證本文提出的方法。

柴油發電機組 脈沖負載 儲能補償 電能質量

0 引言

與大電網并聯運行的微電網，由于有大電網的支撐，不足的電能可由大電網提供補充，因而功率穩定容易實現。而對獨立離網運行的微電網，負荷功率必須與自身電源功率相匹配，才能滿足能量的實時平衡。微電網中的電源種類各異，輸出特性也有很大不同，電源的功率特性給系統的穩定運行帶來了許多問題。通常在微電網中需要采用儲能補償來提高系統穩定性，并通過合適的控制方法以及能量管理策略來滿足電源與負荷的供需平衡。當系統電源功率充裕時，可以把電能一部分存儲于儲能單元中；當系統電源功率不足時，將儲能單元中的電能釋放出來，滿足負荷需要[1, 2]。

對于儲能平抑系統功率和電壓波動方面的研究，國內外學者開展了相關的研究，從不同的技術層面考慮，研究了光伏發電、風力發電等具有波動性的新能源功率平抑策略，實現新能源并網要求[3, 4]。文獻[5]針對風電場功率波動，提出了采用液流電池提高風電并網效率，并研究了液流電池的控制策略，根據風電波動大小設置充放電的控制方式。文獻[6]針對含風力發電與光伏發電的微電網，采用滑模控制方法對蓄電池進行控制，為離網運行的微電網提供頻率和電壓支撐。文獻[7, 8]基于超級電容器快速釋放功率的特點，研究了并網運行風電場采用超級電容儲能補償的控制策略，有效改善了系統的運行指標，可提高系統的動態響應能力。

目前大部分的研究都是針對電源的波動性、隨機性，采用儲能系統補償平抑系統的功率波動或支撐微電網系統頻率，較少從負載層面進行研究。負荷的波動對獨立小容量電力系統的穩定運行影響很大，柴油發電機組帶脈沖負載運行時產生的電壓畸變、頻率波動、直流母線電壓振蕩等現象，脈沖負載的作用更為顯著，因此針對脈沖負載的功率變化對系統的影響，研究儲能補償與控制方法具有重要的理論意義和實用價值。

1 儲能系統補償柴油發電機組帶脈沖負載方法

由于在脈沖負載的作用下，系統的頻率發生波動，采用傳統的有源電力濾波技術和功率因數校正技術都無法從根本上解決系統的穩定問題，而增大系統慣量的方法在實際應用中造成了一定體積和重量的占用，且柴油發電機組帶脈沖負載采用“大馬拉小車”的方法往往沒有理論依據，只是從工程應用中做了一定的冗余備份。濾波電容在設計時已經確定了一定的范圍，增加濾波電容的大小可以提高系統的穩定性，也能夠有效改善系統的運行指標，由于電容并聯于直流母線上，直流母線電壓的波動在一定的范圍內，電容能量釋放與母線電壓的波動有關，因此配置電容不能完全將能量釋放出來。如果按照脈沖負載需要的補償能量大小計算，則需要的濾波電容值會非常大，所以需要針對脈沖負載的實際運行狀況，對系統進行有針對性的補償。

通常對于獨立系統的補償方法主要是由儲能系統來完成，根據實際的需要，要針對不同的場合選擇合適的儲能，本文針對脈沖負載的實際運行中的電流脈沖特性，選擇功率型和能量型兼顧的儲能電池，磷酸鐵鋰電池符合上述標準。由于負載大多是交流負載，為滿足負載的實際需要，目前在微電網的儲能配置主要在交流側，連接在逆變器上并網運行。系統的運行特性和電能指標在交流側較為嚴重，頻率的時變性也決定了交流側補償的困難性，有可能頻率跟蹤不匹配造成電能質量的進一步惡化。本文在綜合考慮負載特性與供電指標關系的基礎之上，提出了在直流側進行儲能補償的方法。脈沖負載為直流負載，對直流側的影響最為直接。在脈沖負載工作期間，母線電壓會有一定的下降，而在脈沖消失的時候，母線電壓會慢慢上升恢復額定電壓值，因此直流母線電壓始終處于不斷振蕩的狀態。采用直流側儲能補償方法，能夠及時的響應負載的需求，在系統最末端進行直接的補償，效果要好于在交流側進行補償的方法，通過控制儲能電池能夠短時間內釋放負載需要的能量，平衡柴油發電機組與脈沖負載的功率關系。

2 儲能補償柴油發電機組帶脈沖負載試驗系統

圖1 儲能系統補償柴油發電機組帶脈沖負載結構圖

如圖1所示為柴油發電機組帶脈沖負載儲能補償試驗裝置，其中選用2組鋰電池串聯，單個鋰電池的額定電壓為48 V，系統電源為100 kW柴油發電機組和30kW柴油發電機組，鋰電池后接雙向DC/DC變換器并聯于直流母線處，變換器功率為5 kW，輸入電壓為70～110 V，輸出電壓為350～700V，整流器和脈沖負載均為自研裝置，通過控制面板可以調節整流器輸出的電壓大小，按照不同的工作模式可以調節脈沖負載的占空比、脈沖周期以及峰值功率大小。測量裝置為泰克示波器一臺和高速同步采集系統一套，其中高速同步采集系統能夠滿足最大64通道的實時測量需求，將傳感器分別布置于交流側和直流側，測試柴油發電機組的輸出電壓和輸出電流、整流器的輸出電壓和輸出電流、蓄電池的端電壓和輸出電流，以及DC/DC變換器的輸出電壓和輸出電流。實時分析系統中各部分的電氣量變化，從而可以得到采用儲能系統補償柴油發電機組帶脈沖負載的運行特性。

3 儲能補償柴油發電機組帶脈沖負載試驗結果分析

考慮儲能電池的額定電壓為96 V，根據DC/DC中的電壓變比關系，確定DC/DC輸出電壓為390 V，設定整流器的輸出直流電壓為390 V，脈沖負載的占空比為0.4，柴油發電機組的額定輸出功率為30 kW，額定輸出電壓為400 V，整流器設定輸出直流電壓為390 V，與直流母線電壓一致，工作周期為100 ms，峰值功率為17 kW。

由圖2(a)可以看出直流母線電壓在儲能系統未投入補償前存在大幅波動，電壓幅值在300 V-480 V區間波動，峰值差達到180 V，當儲能補償系統在7.4s左右投入運行后，直流母線電壓振幅逐漸減小，電壓幅值在340 V-420V區間波動，峰值差縮小為80 V。圖5-21(b)所示為蓄電池的輸出電流，由圖中可以看出，蓄電池在7.4s前未投入運行，在7.4 s時，電流出現短時尖峰，峰值達30 A，主要是因為這一刻開關合閘，蓄電池對濾波電容短時放電，電流較大，之后蓄電池電流隨著負載的變化周期性放電。圖2(c)所示為蓄電池的電壓，本文采用的儲能電池為磷酸鐵鋰電池，額定電壓為48 V，2組串聯使用實際工作電壓約為86 V，可見電池在投入工作后相當于對儲能電池不斷的加減載，電壓也有一定的波動，脈沖負載的作用對儲能電池的端電壓測量結果也有一定的影響。圖2(d)所示為負載側的總電流，即脈沖負載上的電流，由圖中可以看出，在儲能電池未投入的時候脈沖負載的峰值電流具有大幅度的波動，在35 A-50 A的范圍內振蕩，儲能投入運行后，負載側的電流峰值逐漸平穩，平均峰值電流在45 A左右，系統趨于穩定。圖2(e)所示為交流側的三相電壓，由圖中可以看出，在儲能補償系統投入前，三相交流電壓存在一定的振蕩，振蕩的頻率約為2 Hz，小于脈沖負載的工作頻率以及柴油發電機組的額定工作頻率，在儲能電池投入后，柴油發電機組慢慢穩定下來，在9 s之后不再發生振蕩。

4 儲能系統補償前后系統運行指標變化

圖3 儲能系統補償前后直流母線電壓波形

圖4 儲能系統補償前后直流電流波形

圖5 儲能系統補償前后總諧波含量

圖3為儲能系統補償前后直流母線電壓波形變化，從圖中可以看出未補償前直流母線電壓振蕩幅度較大，最低點為300 V，最高點達480 V，有180 V的幅值差，而在加入補償之后，直流母線電壓最低點為340 V，最高點為420 V，幅值差縮小至80 V，減小了100 V的振蕩幅差；圖4為儲能系統補償前后直流電流波形，從圖中可以看出在未補償前，脈沖負載的電流幅值具有一定的波動性，實際系統中如果出現以上現象，脈沖負載可能無法正常工作，或者帶來消極影響，加入儲能補償后，脈沖負載的電流基本保持平穩，恢復到額定工作狀態；圖5為儲能系統補償前后總諧波含量變化，從圖中可以看出未加入補償時THD為37.60%，加入補償后THD降為28.16%，且6k±1次諧波電壓含量均有所降低，提高了柴油發電機組的供電電能質量。

5 小結

針對柴油發電機組帶脈沖負載運行時產生的電壓畸變、頻率波動、直流母線電壓振蕩等現象，本文提出了通過直流儲能補償改善系統穩定性方法，該方法增大了直流濾波電容的放電能力，可有效提高系統慣性。采用雙向DC-DC變流器與鋰電池，構建了柴油發電機組帶脈沖負載儲能補償試驗平臺，進行了儲能系統補償柴油發電機組帶脈沖負載試驗，試驗結果分析表明：柴油發電機組帶脈沖負載在直流側進行儲能補償，交流電壓波形得到一定程度的改善，總諧波畸變率有所降低，直流母線電壓波形得到顯著改善，直流電壓的振蕩幅值大大降低，直流母線電壓的波動率也有較大程度降低，同時系統的非線性程度明顯改善。

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Study on energy storage compensation test of diesel generator set with pulse load

Hou Pengfei1, Chen Jingjing2, Fan Juwang1, Sun Kai1, Xu Li1

(1. 96881 Unit of the Chinese PLA; Luoyang 471000, Henan, China; 2. Army Engineering University, Nanjin 210000, China)

TM314

A

1003-4862(2022)04-0056-05

2021-09-09

侯朋飛(1989-)，男，講師。主要研究方向: 新能源發電技術及應用。E-mail: 443215084@qq.com