微電網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)與控制策略

劉元，李永東，陳霄航

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，烏魯木齊市 830002；2.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京市 100084；3.國網(wǎng)南平供電公司，福建省南平市 353000)

微電網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)與控制策略

劉元1，李永東2，陳霄航3

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，烏魯木齊市 830002；2.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京市 100084；3.國網(wǎng)南平供電公司，福建省南平市 353000)

由于光照強(qiáng)度與溫度變化，光伏發(fā)電功率的波動(dòng)導(dǎo)致微網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)側(cè)功率發(fā)生較大波動(dòng)。通過控制電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功功率，可以使平滑光伏電源功率波動(dòng)成為可能。研究了光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行模式，提出了適用于光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)和控制策略，并對(duì)儲(chǔ)能用功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)；最后基于某光伏電站和負(fù)荷的實(shí)際歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)所提出的方案進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果驗(yàn)證了光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)控制策略的有效性，鋰電池儲(chǔ)能并網(wǎng)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地并網(wǎng)/離網(wǎng)運(yùn)行，切換過渡過程平滑穩(wěn)定。

儲(chǔ)能；微電網(wǎng)；PQ控制；VF控制

0 引 言

太陽能是一種可再生能源，且存量巨大。只需將每年地球表面接受的太陽輻射的0.1%按5%的轉(zhuǎn)換率轉(zhuǎn)換成電能，就夠全世界消耗40年。但是，由于光照的周期性和溫度的不斷波動(dòng)，光伏電站輸出功率的穩(wěn)定性較差，這會(huì)導(dǎo)致電壓波動(dòng)甚至斷電。儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，可以解決光伏發(fā)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性問題，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的平滑輸出，調(diào)節(jié)功率波動(dòng)引起的電網(wǎng)電壓、頻率及相位的變化。

常見的儲(chǔ)能方式包括機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、相變儲(chǔ)能等。其中，機(jī)械儲(chǔ)能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能；電磁儲(chǔ)能包括超級(jí)電容器儲(chǔ)能和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能；電化學(xué)儲(chǔ)能包括蓄電池儲(chǔ)能、液流電池儲(chǔ)能、燃料電池儲(chǔ)能；相變儲(chǔ)能主要是指冰蓄冷儲(chǔ)能。目前光伏微電網(wǎng)中廣泛采用的儲(chǔ)能系統(tǒng)主要是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)由電池和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[1](power conversion system，PCS)組成。我國微電網(wǎng)中常用的電池有鋰離子電池、鈉硫電池、全釩液流電池等。其中鋰離子電池具有儲(chǔ)能密度高、儲(chǔ)能效率高、自放電小、適應(yīng)性強(qiáng)、循環(huán)壽命長等多種優(yōu)點(diǎn)，因此本文的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)采用鋰離子電池。

連接電池和交流母線的PCS有DC/AC變換器和DC/DC/AC兩級(jí)變換器2種。關(guān)于DC/AC變換器的研究方面，文獻(xiàn)[2]研究了主從控制模式下微網(wǎng)并網(wǎng)、離網(wǎng)以及切換過程中儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略，主要包括PQ控制和VF控制；文獻(xiàn)[3]研究了通過給風(fēng)電場增加儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)有功功率和電壓的控制；文獻(xiàn)[4]通過組合建模的方法建立風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)模型，主要采用儲(chǔ)能系統(tǒng)的PQ控制；文獻(xiàn)[5-6]研究了鋰電池變換器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了PQ控制的鋰電池的恒壓充放電控制；文獻(xiàn)[7]利用了電網(wǎng)的下垂特性通過測量有功無功功率實(shí)現(xiàn)了對(duì)電壓頻率的快速補(bǔ)償，從而確保了電壓和頻率的穩(wěn)定；文獻(xiàn)[8]在下垂控制的基礎(chǔ)上，在電壓頻率超出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)切換到電壓功率電流的三級(jí)控制，既具備下垂控制的穩(wěn)定優(yōu)點(diǎn)，又具備三級(jí)控制的快速性特點(diǎn)。關(guān)于DC/DC/AC兩級(jí)變換器的研究方面，文獻(xiàn)[9]中逆變器控制直流母線電壓和無功功率，斬波器控制有功功率。文獻(xiàn)[10-11]中逆變器控制有功無功功率，斬波器控制直流母線電壓。文獻(xiàn)[12]為全釩液流電池設(shè)計(jì)了控制電路，由逆變器控制直流母線電壓和無功功率，斬波器根據(jù)荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)和電池電壓狀態(tài)運(yùn)行在電池側(cè)恒壓控制、恒功率控制、涓流控制3種模式。文獻(xiàn)[13]提出一種直流側(cè)儲(chǔ)能電池DC/DC換流器與接口換流器協(xié)調(diào)控制策略，通過接口換流器的控制實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池并網(wǎng)狀態(tài)下的充電及孤網(wǎng)狀態(tài)下的穩(wěn)壓，從而提高直流微電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和系統(tǒng)對(duì)孤網(wǎng)、并網(wǎng)切換的響應(yīng)速度。文獻(xiàn)[14]在模型構(gòu)建中同時(shí)考慮了供需平衡與備用要求，并在3種微網(wǎng)運(yùn)行情景下進(jìn)行算例分析。在計(jì)算時(shí)采用改進(jìn)的和聲搜索算法，并將其與傳統(tǒng)的和聲搜索算法與粒子群算法進(jìn)行比較，以驗(yàn)證模型和方法的有效性。文獻(xiàn)[15]提出了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)(hybrid energy storage system， HESS)的小波包-模糊控制策略。針對(duì)微電網(wǎng)不同運(yùn)行特點(diǎn)，以網(wǎng)內(nèi)不平衡功率對(duì)蓄電池充、放電指令進(jìn)行修正，再通過自適應(yīng)模糊控制獲得蓄電池充放電的最終指令，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。

本文從光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)入手，分別介紹微網(wǎng)系統(tǒng)的工作模式、儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)和控制策略，利用Matlab仿真軟件建立仿真模型，通過仿真驗(yàn)證控制策略的有效性。根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)具備PQ、VF和電池側(cè)恒壓控制3種工作模式的PCS。處于PQ工作模式時(shí)，能根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度部門指令控制有功功率及無功功率輸出，具備四象限滿容量運(yùn)行的能力。在VF工作模式下，蓄電池保持交流母線電壓恒定。從鋰離子電池本身的特性來看，還需PCS具備電池側(cè)恒壓控制的特點(diǎn)。本文采用斬波器負(fù)責(zé)升壓同時(shí)實(shí)現(xiàn)直流母線電壓恒定，而由逆變器實(shí)現(xiàn)PQ控制、VF控制、電池側(cè)恒壓控制。本文采用LCL濾波器，與傳統(tǒng)L濾波器和LC濾波器相比，LCL濾波器可以更好地抑制高次諧波，有效地降低電感值，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，并且受電網(wǎng)的影響較小。

1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作模式

圖1為光伏儲(chǔ)能微網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。光伏組件經(jīng)過經(jīng)典的二級(jí)變換，實(shí)現(xiàn)了光伏電壓的最大功率輸出和控制直流總線電壓在穩(wěn)定值的作用，交流電壓相位與電網(wǎng)同步。

圖1 光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of PV energy storage micro-grid system

電網(wǎng)通過斷路器QF4、QF1與光伏微網(wǎng)系統(tǒng)相連接，普通負(fù)荷通過斷路器QF5、QF4連接到電網(wǎng)，普通負(fù)荷通過斷路器QF5、QF1連接到交流母線。

儲(chǔ)能單元通過半橋式斬波器將電壓升到固定值，再經(jīng)過變流器和斷路器QF2連接到交流母線上，變流器負(fù)責(zé)儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率控制。重要負(fù)荷通過斷路器QF3和交流母線連接。

交流母線型微網(wǎng)系統(tǒng)的工作模式通常有3種：并網(wǎng)整體運(yùn)行、并網(wǎng)儲(chǔ)能旁路運(yùn)行、光儲(chǔ)獨(dú)立運(yùn)行。具體分析如下。

模式(1)：QF1、QF2、QF3均閉合。光伏系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)均投入運(yùn)行。光照充足時(shí)，光伏發(fā)電除了滿足重要負(fù)荷的需求，將多余能量送至儲(chǔ)能系統(tǒng)和電網(wǎng)。控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率，當(dāng)光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)所需的能量大于設(shè)定的電網(wǎng)饋電功率上限值時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收能量來滿足需求，使對(duì)電網(wǎng)的輸電功率低于設(shè)定的電網(wǎng)饋電功率上限值。光照不充足時(shí)，此時(shí)的負(fù)荷有可能高于光伏發(fā)電量，使得需從電網(wǎng)取電。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)電量大于設(shè)定的電網(wǎng)發(fā)電功率上限值時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放能量使電網(wǎng)發(fā)電量不超出限定值。

模式(2)：QF1、QF3閉合，QF2斷開。與模式(1)相比，儲(chǔ)能系統(tǒng)不工作。這種工作模式一般出現(xiàn)在3種情況下：(1)光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的輸電功率滿足設(shè)定的電網(wǎng)輸電的區(qū)間要求，儲(chǔ)能輸電量應(yīng)該為0，此時(shí)進(jìn)入這種模式可以減少逆變器和斬波器的損耗，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行效率；(2)當(dāng)需要對(duì)電池組進(jìn)行定期校準(zhǔn)或者更換時(shí)，可在電網(wǎng)輸電滿足設(shè)定的電網(wǎng)輸電的區(qū)間要求時(shí)，或者在電網(wǎng)吸收功率超出限值時(shí)(此時(shí)可減小光伏發(fā)電量)切換到這種模式；(3)儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生故障，或儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC低于下限且需要儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)電時(shí)，則同時(shí)切除普通負(fù)荷，斷開QF5，確保重要負(fù)荷供電。

模式(3)：QF2、QF3閉合，QF1斷開。儲(chǔ)能系統(tǒng)和不斷間電源(uninterruptable power supply, UPS)系統(tǒng)投入運(yùn)行。這種工作模式多數(shù)在夜晚沒有光照且儲(chǔ)能SOC較高的情況下發(fā)生。依靠儲(chǔ)能系統(tǒng)的剩余電量維持負(fù)荷工作，這樣減少了棄光行為發(fā)生的概率，充分利用了可再生能源發(fā)出的電能，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)

鉛酸電池的使用壽命受其充電次數(shù)的限制，往往需要搭配超級(jí)電容這樣的功率型儲(chǔ)能器件以實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻功率的充放。鋰離子電池兼具能量型儲(chǔ)能和功率型儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)，而且技術(shù)比較成熟，因此本文選用鋰離子電池作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的組成部件。

儲(chǔ)能裝置的安裝地點(diǎn)分別在變電側(cè)與配電側(cè)。

安裝在變電側(cè)的儲(chǔ)能裝置容量較大，功率為MW級(jí)，存儲(chǔ)時(shí)間為4～8 h；而安裝在配電側(cè)的儲(chǔ)能裝置功率為200～500 kW，存儲(chǔ)時(shí)間為2～4 h。儲(chǔ)能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由其功率配置決定，而具體的電池串(battery string, BS)個(gè)數(shù)則由儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量配置決定。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的典型功率主要包括100 kW、250 kW、500 kW和1 MW等。本文選取500 kW等級(jí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。由于每個(gè)電池串為200 kW·h，采用4.6 MW·h的儲(chǔ)能容量。每個(gè)電池串采用200個(gè)3.2 V/400 A·h的單元電池串聯(lián)組成，單元電池由4個(gè)3.2 V/400 A·h單體電池并聯(lián)構(gòu)成。電池管理系統(tǒng)共配置150個(gè)電池管理單元(battery management unit，BMU)和10個(gè)儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略

3.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制規(guī)則

儲(chǔ)能系統(tǒng)的主電路如圖3所示，PCS由逆變器和多臺(tái)斬波器組成。由于微電網(wǎng)的運(yùn)行模式有并網(wǎng)模式和孤島模式2種，這要求PCS具有PQ和VF 2種工作模式。而儲(chǔ)能系統(tǒng)出于自身保護(hù)的需要，又必須具備恒壓充放電的功能。

圖2 500 kW/2 MW·h儲(chǔ)能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topological structure of 500 kW/2 MW·h energy storage system

斬波器負(fù)責(zé)升壓同時(shí)實(shí)現(xiàn)直流母線電壓恒定，而逆變器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)PQ控制、VF控制和電池側(cè)恒壓控制。

圖3 儲(chǔ)能系統(tǒng)主電路Fig.3 Main circuit of energy storage system

3.2 斬波器的控制策略

DC/DC變換器的主要作用是將儲(chǔ)能電壓升高至固定值。本文采用半橋式斬波器，有升壓和降壓2種模式，控制策略為電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的PI控制。

式(1)為升壓模式中電流內(nèi)環(huán)控制方程、降壓模式中電流內(nèi)環(huán)控制方程以及電壓外環(huán)控制方程。

(1)

式中：D為Boost電路的占空比；Kp1、Ki1為電流調(diào)節(jié)器比例積分系數(shù)；Ibat為蓄電池電流；Ibat_ref為蓄電池電流指令值；Udc為斬波器輸出側(cè)電壓；Ubat為蓄電池端電壓；Ubat_ref為蓄電池端電壓的指令值；Kp2、Ki2為電壓調(diào)節(jié)器比例積分系數(shù)。

DC/DC變換器整體控制框圖如圖4所示，其中虛線框內(nèi)為電流內(nèi)環(huán)。

圖4 DC/DC變換器的控制框圖Fig.4 Integral control block diagram of DC/DC converter

3.3 逆變器的PQ控制

在并網(wǎng)模式下，逆變器運(yùn)行在PQ控制模式，其由功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成，功率外環(huán)如圖5所示。

圖5 指令電流運(yùn)算電路Fig.5 Operational circuit of current order

通過式(2)的計(jì)算可得到d、q軸的電流指令值idref和iqref。再由電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)電流的快速跟蹤，如式(3)所示。交流側(cè)參考電壓ud、uq再經(jīng)過dq/abc反變換得到三相電壓參考值，在SPWM調(diào)制波生成過程中與三角載波進(jìn)行對(duì)比。

(2)

(3)

式中：Pref和Qref分別為有功功率和無功功率的給定值；ud、uq分別為網(wǎng)側(cè)電壓ua、ub、uc在dq坐標(biāo)軸上的等效分量；id、iq分別電感電流iaL、ibL、icL在dq坐標(biāo)軸上的等效分量；usd、usq為逆變器參考電壓；Kp和Ki為電流調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)；ω為電網(wǎng)角頻率。

需要注意的是有功無功功率的檢測方法，由瞬時(shí)功率理論可以得到式(4)，然而由于計(jì)算時(shí)間延遲而導(dǎo)致相位偏差，其結(jié)果將產(chǎn)生大量諧波，因此采取將傳感器測量的三相電壓和電流進(jìn)行dq分解再計(jì)算功率的方法。以電網(wǎng)側(cè)電壓a相峰值時(shí)刻為d軸0角度時(shí)刻，將電壓電流分解為穩(wěn)定值，再經(jīng)過式(5)計(jì)算出各支路的瞬時(shí)功率值。

(4)

(5)

3.4 逆變器的VF控制

在孤島運(yùn)行模式下，系統(tǒng)失去電網(wǎng)電壓和頻率的支撐，逆變器需切換到VF控制模式下。VF控制與PQ控制的不同之處在于Idref和Iqref的獲取方式不同。由網(wǎng)側(cè)濾波電容節(jié)點(diǎn)的支路方程推導(dǎo)得出，如式(6)所示。

(6)

式中：C為電容；igd為網(wǎng)側(cè)電流的d軸分量；igq為網(wǎng)側(cè)電流的q軸分量。

VF控制模式下系統(tǒng)的控制框圖如圖6所示。

圖6 VF控制框圖Fig.6 VF control block diagram

為保證切換過程的平滑性，在切換時(shí)的過渡過程中相角由式(7)確定。

(7)

式中：θnew為需過渡到的新角度；θ為當(dāng)前角度；ωref為固定角速度，ωref=100π rad/s；K為調(diào)節(jié)系數(shù)。

3.5 逆變器控制電池電壓

逆變器控制電池電壓，就是由電池電壓控制逆變器有功功率，如式(8)所示。

(8)

4 仿真與分析

本文考慮的實(shí)際案例為負(fù)荷額定容量4 MW，光伏額定容量5 MW，儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率為2.5 MW，存儲(chǔ)能量為15 MW·h。所以需要5組500 kV·A的PCS，每組存儲(chǔ)能量為3 MW·h，儲(chǔ)能系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)如圖7所示。

鋰離子電池等效模型用Matlab/Simulink元件庫中的電池模型，選擇其中的Lithium-Ion項(xiàng)，其數(shù)學(xué)模型如式(9)所示。

圖7 2.5 MW/15 MW·h儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.7 2.5 MW/15 MW·h storage system architecture diagram

(9)

式中：Ebat為等效的電池電動(dòng)勢，是一種非線性電壓，V；Ibat為電池電流，A；R0為電池的等效內(nèi)阻，Ω；I*為低頻電流動(dòng)態(tài)值，A；It為抽取電量，A·h；τ為濾波時(shí)間常數(shù)；E0為恒定電壓，V；K為極化常數(shù)(1/(A·h))或極化電阻(Ohms)；Q為最大電池電量，A·h；A為指數(shù)電壓，V；B為指數(shù)電量，1/(A·h)。注意，模型的參數(shù)由放電特性來推斷，假定充電時(shí)相同。

在進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)，要注意額定電壓、額定電量、初始荷電狀態(tài)，電池內(nèi)阻等。額定電壓表示電池放電特性的線性區(qū)的末尾值。額定電量表示電池的最小有效容量。若電池額定電壓為400 V，則電池最大充放電電流為2 500 kW/400 V=6.25 kA，但是由于1次滿充滿放時(shí)間為6 h (15 MW·h/2.5 MW)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于仿真時(shí)間，在仿真過程中荷電狀態(tài)幾乎不變，所以額定電量不必取6.25 kA×6 h=37.5 kA·h，只需取一個(gè)較大的數(shù)即可。另外，還需要注意電池內(nèi)阻的變化，這是因?yàn)榻?jīng)過多次串并聯(lián)，儲(chǔ)能系統(tǒng)等效為電池時(shí)內(nèi)阻發(fā)生了變化。

系統(tǒng)整體仿真框圖如圖8所示。在PQ模式中，電網(wǎng)側(cè)的斷路器QF4閉合，儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)外等效為電流源，對(duì)并網(wǎng)側(cè)功率控制，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)側(cè)功率不超過限值，以降低輸電線路容量需求。在VF模式中，斷路器QF4斷開，儲(chǔ)能對(duì)外等效為電壓源。在VF模式下，儲(chǔ)能系統(tǒng)控制交流母線電壓恒定；在PQ模式下，儲(chǔ)能系統(tǒng)確保微電網(wǎng)和電網(wǎng)間輸電容量不超過規(guī)定的限值。

圖8 系統(tǒng)主電路圖Fig.8 Main circuit diagram of system

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行s級(jí)仿真，1 s時(shí)將電網(wǎng)接入，儲(chǔ)能系統(tǒng)由VF模式轉(zhuǎn)為PQ模式。圖9為直流母線電壓有效值和頻率波形，在過渡過程中電壓幅值有短暫降落和回升，頻率在VF模式下最大改變?yōu)?.063 Hz，在過渡過程中最大改變?yōu)?.196 Hz，符合電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求。

圖9 交流母線電壓有效值和頻率波形Fig.9 RMS and frequency of AC bus voltage

光伏系統(tǒng)發(fā)出有功功率、負(fù)載吸收有功功率、微電網(wǎng)并網(wǎng)側(cè)有功功率如圖10所示。由于檢測到光伏發(fā)電約為4 MW，負(fù)載用電約為3 MW，為了確保向電網(wǎng)傳輸?shù)亩嘤嚯娏坎欢嘤谝?guī)定的饋電容量上限500 W，將多余電量輸入儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)交流側(cè)有功功率和無功功率如圖11所示。在經(jīng)過一個(gè)短暫過渡過程后儲(chǔ)能功率得到了控制。

圖12為直流母線電壓和斬波器直流母線側(cè)電流，可知在斬波器的控制下直流母線的電壓始終保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上可以得出以下結(jié)論。

(1)系統(tǒng)處于孤島模式時(shí)，在儲(chǔ)能系統(tǒng)VF控制下，交流母線電壓幅值穩(wěn)定，頻率出現(xiàn)輕微波動(dòng)，最大改變?yōu)?.196 Hz；此時(shí)并網(wǎng)側(cè)有功功率為0，儲(chǔ)能系統(tǒng)有功功率不斷變化以維持交流母線頻率穩(wěn)定，無功功率穩(wěn)定地控制在0左右。

圖10 光伏、負(fù)載和并網(wǎng)側(cè)的有功功率Fig.10 Active power of PV, load and grid

圖11 儲(chǔ)能系統(tǒng)交流側(cè)有功功率和無功功率Fig.11 Active power and reactive power on energy storage AC-side

圖12 直流母線電壓和斬波器直流母線側(cè)電流Fig.12 Voltage of AC bus and chopper’s current at DC bus side

(2)系統(tǒng)處于并網(wǎng)模式時(shí)，在儲(chǔ)能系統(tǒng)PQ控制下，交流母線電壓幅值和頻率都保持在穩(wěn)定狀態(tài)；此時(shí)并網(wǎng)側(cè)有功功率得到控制，使減小系統(tǒng)輸電容量成為可能，儲(chǔ)能系統(tǒng)有功功率不斷變化以平抑計(jì)及光伏發(fā)電的等效負(fù)荷。無功功率穩(wěn)定地控制在0左右。

(3)儲(chǔ)能系統(tǒng)在VF模式和PQ模式切換的過程中，儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功功率和無功功率均有輕微的下降與震蕩，但時(shí)間較短，這會(huì)引起交流母線電壓的有效值也出現(xiàn)短暫的下降，電壓頻率在經(jīng)歷一個(gè)先下降后上升的波動(dòng)后達(dá)到穩(wěn)定。同時(shí)，網(wǎng)側(cè)有功功率經(jīng)歷了短暫的超出限值過程，此過程應(yīng)該加以重視并盡量縮短時(shí)間。

5 結(jié) 論

本文研究了光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行模式，提出了適用于光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)和控制策略，并對(duì)儲(chǔ)能用功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，最后基于某光伏電站和負(fù)荷的實(shí)際歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)所提出的方案進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果驗(yàn)證了光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)控制策略的有效性，鋰電池儲(chǔ)能并網(wǎng)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地并網(wǎng)/離網(wǎng)運(yùn)行，切換過渡過程平滑穩(wěn)定。

與已有儲(chǔ)能系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)與控制策略相比，本文的創(chuàng)新之處在于以下幾個(gè)方面。

(1)PCS具有PQ、VF和電池側(cè)恒壓控制3種工作模式。處于PQ工作模式時(shí)，其有功功率指令能夠確保輸電線路容量不超過限值，從而有效節(jié)約了輸電線路成本。處于VF工作模式時(shí)，蓄電池保持交流母線電壓恒定。當(dāng)鋰離子電池的荷電狀態(tài)處于臨界值時(shí)，電池進(jìn)入恒壓充放電狀態(tài)。

(2)本文在進(jìn)行PQ模式仿真時(shí)，采用的不是一般常用的PI方法，而是直接將計(jì)算得到的所需PQ值進(jìn)行分解得到dq軸電流，在仿真過程中得到了比較精確而穩(wěn)定的結(jié)果。

(3)采用逆變器控制電池電壓，而不是采用直接與電池相連的斬波器控制。這樣做的好處是避免了在模式切換過程中斬波器模式的切換，避免了由此帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定。

[1]謝志佳，馬會(huì)萌，靳文濤.大規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析[J].電力建設(shè)，2012，33(8)：22-26. XIE Zhijia, MA Huimeng, JIN Wentao. Analysis on PCS topological structure for large-scale battery energy storage system[J]. Electric Power Construction, 2012，33(8)：22-26.

[2]李官軍，陶以彬，胡金杭，等.儲(chǔ)能系統(tǒng)在微網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].電力電子技術(shù)，2013，47(11)：9-11. LI Guanjun, TAO Yibin, HU Jinhang, et al. Research on control strategy of energy storage system in microgrid[J]. Power Electronics, 2013，47(11)：9-11.

[3]張步涵，曾杰，毛承雄，等.電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在改善并網(wǎng)風(fēng)電場電能質(zhì)量和穩(wěn)定性中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(15)：54-58. ZHANG Buhan, ZENG Jie, MAO Chengxiong, et al. Improvement of power quality and stability of wind farms connected to power grid by battery energy storage system[J]. Power System Technology, 2006，30(15)：54-58.

[4]王皓懷，湯涌，侯俊賢，等.風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的組合建模與等值[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(34)：1-9，11. WANG Haohuai, TANG Yong, HOU Junxian, et al. Composition modeling and equivalence of an integrated power generation system of wind, photovoltaic and energy storage unit[J]. Proceedings of the CSEE, 2011，31(34)：1-9，11.

[5]侯朝勇，胡學(xué)浩，惠東.鋰電池儲(chǔ)能并網(wǎng)變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36(3)：246-251. HOU Chaoyong, HU Xuehao, HUI Dong. Design and implementation of grid-connected converter for lithium battery energy storage system[J]. Power System Technology, 2012，36(3)：246-251.

[6]侯朝勇，胡學(xué)浩，惠東.全數(shù)字控制的鋰電池儲(chǔ)能并網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2012，32(3)：125-130. HOU Chaoyong, HU Xuehao, HUI Dong. Design and implementation of grid-connected lithium battery energy storage system under total digital control[J]. Electric Power Automation Equipment, 2012，32(3)：125-130.

[7]彭思敏，王晗，蔡旭，等.含雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)及并聯(lián)型儲(chǔ)能系統(tǒng)的孤網(wǎng)運(yùn)行控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36(23)：23-28. PENG Simin, WANG Han, CAI Xu, et al. An operation control strategy for islanded power systems with DFIG and parallel-connected battery energy storage system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012，36(23)：23-28.

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

[9]李軍徽，朱昱，嚴(yán)干貴，等.儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略及主電路參數(shù)設(shè)計(jì)的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(7)：7-12. LI Junhui, ZHU Yu, YAN Gangui, et al. Research on the control strategy and the design of main circuit parameters of energy storage system[J]. Power System Protection and Control, 2012，40(7)：7-12.

[10]李建林.電池儲(chǔ)能技術(shù)控制方法研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，28(12)：61-65. LI Jianlin. Study on control methods of battery energy storage technology[J]. Power System and Clean Energy, 2012，28(12)：61-65.

[11]高志強(qiáng)，孟良，梁賓，等.光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)控制策略[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2013，2(3)：300-306. GAO Zhiqiang, MENG Liang, LIANG Bin, et al. Control strategies for a photovoltaic—energy storage hybrid system[J]. Energy Storage Science and Technology, 2013，2(3)：300-306.

[12]李輝，季海婷，付博，等.含DC/DC變換器全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全充放電策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37(24)：7-11，18. LI Hui, JI Haiting, FU Bo, et al. Safe charge-discharge control strategy for vanadium redox flow battery energy storage system with DC/DC converter[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013，37(24)：7-11，18.

[13]王皓界,韓民曉,孔啟祥. 交直流混合微電網(wǎng)儲(chǔ)能DC/DC及接口換流器協(xié)調(diào)控制[J].電力建設(shè)，2016，37(5)：50-56.

WANG Haojie, HAN Minxiao, KONG Qixiang. Coordinated control of energy storage DC/DC and interface converter in AC/DC hybrid microgrid[J]. Electric Power Construction, 2016，37(5)：50-56.

[14]曾鳴,段金輝,孫靜惠. 基于改進(jìn)和聲搜索算法的微網(wǎng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃模型[J].電力建設(shè)，2015，36(10)：27-33. ZENG Ming, DUAN Jinhui, SUN Jinghui. Battery energy storage system planning model of micro grid based on improved harmony search algorithm[J]. Electric Power Construction, 2015，36(10)：27-33.

[15]盛四清,李明躍. 微電網(wǎng)中混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的小波包-模糊控制策略[J]. 電力建設(shè),2016,37(2)：132-137. SHENG Siqing, LI Mingyue. Wavelet packet-fuzzy control strategy for hybrid energy storage system in microgrid[J]. Electric Power Construction, 2016,37(2)：132-137.

(編輯 景賀峰)

Integrated Design and Control Strategy of Energy Storage System in Micro-Grid

LIU Yuan1, LI Yongdong2, CHEN Xiaohang3

(1. School of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830002, China; 2. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084,China; 3. State Grid Nanping Electric Power Supply Company, Nanping 353000, Fujian Province, China)

As sunlight intensity and temperature vary, the photovoltaic power surges, resulting in the great fluctuation of power on the point connected the grid and the micro-grid. By controlling the active power of battery energy storage system, the photovoltaic power surges can be clamed down. This paper studies the operation mode of the photovoltaic-storage combined power generation system, and proposes its integrated design and control strategy. Then, this paper analyzes and designs the power conversion system for energy storage. Finally, this paper carries out the simulation study on the proposed scheme, based on the actual historical operation data of a photovoltaic power station and load. The simulation results verify the effectiveness of the control strategy of the photovoltaic-storage combined power generation system. The lithium battery energy storage and grid-connected system can steadily run in grid-connected or off-grid, and the switching transition process is smooth and stable.

energy storage; micro-grid; PQ control; VF control

新疆維吾爾自治區(qū)科技支疆項(xiàng)目(2013911036)

TM 732

A

1000-7229(2016)08-0141-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.08.022

2016-03-01

劉元(1989)，男，碩士，主要從事微電網(wǎng)與新能源發(fā)電方面的研究工作；

李永(1962)，男，博士，博士生導(dǎo)師，天山學(xué)者，主要從事高壓大容量多電平變換器、高精度電機(jī)控制方面的研究工作；

陳霄航(1989)，男，碩士，助理工程師，主要從事可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)方面的研究工作。