柴儲獨立供電系統的功率協調控制策略*

楊建廷，李 嵐，牛浩明

(太原理工大學 電氣與動力工程學院, 山西 太原 030024)

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柴儲獨立供電系統的功率協調控制策略*

楊建廷，李 嵐，牛浩明

(太原理工大學 電氣與動力工程學院, 山西 太原 030024)

在利用柴油發電機組系統作為直接供電方式的一些地區，常規柴油機發電系統會由于負荷輕重的不穩定，而導致供電系統的工作狀態也會因此不停波動。鑒于此種情況，提出了一種相對有效的優化方案，在發電系統中引入了儲能電池和功率控制裝置，用來協調控制整個供電系統的能量流動：在負載很輕時，儲能電池獨立逆變進行供電；負載較重時，以發電機的輸出作為交流母線系統，儲能電池和柴油發電機并聯供電；當儲能電池電量不足時，和用電負載一起作為系統的負載，發電機對其進行充電，從而確保柴油機發電系統能夠高效穩定地工作。

柴油發電機； 功率控制； 聯合供電； 儲能電池； 交流母線

0 引 言

在一些偏遠山村地區，由于遠離大電網，如果專門配電輸送，則成本會相對較高，并且不合理，因此在當地，獨立供電系統就成為最直接有效的供電方式。對于一些用電負荷不是特別大的場所，利用柴油發電機組直接發電基本上就能夠解決這些地區的供電問題。

但是由于常規的柴油機結構比較單一，能量單向流向負載，在負荷不穩定的情況下，柴油發電機組的工作狀態也會有相應的波動，會導致整個供電系統電壓和頻率的不穩定。雖然柴油發電機具有短暫的過流保護能力，但時間過長可能導致故障停機，會造成供電間斷。鑒于這種情況，本文提出了把儲能電池裝置加入到柴油發電機供電系統中，利用蓄電池的充放電功能來協調供電系統的能量流動，短暫解決系統的功率補充問題，改善供電系統的穩定性能。

1 柴油發電機模型及其調速模型

1.1 柴油發電機模型

柴油發電機主要分為兩部分：柴油機與同步發電機。在MATLAB中，同步發電機有專門的模塊，而柴油機則沒有，需要單獨建模。

柴油機本身結構相對比較復雜，而且影響因素比較多，在建模過程中可以把柴油機分為四個部分：柴油機本體模型，柴油機燃燒及熱力環節，柴油機轉速采樣環節，柴油機油門執行環節，如圖1所示。

圖1 柴油機調速系統

(1) 柴油機轉速傳感器模型的建立。柴油機的轉速正比于發電機輸出電動勢的頻率，但是信號之間的轉換以及齒輪轉動都有一定的延時性。這與傳感器和柴油機的性能有很大的關系。經考慮，其傳遞函數簡化為

(1)

式中：A(s)——傳感器輸出信號；

n(s)——實際轉速信號；

K1——比例系數；

t0——時間常數。

(2) 執行器模型。執行器根據調速器的輸出信號來調節柴油機油門的開合程度，從而控制進油量。可用一階傳遞函數表示：

(2)

式中：α(s)——油門開合程度；

K2——比例系數；

t1——時間常數。

(3) 燃燒熱力環節。油門開合程度越大柴油機輸出力矩越大，傳遞函數為

(3)

式中：Md(s)——柴油機輸出轉矩；

t3——時間常數；

K3——比例系數。

(4) 柴油機本體模型。由柴油機運動學原理得方程：

(4)

式中：J——轉動慣量；

ω——角速度；

Md——輸出轉矩；

Ml——負載轉矩。

經過線性化并且忽略一些因素后可得柴油機模型的傳遞函數為

(5)

式中：Ta——時間常數；Tg——自穩系數。

柴油發電機仿真模型結構圖如圖2所示。

圖2 柴油發電機仿真模型

1.2 柴油發電機調速模型

根據柴油機非線性的特點以及自身的一些特性，經過適當的簡化后，本文設計所采用的柴油發電機組模型為一階慣性加純滯后形式，即：

(6)

式中：K——柴油發電機放大系數；

T0——等效時間常數；

τ——滯后時間。

根據前面的推導計算，將柴油發電機傳統PID控制與模糊自適應算法結合起來，以柴油發電機的轉速偏差e和轉速偏差變化率ec作為輸入量，利用PID參數模糊自整定的原理，找出作為PID輸出量的ΔP、ΔI、ΔD與e、ec之間的模糊關系，實現PID參數模糊自整定從而使系統被控對象能夠有相對較好的動、靜態性能。在MATLAB的Simulink中搭建的調速模糊控制系統如圖3所示。

2 混合供電系統的幾種工作狀態

基于傳統柴油發電機的結構，發電機直接給負荷提供三相交流電。能量由發電機流動負荷，負荷的大小就是柴油機的輸出大小，因此無論負荷輕重，為了正常工作，柴油機輸出功率必須跟隨負荷變化。

圖3 模糊自適應整定PID控制器子系統

為了使柴油發電機組能夠高效工作，并且盡量減少資源浪費，將發電機組與儲能電池結合起來組成混合供電系統，通過合理控制能量，使作為能量載體的儲能電池既能夠輸出電能，充當供電部分，又能夠吸收電能，充當負載部分。因此，根據不同負荷工況，混合供電系統有以下幾種不同的工作狀態：

(1) 儲能電池單獨供電。在負荷比較輕，而且儲能電池電量充足的情況下，考慮到柴油機的工作效率，此時如果繼續讓發電機工作，非常不合理，因此停止發電機組的供電工作，儲能電池經過逆變器輸出功率，獨立供電。功率流動如圖4所示。

圖4 儲能電池獨立供電

同時為了儲能電池的安全，防止過放而損壞，應該實時監測電池電量。若低于容量下限，則停止逆變供電，需要起動柴油發電機工作。

(2) 儲能電池作為負載。如果檢測到儲能電池的電量不是很充足，則應起動柴油機工作，按照要求供電給負荷和儲能電池，同時要時刻檢測儲能電池的電量狀態，防止過充而對電池造成損壞，影響壽命。能量流動如圖5所示。

圖5 儲能電池作為負載

(3) 混合系統聯合供電。在負載比較重而儲能電池為滿狀態的情況下，可以考慮儲能電池經過逆變器和發電機并聯起來一同供電，作為柴油機的額外補充電源，分擔柴油機不能滿足的負荷供電需求。功率流動如圖6所示。

圖6 儲能電池和發電機聯合供電

從上面介紹的混合供電模式可以看出，在不同的工作狀態中起主要作用的是功率控制器。不管是儲能電池單獨逆變提供交流電，還是在負載嚴重時，儲能電池和柴油發電機并聯提供交流電，所采用的都是逆變技術。雖然儲能系統作為負載時采用的是整流技術，但這都可由同一個功率控制器實現。

3 柴儲聯合供電系統的功率控制

3.1 系統功率控制

本文以逆變整流裝置為功率控制器，對流入儲能電池逆變器的有功和無功功率作解耦控制，進而協調能量在系統內的流動方向。把控制器的交流側看作研究對象，記ea、eb、ec和ia、ib、ic為三相旋轉坐標系相電壓和相電流的瞬時值；eα、eβ和iα、iβ為變換到兩相靜止坐標系時，α、β兩相的瞬時電壓和瞬時電流；ed、eq和id、iq為轉換到兩相旋轉坐標系時d、q軸上的電壓和電流分量。由于本文考慮的是系統的功率流動，所以采用等功率變換的原則進行坐標變換。

三相電壓和電流的瞬時值在兩相靜止坐標系中的表達為

(7)

依據對三相電路瞬時功率的定義，把瞬時電壓值和瞬時電流值的點積結果作為瞬時有功功率值，而把瞬時電壓值叉積瞬時電流值的結果作為瞬時無功功率的值，計算之后得到的瞬時功率為

(8)

同樣地，兩相旋轉坐標系中，瞬時有功和無功功率表示為

(9)

由于是基于電壓定向模式，eq=0，則式(9)簡化后得

(10)

若不考慮電壓的波動，交流側的三相正弦電壓穩定，即ed是一個不變定值。所以瞬時有功功率P和無功功率Q分別與交流側電流的d、q軸的有功、無功分量id、iq成正比。由此可見，電壓定向時，控制id、iq就能控制儲能電池的功率。

3.2 控制系統結構

以下考慮整個系統的能量流動。

忽略系統的能量損耗，整個系統的能量流動可表示為

PG+PB=PL

(11)

式中：PG——柴油機發電機組的輸出功率；

PB——儲能電池輸出功率；

PL——負荷功率。

(12)

當儲能電池做獨立電源時，依據負荷的大小來輸出功率，即PB=PL。給定電流id*變為

(13)

根據上述給出的幾種系統工作狀態，結合具體的控制策略，系統控制框圖如圖7所示。

圖7 系統控制框圖

控制系統主要包括兩部分：(1) 主功率電路部分；(2) 控制部分，又由坐標變換、給定計算、PI控制器以及SVPWM觸發信號產生部分組成。

4 試驗結果

本文所采用的柴油發電機主要參數如下：柴油機為4沖程，額定功率115kW，額定轉速1500r/min；同步發電機額定視在功率125kVA，額定電壓380V，額定頻率50Hz，功率因數0.8，極對數2，勵磁方式為相復勵。

以下是針對不同的負荷情況得出的試驗結果。

負載不重時，儲能電池不需要輸出，有功電流是0。當負載增加時，計算出儲能電池需要分攤的功率，根據公式算出給定有功電流。如圖8所示，在0.5s時，負載從100kW增加到120kW，得出有功電流由0變為52.6A，蓄電池經過逆變器和柴油發電機并聯供電，承擔輸出一定的功率，這期間會有一段調節過渡時間。

圖8 蓄電池逆變并聯供電時系統曲線圖

輕載時，柴油發電機提供一部分能量滿足負載需要，剩余的可以對儲能電池進行充電。如圖9所示，0～0.5s期間，負載功率為65kW，此時蓄電池吸收柴油機輸出的一部分能量給自身充電，給定的有功電流為92.1A，在0.5s時，突然增加負載到80kW，計算得出新的儲能電池給定有功電流52.6A。

圖9 儲能電池充電作為負載時系統曲線圖

若負荷很小，而儲能電池滿狀態，使其獨立逆變供電，柴油機不工作。如圖10所示，初始負載功率是5kW，有功電流給定為13.16A，當增加到10kW時，有功電流給定變為26.32A。

圖10 儲能電池單獨逆變時系統曲線圖

5 結 語

本文在常規柴油發電機組獨立供電系統中引入儲能電池，提出了柴油發電機和儲能電池的協調控制方法。結果表明：通過將儲能電池加入到柴油發電機系統中，利用儲能電池能夠充放電的特性，實現其作為可控的輔助功率的功能：(1) 重載時通過逆變器作為供電源，實現和發電機并聯供電，分攤發電機的一部分負荷，減小發電機的工作壓力；(2) 輕載時，儲能電池和負荷一起作為發電機的共同負載，吸收發電機提供的多余部分能量，減少能量浪費。

總之，將柴油發電機與儲能電池結合起來既可以實現柴油機的高效工作，同時也可以減少能量資源浪費，還能防止柴油機重載時由于長時間過流引起供電系統的崩潰，改善系統的供電質量。

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Power Coordination Control Strategy for Diesel Power Storage Independent Power Supply System*

YANGJianting，LILan，NIUHaoming

(College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

In the use of diesel generator system as some areas of direct power supply mode, conventional diesel power generation system due to the severity of the load was not stable, resulting in power system state would therefore stop fluctuations. In view of this situation, a relatively effective optimization scheme in power system was introduced in the energy storage system and a power control device, the flow of energy to the coordinated control of the power supply system：when the load was light, the energy storage system of inverter power supply; the load was heavy, with the output of the generator as the communication bus system, storage batteries and diesel generators parallel power supply; when the storage battery was low, and the electric load as the load of the system, the generator to charge, so as to ensure that the diesel engine power system could stable and efficient work.

diesel generator; power control; combied power supply; energy storage inverter; AC bus

山西省科技攻關項目(20140322-22)

楊建廷(1991—)，男，碩士研究生，研究方向為交流電機傳動技術。 李 嵐(1962—)，女，博士研究生，教授，研究生導師，研究方向為電力電子變換技術、新能源發電控制技術。 牛浩明(1992—)，男，碩士研究生，研究方向為新能源發電控制技術。

TM 314

A

1673-6540(2016)11- 0028- 06

2016-04-07