基于兩級式變流器混合儲能系統的應用

李阿勇

( 北京科技大學東凌經濟管理學院, 北京市 100083)

基于兩級式變流器混合儲能系統的應用

李阿勇

( 北京科技大學東凌經濟管理學院, 北京市 100083)

為提高諸如光伏、風力等可再生能源發電功率的可控性，避免由于外界環境變化引起的功率波動對電網的負面影響，提出一種基于兩級式儲能變流器的混合儲能系統，采用PQ控制策略平抑可再生能源功率波動的方案。通過低通濾波算法估算混合儲能系統的能量補償，進一步設計控制器，精確控制儲能系統的能量流向，達到儲能系統與電網之間及時準確的能量交換。以光伏發電為應用背景，在MATLAB/SIMULINK中搭建混合儲能系統模型。仿真結果表明：該方法使得光伏發電模塊輸出功率平緩，起到了平抑效果，可以滿足電力系統實時調度的要求。

儲能變流器；混合儲能系統；控制策略；平抑功率波動

0 引 言

以風力和太陽能為代表的可再生能源發電在并網運行時，由于其本身存在波動性和間歇性的特點，難以提供持續穩定的功率，同時也不利于人工預測[1]，給電網運行帶來諸多不利影響，也制約了可再生能源發電的進一步發展。

針對可再生能源輸出功率的波動問題，近年來，國內外學者在平抑策略方面做了大量研究。目前常見的策略中有結合能源間的協同控制策略，如水電風電聯合調度補償風力發電輸出功率的波動[2]、風力發電經火電調節輸出穩定功率的風火打捆方案[3-5]，這類策略由于需要多能源間的配合，應用條件嚴苛，且成本較高；還有結合新能源發電自身的特點提出的策略，風力發電方面，通過直接調節風力漿轉矩或改變風力葉片轉速的方式調節輸出功率[6-8]，光伏發電中，基于最大功率跟蹤算法和并網逆變控制的方法得到廣泛應用[9-11]，此類策略對功率波動均有一定抑制效果，但無法有效應對能源中斷等突發狀況。

儲能技術由于具備提供短時供電、電力削峰填谷和改善電能質量的優勢，在電力系統穩定運行、新能源接入、改善電能質量和應急電源等方面已經得到了廣泛應用[12]。基于儲能單元的雙向流動性，將其配置在電源側，可以平滑可再生能源發電在不同時間尺度上的出力波動，使電網可調度性、可預測性以及經濟性得到顯著提高。文獻[13-14]分別提出了單獨利用蓄電池和超級電容器作為儲能介質來抑制光伏發電功率波動的控制方法，具有一定可行性。但是單一儲能介質的系統缺點非常顯著，蓄電池的功率密度低、超級電容器的能量密度小，都會影響儲能系統的整體性能。文獻[15-16]都提出了基于混合儲能系統的平抑風電功率波動的方案，但是功率補償均是基于日統計數據的概率性估算，不具備通用性和時效性。

本文提出一種基于PQ控制的兩級式變流器的鉛酸蓄電池和超級電容器的混合儲能系統，給出結合一階低通濾波器算法[17]估算功率補償的光伏發電輸出功率波動抑制策略。該方法能夠實時監控輸出功率并同步計算理想狀態下的功率補償量，具有很強的時效性和通用性。最后，在MATLAB/SIMULINK平臺上搭建仿真模型，驗證所提方案的有效性。

1 混合儲能系統

儲能系統由儲能模塊和能量轉換系統組成。為充分利用蓄電池的大能量密度和超級電容器的大功率密度，儲能模塊選取鉛酸蓄電池和超級電容器混合儲能的方式；能量轉換系統是儲能系統的核心，控制儲能系統和電網系統間的能量交換，本文選取非隔離型半橋雙向DC/DC和三相三線DC/AC串聯的兩級式儲能變流器拓撲。系統的整體原理框圖如圖1所示。

圖1 儲能系統并網結構示意圖Fig.1 Grid-connected structure of energy storage system

1.1 兩級式變流器

前級非隔離型半橋雙向DC/DC拓撲如圖2所示。

圖2 非隔離型半橋雙向DC/DC變流器Fig.2 Non-isolated bidirectional half bridge DC/DC converter

如圖2所示，當T1管關斷(此時相當于二極管)，T2管導通時，功率由u2側流向u1側，等效為Buck變換電路；而當T2管關斷，T1管導通時，功率從u1側傳輸至u2側，等效為Boost變換電路。通過對功率開關管的脈沖信號的控制，可以實現電路工作模式間的切換。

當雙向DC/DC變流器工作在Buck模式下時，儲能介質處于充電狀態下，有電流環限制充電電流保護開關管及儲能介質，當儲能模塊端電壓較低時，充電電流處于飽和限幅狀態進行恒流充電；當儲能模塊達到預定充電電壓后，在電壓環作用下對其進行恒壓充電。當電網難以滿足用戶側電力需求時，此時儲能模塊將存儲的能量經由雙向DC/DC變流器和并網變流器傳輸至電網，此時雙向DC/DC變流器工作于Boost模式，在電壓環作用下輸出恒定直流母線電壓。

因此，雙向DC/DC變流器連接了儲能模塊和直流母線，起到了控制儲能單元能量雙向流動的作用。

后級三相三線DC/AC變流器拓撲結構如圖3所示，通過控制6個開關管的通斷實現電網電流與電壓相對相位的控制，使電路工作在單位功率因數整流/逆變狀態或者輸送純感性/容性無功功率狀態。

圖3 三相三線DC/AC變流器Fig.3 Three-phase three-wire DC/AC converter

假設在電網電壓對稱(正序)的情況下，根據電路的基本方程建立該拓撲的數學模型。在此模型的基礎上，依據坐標變換原理，將拓撲的數學模型轉換至dq坐標系下，采用前饋解耦控制策略，設計控制器并配合空間矢量調制方法實現電流控制。

1.2 儲能模塊

混合儲能系統的儲能模塊采用鉛酸蓄電池和超級電容器的混合儲能介質。

超級電容器是一種通過極化電解質來儲能的新型儲能元器件。儲能過程不包含化學反應，且儲能過程可逆，由于具備這些特性，使得超級電容器具有功率密度高、充電時間短、使用壽命長的優點。超級電容器主要有恒流充電和恒功率充電2種充電方式。

鉛酸蓄電池工作過程則伴隨著化學反應的發生，其放電狀態下，正極主要成分是二氧化鉛，負極主要成分是鉛；在充電狀態下，正負極主要成分都是硫酸鉛。在主反應進行的同時，蓄電池多余的電能會進行副反應(水的電解)，使得電池正極析出氧氣、負極析出氫氣，產生冒泡現象。

蓄電池和超級電容器在技術性能上呈現互補特性：蓄電池工作電壓高、體積小、能量密度高；超級電容器充放電速度快、效率高、功率密度大。二者并聯的結構，不僅能夠縮小儲能裝置的體積，還可以有效提高儲能裝置的輸出功率。

為配合雙向DC/DC變流器控制器設計，要分別對蓄電池和超級電容器進行建模分析。蓄電池模型用經典的CIEMAT模型，由電壓源和一個可變內阻來描述電池特征。超級電容器也采用經典的一階線性RC模型，等效為一個理想電容器并聯一個阻值較大的電阻(并聯等效阻抗)和串聯一個阻值較小的電阻(串聯等效阻抗)。

2 混合儲能系統控制策略

混合儲能系統的整體控制框圖如圖4所示。在光伏發電系統中接入混合儲能系統，當電網電壓極大偏離平均值時，儲能系統吸收電網功率，充電儲能；而當電網電壓跌落時，由儲能系統釋放能量，實現功率的平均調節，達到抑制功率波動的效果[18]。

圖4 混合儲能系統控制框圖Fig.4 Control block diagram of hybrid energy storage system

2.1 整體控制策略

如圖4所示，混合儲能系統實時監測光伏模塊發電功率P，P必然呈現無規則波動形態。將實際功率P經過低通濾波算法濾波后(根據波動抑制要求設計低通濾波器)，得到相對平滑的控制目標功率P0。二者之差ΔP即為儲能系統功率補償量，符號決定了DC/DC變流器的功率流向。ΔP為正時，表明光伏發電功率處于溢出狀態，儲能單元需要吸收功率進行能量回收；反之，說明光伏發電處于低谷，需要儲能系統釋放能量維持電網功率穩定。

2.2 低通濾波器算法

低通濾波器算法使用了一階慣性環節作為低通濾波器，其作用是可以使得輸出功率變得更加平穩。一階慣性環節的時間常數T決定了濾波環節的功率追蹤性能，因此根據目標調節功率ΔP改變慣性環節時間常數，當ΔP絕對值超過功率臨界值Pmax時，適當增加時間常數，使得儲能系統跟蹤性能下降，平緩陡峭輸出功率；反之，需要減小時間常數以平衡整體波動效果。

這里的初始時間常數以1/2為其初始值。功率臨界值Pmax和變步長ΔT可根據具體情況靈活設定。

其算法流程圖如圖5所示。

圖5 LPF算法流程圖Fig.5 Flow chart of low pass filter algorithm

2.3 PQ控制

DC-AC并網逆變器采用PQ控制策略，根據產生的功率補償量計算出指令電流大小，進而控制電網有功/無功電流大小，調制出變流器PWM信號。

在電網電壓三相對稱情況下，電網有功無功電流可表示為

(1)

式中：P、Q分別代表電網有功無功功率；Ed，Eq表示在dq坐標系下正序電壓dq軸分量；Id，Iq表示在dq坐標系下電網電流dq軸分量。

PQ控制框圖如圖6所示，控制圖基于DC/AC變流器在dq坐標系下模型推導而得。圖中各dq軸分

圖6 PQ控制框圖Fig.6 PQ Control block diagram

量對應圖3的拓撲。fd、fq為開關量S在dq軸分量；Ugd、Ugq為電壓擾動dq軸分量。

在PQ控制環節后加入了前饋解耦使得內環電流Id，Iq解耦，實現獨立控制。外環電壓Udc由前級雙向DC-DC變流器控制穩壓。

3 實驗仿真

在Matlab/Simulink平臺下搭建混合儲能系統在光伏發電并網中的仿真模型。

3.1 光伏模塊

光伏電池是能夠將太陽能轉化成電能的非線性器件，其等效電路如圖7所示[19]。

圖7 光伏電池等效電路Fig.7 Equivalent circuit of photovoltaic cell

光伏電池等效電路的特性方程可表達為

(2)

式中：I、U為光伏電池輸出電流、電壓；Rs、Rsh分別為電路串聯和并聯電阻；Iph代表光生電流；I0為二極管反向飽和電流；q為庫倫常數(q=1.6×10-19C)；T表示絕對溫度；玻爾茲曼常數k=1.38×10-23J/K；n為無量綱任意曲線的擬合常數。

光伏模塊選取功率20 kW，采用擾動觀察法進行最大功率跟蹤[20-21]，在外界光照條件、溫度不變情況下的仿真曲線如圖8所示。

由圖8可以看出，輸出功率穩定在20 kW，達到預期跟蹤效果。

3.2 混合儲能模塊

根據光伏模塊的輸出功率20 kW，設定雙向DC/DC變流器低壓側電壓U1=350 V、高壓側電壓U2=700 V，電感電流額定值IL=100 A。由電感和電容的伏秒平衡推導出主電路參數計算公式：

(3)

式中：ΔiL和Δu2分別為電感紋波電流和電容紋波電壓，通常取電感電流和電容電壓的10%；L、C、R分別為主電路的電感、電容和負載電阻大小；U1和U2分別為直流低壓和高壓側電壓；D為占空比；Ts為開關管導通周期。

圖8 光伏模塊輸出功率波形Fig.8 Output power waveform of photovoltaic module

圖9顯示了DC-DC 變流器分別工作于Buck和Boost模式下的仿真波形，圖9(a)和圖9(c)反映了變流器的穩壓性能，符合設計預期。

圖9 DC/DC變流器仿真波形Fig.9 Simulation waveform of DC/DC converter

DC/AC變流器部分以單位功率因數整流為例，閉環控制模型推導過程中令A、B、C三相電壓與電流同相位。單位功率因數下，電網(A相)電流與電壓的波形如圖10所示。

設計超級電容器恒流充電電流為100 A，初始電壓為70 V，升壓至120 V；恒功率充電功率為20 kW，電流限幅為250 A，升壓到120 V。選用2只60 V，125 F超級電容串聯，構成120 V，62.5 F超級電容器組；根據鉛酸蓄電池充放電特性曲線，以及溫度、壽命、自放電特性，選用10只100 A·h鉛酸蓄電池串聯，構成120 V，100 A·h蓄電池組。

圖10 單位功率因數電壓與電流波形Fig.10 Voltage and current waveforms under unit power factor

模擬三相三線混合儲能系統充電特性曲線如圖11(a)所示，超級電容器工作于恒流充電狀態，充電電流為100 A，端電壓近似直線上升，當達到 120 V時，充電結束，充電電流降為0。放電特性曲線如圖11(b)所示，混合儲能系統在放電過程中，由于直流側母線電壓在升壓至穩定的過程中有一個小超調量，導致在0.2 s左右電網對超級電容器的反向充電。放電過程中電流環控制放電電流保持恒定。

圖11 超級電容器充放電曲線Fig.11 Charging and discharging curve of super capacitor

鉛酸蓄電池充放電曲線如圖12所示。

鉛酸蓄電池由于內部發生化學反應，故充放電過程較慢，需要近20 h。

3.3 平抑波動仿真

為了充分模擬實際光照條件以產生輸出功率的波動，這里將光伏模塊的輸入變量光照強度S設置成在600～1 000 W/m2波動的隨機函數[22]，外界溫度T均設置成10～30 ℃波動的隨機函數。

如圖13所示，光伏模塊在外界輸入條件變化的情況下輸出呈現不規律的波動形態。

圖12 超級電容器充放電曲線Fig.12 Charging and discharging curve of lead acid battery

圖13 光伏模塊輸出功率波形Fig.13 Output power waveform of photovoltaic module

加入混合儲能系統后，實際輸入電網的功率波形如圖14所示。

圖14 電網輸入功率波形Fig.14 Grid power input waveform

由圖14可看出，當混合儲能系統在初始充電狀態過后，開始起到調節功率平衡的作用效果，輸出功率穩定在18 kW附近，顯著抑制了光伏模塊輸出功率的波動，減小了對電網的沖擊。

4 結 論

本文提出了一種基于PQ控制的兩級式變流器的鉛酸蓄電池和超級電容器的混合儲能系統抑制光伏發電輸出功率波動策略。算例仿真表明，該方法能夠有效抑制功率波動，有利于電網的穩定運行。同時，該方法結合一階低通濾波器算法估算功率補償，具有良好的時效性和通用性，具有良好的應用前景。

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(編輯 張媛媛)

Application of Hybrid Energy Storage System Based on Two-Stage Converter

LI Ayong

(Dongling School of Economics and Management, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

To improve the controllability of the power generation of renewable energy such as photovoltaic power, wind power, etc., and avoid the negative impact of power fluctuation caused by external environmental changes on power grid, this paper proposes a hybrid energy storage system based on two-stage energy storage converter, which adopts PQ control strategy to suppress renewable power fluctuation. The energy compensation for energy storage system is estimated by low pass filter algorithm, then the controller is further designed to accurately control the power flow of energy storage and achieve timely and accurate energy exchange between energy storage system and power grids. Finally, this paper constructs a model for hybrid energy storage system under the background of photovoltaic power generation in MATLAB/SIMULINK platform. The simulation results show that, this method can smooth the output power of the photovoltaic power generation module smooth and has the suppression effect, which can meet the requirements of real-time scheduling of power system.

energy storage converter; hybrid energy storage system; control strategy; power suppression

TM 46

A

1000-7229(2016)08-0058-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.08.009

2016-04-26

李阿勇(1976)，男，博士研究生，主要研究方向為電網工程建設。