基于躍變電流的微電網(wǎng)蓄電池出力控制

劉特，滕青芳，路小娟，王文生

（蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，蘭州730070）

基于躍變電流的微電網(wǎng)蓄電池出力控制

劉特，滕青芳，路小娟，王文生

（蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，蘭州730070）

獨立微電網(wǎng)中通常包括微型燃氣輪機、光伏、風力發(fā)電和儲能裝置等。針對儲能裝置放電大小和出力多少的控制問題，該文提出一種利用突加負載引起的母線電流躍變來估計微電網(wǎng)中有功缺額的方法。將所得有功缺額作為儲能PQ控制的參考值，實時調(diào)整儲能輸出，從而保證微電網(wǎng)供需平衡。利用Matlab/Simulink搭建了一個由4種微電源組成的微電網(wǎng)模型，以驗證控制策略可行性。仿真結(jié)果表明，文中提出的方法可以有效地維持微電網(wǎng)的功率平衡。

獨立微電網(wǎng)；儲能裝置；躍變電流；PQ控制

微電網(wǎng)是以分布式發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)，以靠近分散型能源或用戶的小型電站為主體，結(jié)合終端用戶電能質(zhì)量管理和能源梯級利用技術(shù)形成的小型模塊化、分散式的供能網(wǎng)絡(luò)[1]。微電網(wǎng)中的電源多為含有變換器的微電源，包括微型燃氣輪機、燃料電池、光伏和風力發(fā)電以及超級電容、飛輪、蓄電池等儲能裝置[2-4]。

儲能是微電網(wǎng)中十分重要的環(huán)節(jié)之一，能提高微電網(wǎng)電能質(zhì)量、增加系統(tǒng)穩(wěn)定性、提高微電網(wǎng)經(jīng)濟效益和承擔電力調(diào)峰。隨著新能源的快速發(fā)展，其在微電網(wǎng)中將得到更加廣泛的應(yīng)用[5-6]。

微電網(wǎng)的首要目標是穩(wěn)定運行，這是微電網(wǎng)技術(shù)可行的基礎(chǔ)。在微電網(wǎng)獨立運行情況下，儲能單元的輸出功率隨系統(tǒng)頻率和電壓波動，此時考慮的首要問題是系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，而不是經(jīng)濟性[6-7]。

文獻[6]以儲能裝置為主電源，建立并維持系統(tǒng)電壓及頻率。獨立微電網(wǎng)運行時，儲能裝置不能作為長時間供電單元[5]。文獻[8-9]采用的下垂控制對蓄電池控制，雖然可以較好地平抑波動，但是輸出功率是自調(diào)節(jié)，易超出放電上限。同樣是長時間供電。文獻[10]采用串聯(lián)和并聯(lián)方式把儲能裝置接入系統(tǒng)，也存在輸出功率不可控和長時間供電現(xiàn)象。鑒于以上情況，本文提出了一種基于瞬時電流躍變值估計突加負載有功功率值的方法，估計值作為PQ控制參考值，對蓄電池組進行出力調(diào)節(jié)。

1 蓄電池及特性

獨立微電網(wǎng)模型如圖1所示。采用主從控制模式，微型燃氣輪機作為主要支撐電源，其逆變器采用V/f控制；風能、光伏和蓄電池組作為從電源，逆變器采用PQ控制。為了簡化模型，突出重點，設(shè)光伏和風能的輸出功率不變，當突加負載時，由于微型燃氣輪機不能及時補償突加負載產(chǎn)生的有功缺額，此時通過突加負載有功缺額估計模塊可得所需有功功率，作為蓄電池組逆變器PQ控制有功參考輸入值，以補充微電網(wǎng)中的有功缺額。

圖1 獨立微電網(wǎng)模型Fig.1Model of independent micro-grid

蓄電池是目前微電網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛、最有前途的儲能方式之一。盡管鉛酸蓄電池還有不少缺點，但是目前能夠商業(yè)化運用的主要還是鉛酸蓄電池，它具有幾個比較顯著的優(yōu)點：成本低廉、原材料豐富、制造技術(shù)成熟、能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)[5]。所以本文只討論鉛酸蓄電池作為儲能裝置。

蓄電池的充電時間長，充放電次數(shù)僅數(shù)百次，因此限制了使用壽命，維修費用高。在微電網(wǎng)中，放電電流大小和溫度對蓄電池組的出力有較大的影響，因此要考慮對電池的保護。

（1）放電電流。鉛酸電池的放電電流要控制在低于2 C，而實際應(yīng)用中，通常理論放電電流大約0.5 C。過大的放電電流會導致電池極化現(xiàn)象嚴重，電壓和容量快速下降，不符合放電要求。

（2）電池溫度。大電流放電會導致電池的電解液溫度升高，其結(jié)果使板柵抗張強度變小。活性物質(zhì)脫落，當腐蝕產(chǎn)物變得很厚或板柵變得相當薄時，板柵電阻增大，使電池容量下降，直至蓄電池失效。在大于40℃，溫度升高10℃，蓄電池的壽命是原來的1/2[11]。

根據(jù)以上兩個限制可知：需要對蓄電池組的放電電流大小進行限制，在可放電狀態(tài)下，可認為電壓恒定，所以要控制電池的輸出功率。文獻[7-9，12-13]尚未考慮這部分影響，文獻[14]也只考慮了剩余容量問題。

2 獨立微電網(wǎng)運行控制方案

微電網(wǎng)中的微電源以逆變型為主，不具備傳統(tǒng)電網(wǎng)較大的系統(tǒng)慣性和較好的抗擾動能力，風力發(fā)電和光伏發(fā)電的間歇性變化及負荷的隨機投切會造成整個系統(tǒng)的電壓、頻率的波動，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。此外，由于微電網(wǎng)線路的R/X參數(shù)值較大，系統(tǒng)有功和無功不能充分解耦，使得傳統(tǒng)的下垂控制效果不佳。

2.1 微型燃氣輪機V/f逆變控制

V/f控制法的電壓源型換流器為微電網(wǎng)獨立運行提供頻率和電壓支撐，維持所接入節(jié)點的電壓和頻率恒定，輸出有功功率和無功功率由下垂特性、微電源容量和負荷共同決定。

V/f控制方法是利用逆變器的反饋電壓調(diào)節(jié)交流側(cè)電壓以保證輸出電壓的穩(wěn)定，一般采用電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方法。電壓外環(huán)可以保證輸出電壓的穩(wěn)定，電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成電流隨動系統(tǒng)可提高抵御擾動的能力。

V/f控制模型如圖2所示。參考頻率50 Hz。電壓環(huán)采用PI控制，輸入為dq軸分量的參考電壓udref、uqref和負載電壓ud、uq。為了穩(wěn)定負載電壓，減小或消除負載電壓穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，電流內(nèi)環(huán)采用比例控制P，電壓環(huán)輸出的idref和iqref作為電流內(nèi)環(huán)的參考輸入，濾波電容電流轉(zhuǎn)換值id和iq作為反饋電流值，Vd和Vq是電流環(huán)控制輸出的電壓。

圖2 V/f控制模型Fig.2Model of V/f control

根據(jù)選取的狀態(tài)變量不同，雙環(huán)控制方法可以分為電感電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)和電容電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)兩種。本文采用電容電流內(nèi)環(huán)，系統(tǒng)抗干擾能力更強，具有更好的外特性[15]。

2.2 其他微電源PQ逆變控制

光伏和風力發(fā)電等新能源微電源，其輸出功率值受外界環(huán)境的影響很大，發(fā)電具有較明顯的間歇性，若是保證恒功率輸出，則必須配備較大容量的儲能設(shè)備，如此將大大增加成本，所以此類型微電源的控制目標應(yīng)該是盡量保證可再生能源的最大利用率，所以一般采用參考輸入跟隨最大功率值的PQ控制策略。

PQ控制模型如圖3所示，控制器主要由功率控制器和電流控制組成。Pref和Qref分別為有功和無功功率參考值，功率控制器的輸出電流iLdref、iLqref作為電流環(huán)的參考輸入。經(jīng)電流內(nèi)環(huán)控制，以微電網(wǎng)實際電流變換值iLd、iLq作為內(nèi)環(huán)反饋，實現(xiàn)有功電流跟隨參考電流。軟件鎖相環(huán)SPLL（software phase-locked loop）保證了PQ控制的微電源跟蹤微電網(wǎng)的頻率。

圖3 PQ控制模型Fig.3Model of PQ control

設(shè)逆變器輸出電流為iLn，則經(jīng)過dq變換后得iLd、iLq。因為轉(zhuǎn)換后uq=0，所以逆變器輸出電流參考值為

式（1）把對逆變器輸出功率控制轉(zhuǎn)化成對電流的控制問題。只要實現(xiàn)對參考電流iLdref的跟蹤，就實現(xiàn)了對參考有功功率的跟蹤。其中有功功率P由iLd決定，無功功率Q由iLq決定，如此實現(xiàn)了三相組網(wǎng)的有功和無功功率的解耦。

3 突加負載功率估計

3.1 突加功率估計原理

微電網(wǎng)由于容量小，慣性不足，獨立運行時可再生能源出力和負荷的不可預測性、多變性會引起較大波動。當有負載接入時，除了頻率有變動外，電流也會在極短時間內(nèi)突變。因為主逆變器提供電壓支撐，所以電壓波動很小，因此可通過測量主逆變器的濾波后輸出電流躍變值估計突加負載功率大小。三相有功功率為

式中：I為微電網(wǎng)相電流有效值；U為微電網(wǎng)相電壓有效值；cos φ為功率因數(shù)。因為加負載時電壓波動很小，可以認為電壓恒定，設(shè)負載有功功率變化值為ΔP，電流躍變前系統(tǒng)的有功功率為Py，則有

式中：ΔIy為躍變引起的相電流增加值；Iy為躍變前相電流幅值。所以由式（3）得采樣后估計功率為

式中：ΔPg表示突加負載有功功率變化估計值；ΔIg表示采樣獲得的相電流增加值。

3.2 突加負載有功功率變化估計

突加負載有功功率估計框圖如圖4所示。

圖4 功率估計結(jié)構(gòu)Fig.4Structure of power estimator

信號采集是獲得一個采樣周期內(nèi)相電流差值ΔIk，信號除雜是除去小于門限電流差值ΔIm信號，降低系統(tǒng)小干擾波動和投入更多新電源時產(chǎn)生的電流躍變值，信號計算是計算有功差額ΔPg，并選取三相中同一時刻ΔIg/Ib值最大估計有功功率。信號保持是保持蓄電池組輸出功率時間長短。

因為極短時間內(nèi)電流突變，所以可知選取合適的采樣周期，一個采樣周期內(nèi)相電流增加值ΔIk在躍變階段值要遠大于穩(wěn)定階段值，把ΔIk簡稱相電流差值，如圖5所示。

圖5 b相電流差值Fig.5Current difference of phase b

因為加入負載時功率是瞬時平衡的，所以電流瞬時增大，在不同時刻加負載，三相電流各相躍變值不同，但是增加倍數(shù)相同。

在獲取電流躍變值時，可能會有小干擾導致微電網(wǎng)產(chǎn)生小的波動，為了減少小干擾產(chǎn)生的電流差值ΔIk，導致蓄電池組頻繁的投切，所以要設(shè)定門限電流差值ΔIm，以除去干擾。選取的采樣周期不同，則ΔIk、ΔIm值也不同，采樣周期越小，估計值誤差越小。而ΔIm值選取越大，抗干擾越強，電池組對小波動越不靈敏，投切次數(shù)越少，但是負載功率估計的誤差值越大，所以要選取合適的電流差門限值，本文選取的采樣周期為1×10-5s，則設(shè)定ΔIm=1.03 A。獲取電流躍變值算式為

式中：M表示ΔIk>ΔIm的個數(shù)；當ΔIk>ΔIm時，設(shè)定k=0，開始累加電流差值ΔIk；當ΔIk≤ΔIm時，停止累加，獲得此時的總電流差值。

為了保護蓄電池，其輸出電流不能過大，即輸出功率有上限。為了進一步濾除小擾動已產(chǎn)生的估計功率，因此輸出功率也不能太小，則要設(shè)置蓄電池組出力上下限ΔPmax和ΔPmin。只有滿足ΔPmin≤ΔPg≤ΔPmax時，蓄電池組才進行出力。

4 仿真分析

為了驗證上述方法可行性，搭建了基于Matlab/ Simulink的仿真模型，為了簡化模型，突出研究重點，V/f控制的逆變器前采用穩(wěn)定的電壓源，來代替經(jīng)過整流的微型燃氣輪機的輸出。另外并入兩個以PQ控制的光伏和風能微電源并設(shè)為恒功率輸出，以電壓源代替整流后的微電源。蓄電池組也采用PQ控制，用Simulink中已有的電池模型。

獨立運行時，設(shè)初始值，光伏發(fā)電50 kW，風力發(fā)電50 kW，靜態(tài)負荷150 kW，蓄電池組最大輸出功率50 kW，所以穩(wěn)定時微型燃氣輪機輸出50 kW。在0.25 s時加入40 kW負載。運行結(jié)果如圖6～圖8所示。

不管是加負載還是蓄電池組投入，圖6顯示電壓波形未受太大影響。圖7顯示微型燃氣輪機逆變輸出電流在加入負荷前后，通過估計模塊讓蓄電池組迅速出力的電流波形，在0.04 s時基本穩(wěn)定。圖8所示蓄電池組輸出功率響應(yīng)較快，大約0.04 s基本穩(wěn)定。在突加負載后，燃氣輪機輸出有一小段波動，基本保持輸出功率不變。表1是根據(jù)b相電流增加值ΔIb估計突加負載有功功率。由于采樣產(chǎn)生的誤差，估計值偏小，所以選取三相中估計功率最大的相作為最終估計值。本文在0.25 s時加入負載，b相電流估計最接近真實值。由仿真結(jié)果可知，此種測量估計方法速度快，對于突加功率越大的負載估計誤差越小，這與門限值設(shè)定有關(guān)。

圖6 微電網(wǎng)相電壓Fig.6Phase voltages of micro-grid

圖7 微型燃氣輪機逆變器輸出電流Fig.7Inverter’s output current of microturbines

圖8 有功功率Fig.8Active power

表1b相電流及估計的有功功率Tab.1Current of phase b and estimation of active power

5 結(jié)語

本文提出了一種基于瞬時電流躍變值估計負載有功功率變化值的方法，把得到的最終有功功率值作為PQ控制的P參考值，來控制蓄電池組出力。通過對突加負載有功功率估計，可以保證出力頻繁程度和多少在可控范圍內(nèi)，保證蓄電池組的放電電流大小在規(guī)定范圍內(nèi)，以保護蓄電池。所選的采樣周期和門限電流差值ΔIm根據(jù)不同系統(tǒng)需不同設(shè)置。此方法估計值可給微電網(wǎng)上層控制器，作為整個系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度使用，為提高微電網(wǎng)中儲能設(shè)備的利用率提供了一定的參考。下一步要做的是微型燃氣輪機增加輸出時蓄電池組退出方法，以保證微電網(wǎng)穩(wěn)定。

[1]Lasseter R H.Microgrids[C]//IEEE Power Engineering Society Winter Meeting.New York，USA，2002：305-308.

[2]魯宗相，王彩霞，閔勇，等（Lu Zongxiang，Wang Caixia，Min Yong，et al）.微電網(wǎng)研究綜述（Overview on microgrid research）[J].電力系統(tǒng)自動化（Automation of Electric Power Systems），2007，31（19）：100-107.

[3]王成山，肖朝霞，王守相（Wang Chengshan，Xiao Zhaoxia，Wang Shouxiang）.微網(wǎng)綜合控制與分析（Synthetical control and analysis of microgrid）[J].電力系統(tǒng)自動化（Automation of Electric Power Systems），2008，32（7）：98-103.

[4]盛鹍，孔力，齊智平，等（Sheng Kun，Kong Li，Qi Zhiping，et al）.新型電網(wǎng)-微電網(wǎng)（Microgrid）研究綜述（A survey on research of microgrid-a new power system）[J].繼電器（Relay），2007，35（12）：75-81.

[5]周林，黃勇，郭珂，等（Zhou Lin，Huang Yong，Guo Ke，et al）.微電網(wǎng)儲能技術(shù)研究綜述（A survey of energy storage technology for micro grid）[J].電力系統(tǒng)保護與控制（Power System Protection and Control），2011，39（7）：147-152.

[6]唐西勝，齊智平（Tang Xisheng，Qi Zhiping）.應(yīng)用于微電網(wǎng)的儲能及其控制技術(shù)（Energy storage technologies and control methods of microgrid：a survey）[J].太陽能學報（Acta Energiae Solaris Sinica），2012，33（3）：517-524.

[7]高文杰，井天軍，楊明皓，等（Gao Wenjie，Jing Tianjun，Yang Minghao，et al）.微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)控制及其經(jīng)濟調(diào)度方法（Operation control and economic dispatch of energy storage system for micro-grid）[J].中國電力（Electric Power），2013，46（1）：11-15.

[8]李潔，陳宇（Li Jie，Chen Yu）.含儲能裝置的微電網(wǎng)并網(wǎng)/孤島運行仿真研究（Simulation study on micro-grid connection/isolation operation containing energy storage device）[J].低壓電器（Low Voltage Apparatus），2011（2）：32-36，54.

[9]趙冬梅，張楠，劉燕華，等（Zhao Dongmei，Zhang Nan，Liu Yanhua，et al）.基于儲能的微網(wǎng)并網(wǎng)和孤島運行模式平滑切換綜合控制策略（Synthetical control strategy for smooth switching between grid-connected and islanded operation modes of microgrid based on energy storage system）[J].電網(wǎng)技術(shù)（Power System Technology），2013，37（2）：301-306.

[10]姚勇，朱桂萍，劉秀成（Yao Yong，Zhu Guiping，Liu Xiucheng）.電池儲能系統(tǒng)在改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量中的應(yīng)用（Improvement of power quality of micro-grids by battery energy storage system）[J].電工技術(shù)學報（Transactions of China Electrotechnical Society），2012，27（1）：85-89.

[11]魏曉斌，張磊，張光，等（Wei Xiaobin，Zhang Lei，Zhang Guang，et al）.溫度對閥控式鉛酸蓄電池的影響分析（Analysis of temperature influence on valve-regulated lead-acid battery）[J].電源技術(shù)（Chinese Journal of Power Sources），2008，32（2）：122-123.

[12]韓肖清，曹增杰，楊俊虎，等（Han Xiaoqing，Cao Zengjie，Yang Junhu，et al）.風光蓄交流微電網(wǎng)的控制與仿真（Control and simulation of wind-PV-battery AC microgrid）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2013，25（3）：50-55.

[13]吳雨，潘文霞，馮蒙霜，等（Wu Yu，Pan Wenxia，F(xiàn)eng Mengshuang，et al）.基于混合儲能的微電網(wǎng)功率控制策略（Power control strategy for microgrid based on hybrid energy storage system）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2013，25（2）：109-114，158.

[14]陸曉楠，孫凱，黃立培，等（Lu Xiaonan，Sun Kai，Huang Lipei，et al）.孤島運行交流微電網(wǎng)中分布式儲能系統(tǒng)改進下垂控制方法（Improved droop control method in distributed energy storage systems for autonomous operation of AC microgrid）[J].電力系統(tǒng)自動化（Automation of Electric Power Systems），2013，37（1）：180185.

[15]彭力（Peng Li）.基于狀態(tài)空間理論的PWM逆變電源控制技術(shù)研究（Research on Control Technique for PWM Inverters Based on State-Space Theory）[D].武漢：華中科技大學電氣與電子工程學院（Wuhan：College of Electrical&Electronic Engineering，Huazhong University of Science and Technology），2004.

Controlling Output of Batteries Based on Jump Current in Micro-grid

LIU Te，TENG Qingfang，LU Xiaojuan，WANG Wensheng
（School of Automation and Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China）

Independent micro-grid usually includes microturbines，PV，wind power and energy storage devices.For controlling the amount of discharge and output of energy storage devices，the method is presented that the active power vacancy is estimated by the current jump in the bus caused by sudden loads in micro-grid.Owning to active power vacancy regarded as the reference value of PQ control in energy storages，the output of energy storages is real-time adjusted and the balance of supply and demand is ensured in micro-grid.A model of micro-grid including four micro-powers is built by Matlab/Simulink，thus verifying the feasibility of the control strategy.Simulation results show that the proposed method is effective in maintaining the power balance in micro-grid.

independent micro-grid；energy storage device；jump current；PQ control

TM727

A

1003-8930（2015）12-0052-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.12.10

劉特（1987—）男，碩士研究生，研究方向為微電網(wǎng)控制及其能量管理。Email：923499863@qq.com

2014-04-24；

2015-04-14

甘肅省自然科學基金資助項目（1208RJZA180）

滕青芳（1964—）女，博士，教授，研究方向為控制理論與工程、電氣控制工程。Email：tengqf@mail.lzjtu.cn

路小娟（1975—）女，博士研究生，副教授，研究方向為測控技術(shù)。Email：luxj@mail.lzjtu.cn