基于模糊PID的混合儲能技術在微電網中的應用

摘 要：基于成本和控制效果考慮，單一的儲能元件無法抑制全頻段的功率波動，普通的協控制策略又無法實現實時調節參數以適應微電網隨環境的變化，本文提出將基于模糊PID的混合儲能的技術應用到微電網中，先從系統的構成和工作原理出發，分析混合儲能技術在微電網中的應用，而后根據系統的構成和數學模型提出了基于模糊PID的協調控制策略，并將此策略應用到光伏系統的仿真中，根據仿真結果的對比分析，系統的輸出功率波動得到了更好的抑制，儲能元件有了更好的運行特性，體現了該種方法的優越性。

關鍵詞：微電網；混合儲能；模糊PID；

中圖分類號：TM619 文獻標識碼：A

1 引言

分布式發電作為環保、靈活、高效的新型發電技術受到越來越多的關注，并且在電力能源中所占比例越來越大[1-2]，但是，風電、光伏發電等可再生微電源自身的不穩定性，波動性以及負載的擾動，會嚴重影響微電網并網運行的公共供電點的電壓和頻率的穩定。尤其是在微電網孤島運行時，微電源

無法保證系統的功率平衡，因此為了充分發掘微電源的價值，提高電能質量，有必要抑制輸出功率波動。而隨著儲能技術的發展，除了傳統的鉛酸蓄電池和鋰電池技術得到較大的飛躍外，新的儲能裝置發展得也越來越好，比如超級電容和飛輪儲能等，這也為采用儲能解決光伏并網發電系統功率問題奠定了基礎[3-4]。

文章[5]采用了蓄電池儲能來解決功率波動問題，但蓄電池儲能在平抑高頻功率波動時，平抑效果不甚理想。文章[6]采用超級電容器作為儲能元

件，超級電容器雖然對平抑功率波動有很好的效果，但本身的成本高、容量低，不能作為微電網的主要儲能器件。文章[7]采用了超級電容器和蓄電池的混合儲能，但是，光伏系統受環境影響很大，無法達到最好的控制效果。

本文根據以上的問題，提出了基于模糊PID控制的混合儲能技術，通過對誤差和誤差變化率的實時追蹤，實時調節PI參數，以得到最佳的控制效果。

2 含混合儲能的光伏系統構成及其工作原理

2.1 含混合儲能的光伏系統構成和結構分析

本文含混合儲能元件的光伏系統結構見圖1，系統主要有基于MPPT的光伏模塊、超級電容器、大容量蓄電池、雙向DC-DC變換模塊、濾波模塊、逆變整流器、負載。混合儲能單元連接到直流母線上，給直流負載供電。直流母線經過逆變器和濾波器后進入交流母線，給交流負載供電。直流母線結構具有良好的擴展性，其它形式的儲能元件和微電源可以通過直流母線加入到微電網中。交流母線結構是傳統的母線結構，可以很好的應用已有成熟的斷路器保護技術，同時對電動機等傳統負載供電非常容易。本文結合兩種母線結構的優點，采用了交直流混合母線結構。

儲能系統采用蓄電池儲能和超級電容器組成復合儲能系統，超級電容器主要平抑系統中的高頻功率波動，該功率波動變化迅速，瞬時功率高，維持時間短，恰好利用超級電容器容量不大但可以頻繁充放電且瞬時功率大的特點，平抑效果理想。大容量蓄電池主要平抑系統中的低頻功率波動。該功率波動的變化平緩，維持時間長，恰好利用了大型蓄電池響應速度慢，不能頻繁充放電且容量大的特點，平抑效果明顯。

2.2 系統的工作原理

如圖1的系統，當光照充足時，光伏電池發出的功率較大，光伏電池工作在MPPT方式下，此時，光伏電池除了供給逆變器和負載能量外還有能量剩余，此部分能量將給蓄電池和超級電容充電，以保證功率平衡，保證直流母線的電壓穩定。當光照不足時，光伏電池的輸出功率不足以供給逆變器和負載的功率，儲能裝置工作在放電模式下，以保證系統的功率平衡和直流母線的電壓穩定。

3 混合儲能的模糊PID協調控制策略的研究

太陽能發電受環境因素影響很大，輸出功率具有波動性和間歇性，根據上文的分析，本文基于蓄電池和超級電容的不同特性，設計了混合儲能的模糊PID協調控制策略。

由實驗結果可知，在實驗一中，0.1s時刻，由于負載突減，蓄電池開始緩慢由放電狀態改變為充電狀態，此時，直流母線電壓突增，然后緩慢降回設定電壓。在0.3s時刻，由于負載突增，蓄電池開始緩慢由充電狀態變為放電狀態，此時直流母線電壓突減，而后緩慢升回設定電壓。在實驗二中，在0.1s時，負載所需功率突降，光伏電池在那一瞬間的功率過大，需要儲能元件來吸收多余的能量，由于是瞬時突變，超級電容快速響應，電流有一個瞬間的階躍，蓄電池則緩慢下降，由放電轉變成充電模式。在0.23s左右時，負載突升，此時，超級電容器迅速響應，階躍上升，而蓄電池緩慢上升，對不足的能量進行補充。

實驗一的整個過程中，直流母線電壓不能穩定在700v，因此單一的蓄電池儲能無法滿足抑制微電網功率波動的需求；而在實驗二的整個過程中直流母線電壓基本穩定在700v左右，在系統突變瞬間超級電容起了主要作用，而在穩定狀態，蓄電池起主導作用，這樣蓄電池在負載功率變化的瞬間也保持了良好的充放電狀態。驗證了基于模糊PID的混合儲能技術在抑制微電網功率波動上的效果。

5 結束語

針對抑制微電網輸出功率波動的問題，本文采用了超級電容器和大容量蓄電池混合儲能的方法，并設計了基于模糊PID的協調控制策略，利用模糊控制，實時尋優得到合適的PI參數，改良了以往的控制方法。仿真結果顯示，直流母線的電壓得到了穩壓，輸出的功率波動得到了較好的抑制，且充分發揮了超級電容器和大容量蓄電池各自的優點，在提高性能的同時節省了成本，提高了儲能元件的使用壽命，說明此種方法是充分發揮了儲能元件在微電網輸出功率波動上的抑制作用。

參考文獻

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