利用混合儲能系統改善配電網電能質量的研究

陳 奕，張步涵，毛承雄，毛 彪，曾 杰，陳 迅

（1強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學），湖北 武漢430074；2廣東電網公司電力科學研究院，廣東 廣州510080）

無論是在發達國家還是在發展中國家，供電質量，尤其是電壓質量正變得日益重要.電能質量問題主要包括電壓波動和閃變、諧波、電壓不對稱、電壓降低和供電中斷.其中電壓波動和閃變會影響到用電效益、生產產品的質量和合格率等，而供電突然中斷則可能嚴重縮短用電設備的壽命.總之，電能質量已經關乎到企業的安全生產和經濟效益.

傳統的調節有載調壓變壓器分接頭的方法雖然解決了部分問題，但對于負載端的電壓調節響應遲鈍.隨著電力電子、計算機和控制技術的飛速發展，現在出現了一系列改善電能質量的電力電子裝置，如配電型靜止同步補償器（DSTATCOM）、固態轉換開關（SSTS）、蓄電池儲能系統（BESS）等.這些裝置各有側重，其中DSTATCOM具有感性和容性無功的雙向調節能力，最終可以達到穩定電壓的目的；當供電網絡發生故障時，SSTS可立即將敏感負荷在數毫秒內轉換到第2條供電線路上.

能量存儲技術可以提供一種簡單的解決電能供需不平衡問題的辦法［1］.分布式儲能系統可以有三種方式幫助實現對用戶可靠供電：1）在關鍵時刻輔助供電或者傳輸電能.2）將對供電負荷需求從峰值時刻轉移到負荷低谷時刻.3）在強制停電或者供電中斷的情況下向用戶提供電能.目前蓄電池儲能系統（BESS）技術成熟，且已經得到廣泛應用［2］.但對于峰值功率高、平均功率低的脈沖式負載，若采用蓄電池儲能系統，將出現體積龐大和成本高昂的問題.考慮到超級電容器功率密度大，能量密度低的特點，若建立兩者的混合儲能系統，它們就能夠發揮各自優勢，提高整個系統的性能［2］.本文討論利用蓄電池和超級電容器建立混合儲能系統，通過控制策略雙向調節其有功和無功功率，達到穩定配電網公共連接點處的電壓，并抑制其負載波動的目的，從而改善配電網電能質量.

1 蓄電池與超級電容器的數學模型

蓄電池可以將能量以化學能的形式儲存起來，容量較大，屬于能量型儲能設備.電池可以采用C.M.Shegherd提出的模型［3］，它考慮了放電之初電壓的快速跌落、電解液的濃度變化、電極板通道引起的壓降、電池內電阻.根據電路定律得

S表示蓄電池荷電狀態，圖1模型中，從左到右依次為放電前的電壓Es、電極板通道引起的壓降KSI、內電阻引起的電壓損失RneiI、放電之初電壓的快速跌落Ae－B（1－S）、空載電壓的修正量C（1－S）.其中的參數為常數，可根據實驗數據確定，所以U隨著荷電狀態S和電流I變化.

圖1 Shepherd模型

超級電容器采用簡易RC等效模型［4］，它能夠較為準確地反映出超級電容器在充放電過程中的外在電氣特征，通過簡單測量就可以得到模型參數，在分析和計算中，可以大幅度縮短計算機的仿真時間.

圖2 超級電容器簡易模型

圖2 a中C為理想電容器，Rs為等效串聯內阻，表示超級電容器的總串聯內阻，Rp為等效并聯內阻，表示超級電容器總的漏電情況，稱為漏電電阻［3］.在實際應用中超級電容器充放電過程又快又頻繁，因此可以忽略Rp，進一步將模型簡化為圖2b的結構.要測出Rs，在電源略加干擾，計算出電壓變換率和電流變換率的比值即可.

2 蓄電池／超級電容器混合儲能系統的建模與控制

2.1 蓄電池／超級電容器混合儲能系統的結構

將超級電容器作為功率緩沖器，與蓄電池并聯使用，并建立一定的控制模塊規定各自的作用，就能實現混合儲能.

混合儲能系統中，超級電容器蓄電池的直接并聯［5］是一種最簡單的混合儲能結構，但是在該結構中，由于蓄電池組的端電壓與超級電容器組的端電壓被強制相等，因而在設計中對超級電容器組的組合方式要求較為嚴格.

本文中蓄電池與超級電容器并不是直接并聯，而是將蓄電池與DC／DC變換器連接后，再與超級電容器并聯.這樣，超級電容器的電壓可以不同于電池電壓，為電池和電容器陣列的設計提供了靈活性.然后通過一個雙向DC／AC變換器，將直流轉換成三相交流，經過濾波器和三相交流升壓接入電網.連接方式如圖3所示.

混合儲能系統中，超級電容器負責平抑快速波動，蓄電池充放電較慢，但能提供較大的能量，補充功率缺額.

圖3 混合儲能系統結構圖

2.2 DC／AC控制模塊

圖3 右邊部分就是DC／AC變換器的電路結構［6，7］，其中L是濾波電感，三相橋臂的開關管都是可控的，C是濾波電容起到穩定直流端電壓的作用，電容值越大，電壓越穩定，Udc是直流側的電壓.事實上，對于變換器的控制，也就是對于全控開關管的觸發脈沖的控制.這里需要6個觸發脈沖，可以利用PWM波發生器產生脈沖.上下橋臂不能同時導通，所以定義PWM發出的開關函數為Si，Si＝1代表上橋臂導通、下橋臂關斷，Si＝0正好相反，表示上橋臂關斷、下橋臂導通.采用空間平均法，把開關函數Si在周期內的平均值Si′當作函數值（Si′也可稱為占空比，可以在0～1之間連續取值），這樣函數就連續了，從而得到變換器的連續狀態空間平均模型：

在兩相同步旋轉的d－q坐標系［8］中，分析更加容易，所以左右兩邊同時乘以變換矩陣Tabc／dq，進行派克變換.對于三相平衡的系統來說，i0＝0，v0＝0；可消去i0、v0得到簡化.簡化后變換器在d－q坐標系中的數學模型如式（3），最后結合PI調節器可以消除d－q軸之間的電流耦合.

實際上，由于儲能系統設計容量有限，將控制目標縮小為一個重要負荷的接入點（比如，工廠里重要的設備或者醫院的手術室），儲能系統根據重要負荷接入點的電壓幅值和功率，來調節儲能系統的輸出.

將系統的實測負載功率P，與參考負載功率P＊比較，其誤差經過PI調節后為有功指令輸出有功的指令電流id＊；將系統的實測電壓幅值UAC與參考電壓幅值UAC＊比較，其誤差值經過PI調節［8］后輸出為無功的指令電流iq＊，通過這種解耦控制分別控制儲能系統有功無功的雙向流動.

儲能系統的DC／AC控制圖如圖4.

圖4 三相DC／AC變換器控制框圖

2.3 DC／DC控制模塊

DC／DC變換器是buck－boost電路［9，10］，可以實現能量的雙向流動.當電網完全能夠穩定負載端電壓、維持負載功率時，能量從電網流入儲能系統，為它充電；當電網故障或者波動時，能量從儲能系統流向負載.

不考慮DC／DC的開關損耗，P表示傳輸功率，表示對輸入Udc求倒數，DC／DC變換器的傳遞函數框圖如圖5.

圖5 DC／DC變換器的傳遞函數框圖

DC／DC的控制目標是保持直流高壓側的電壓恒定，所以采用PI補償環節的單電壓環實現雙向DC／DC變換器的閉環穩定控制，通過調節蓄電池和超級電容器并聯模塊的輸入輸出電流isc實現.圖6為DC／DC的控制圖，首先將實測電壓Udc與直流電壓參考值Udcref相比較，得到的誤差量輸入PI模塊，然后產生電流控制變量idc.根據idc和δ（DC／DC變換器的占空比），算得控制變量iscref作為流經儲能模塊的電流參考值，最后用iscref控制PWM模塊產生所需的觸發脈沖，即開關器件S1和S2的控制信號.

圖6 DC／DC變換器的控制框圖

3 混合儲能系統仿真分析

根據國內電壓等級的標準，以西門子標準電網的網架結構為基礎，建立配電網模型，將混合儲能系統接在該配電網節點11的降壓變TR3的低壓側，如圖7所示的公共連接點（PCC）處.

圖7 配電網結構示意圖

假設負載A為阻抗型負載，額定功率為50 kW，額定相電壓為220V，儲能系統接于PCC點，它的控制目標就是在各種情況下，維持PCC點的電壓和輸入功率穩定.

3.1 電網三相電壓波動

設定電網電壓在1.6s到2.1s之間突然上下波動20%（如圖8）.在這樣的波動下，如果不采取措施，很可能導致大部分設備停機.由圖9可見，混合儲能系統的功率輸出能力和響應速度都不錯，可以較快地平抑電網電壓的波動，使得電壓在0.1s內恢復到正常水平.

混合儲能系統充分利用了超級電容器本身儲存的能量，發揮其功率密度高的優勢，優化了蓄電池的充放電過程.如圖10所示，超級電容器充放電迅速，而蓄電池就相對比較平穩.

圖8 未接儲能系統，負載A的電壓波形

圖9 接入儲能系統，負載A的電壓波形

圖10 混合儲能系統充放電波形圖

3.2 減小電網負荷波動的影響

設定在1～2s之間，在PCC處突然有20kW的負荷波動，此時PCC點的額定負載達到70kW，如果此時沒有混合儲能系統，PCC點的輸入功率必須從50kW突變到70kW，這會對整個電網造成擾動，圖11為不接儲能系統時PCC有功功率波形圖.

圖11 未接儲能系統，PCC有功波形圖

加入混合儲能系統后，它能夠快速輸出有功，在0.1s內填補有功缺額，減弱負載波動對PCC點的影響，拉平PCC點的輸入功率，如圖12所示.

圖12 接入儲能系統，PCC有功波形圖

圖13 為混合儲能系統充放電波形圖.同3.1的情形類似，超級電容器發揮了功率密度高的優勢，充放電頻率快，而蓄電池比較平穩.在負荷功率波動之初，超級電容器立刻發出較高的有功功率，而蓄電池輸出功率平穩上升，之后由于超級電容器容量限制，蓄電池提供絕大部分有功功率.總之混合儲能系統利用超級電容器快速放電的特性，優化了蓄電池的放電過程.

圖13 混合儲能系統充放電波形圖

4 結束語

混合儲能系統在電網電壓波動和負載波動兩種情況下，都能夠及時進行有功和無功的雙向調節，改善了配電網的電能質量.相比于單一的蓄電池儲能系統，它充分利用了超級電容器快速放電的優勢，減小了蓄電池充放電的波動，兩種儲能形式相互彌補，有利于減小儲能系統的體積和成本.

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