基于混合儲能的直流配電網改進電壓分區控制策略

楊李星，郝思鵬，嚴曉杰，黃堃

（南京工程學院電力工程學院，南京211167）

基于混合儲能的直流配電網改進電壓分區控制策略

楊李星，郝思鵬，嚴曉杰，黃堃

（南京工程學院電力工程學院，南京211167）

為提高直流配電網的電能質量，提出了一種基于蓄電池-超級電容混合儲能的母線電壓分區控制策略，對母線電壓進行6層分區治理，并網點采用定電壓控制策略，蓄電池用于平抑母線電壓波動較小時的功率缺額，超級電容用于協助平抑母線電壓急劇變化時的功率缺額。最后，通過Matlab/ Simulink仿真驗證了在所有區間中所提控制策略都能夠有效切換，維持母線電壓穩定。

直流配電網；超級電容；混合儲能；電能質量

0 引言

隨著新能源和電力電子技術的快速發展，城市用電量逐年提高，分布式能源和電動汽車充電站大量接入，使得傳統交流配電網面臨著供電可靠性和經濟性等方面的巨大挑戰。與傳統交流配電網相比，直流配電網具有以下明顯優勢：在同等寬度的輸電走廊上，直流配電網的傳輸功率為交流配電網的1.5倍左右；直流配電網線路理論上不存在無功損耗，線路損耗僅為交流配電網的15%～50%；直流配電網不存在頻率偏移和無功補償，能夠簡單地解決復雜網絡的并網難題；直流配電網減少了大量分布式能源和直流負荷AC/DC的電能轉換環節，經濟性更加優越[1-3]。

國內外對直流配電網的研究剛剛起步，平抑分布式電源和大功率負載對母線電壓造成的波動是亟待解決的問題之一。蓄電池具有能量密度高和功率密度低的特點，超級電容具有能量密度低和功率密度高的特點，將兩者的互補特性結合起來的混合儲能控制系統能在一定程度上平抑母線電壓波動，提高配電網的電能質量。但是由于造價昂貴和容量限制，儲能裝置無法單獨控制結構復雜、負荷變化大的配電網母線電壓。

目前，大多數文獻還集中在直流配電網換流站和微電網混合儲能控制技術的研究。文獻[4-6]研究了直流電網換流站自身的控制策略，其本質是在傳統主從控制、下垂控制和電壓偏差控制基礎上的策略改進；文獻[7-8]研究了直流電網系統級的控制策略，通過設計換流站之間有通信和無通信2種模式下的控制策略為直流電網故障工況的電壓控制提供了控制方案；文獻[9-16]研究了混合儲能的控制策略對提高微電網穩定性的影響，本質上是將傳統的電壓控制策略應用于混合儲能來達到穩定母線電壓的目的。但上述文獻均沒有對作為上層控制的換流站和下層控制的儲能設備之間的協調控制進行深入研究。

針對上述問題，在單端直流配電網拓撲結構的基礎上，提出基于混合儲能的母線電壓分區控制策略。換流站采用定直流電壓控制策略，平衡母線電壓；蓄電池采用下垂控制策略輔助補償系統的功率差額；超級電容根據母線電壓的變化速率平抑急劇的電壓波動。最后通過Matlab/Simulink仿真驗證了該控制系統的可行性和有效性。

1 含混合儲能的直流配電網拓撲

圖1為單端直流配電網拓撲結構，主要由分布式電源（光伏、風電場等）、直流負載、交流負載、儲能和EVCS（電動汽車充電站）組成，并通過并網點的變流器連接交流主網和低壓直流配電網。其工作原理如下：

（1）蓄電池與超級電容分別通過雙向DC/DC變換器并聯到直流母線上，兩者相互獨立的充放電電路使系統的控制方式更加簡單，可靠性更高。

（2）低壓直流配電網主要任務是接入通信設備等敏感負荷。

（3）EVCS具有負荷和電源雙重特性。正常工作狀態下，EVCS作為直流負荷吸收直流配電網的能量；當配電網的母線電壓跌落越限時，EVCS可作為電源向配電網釋放能量，維持母線電壓穩定。

為了簡化分析，將EVCS和低壓直流配電網消耗的有功功率分別等效為兩個直流負載，則整個直流配電網的功率平衡方程為：

式中：Pbat為蓄電池的充放電功率；Psc為超級電容的充放電功率；PAL，PDL分別為交流負載和直流負載消耗的有功功率；Pd為所有分布式電源的輸出總功率；Pc為交流主網對中壓配電網的輸入功率。

直流配電網與交流主網的并網點處于定功率控制狀態時，若由混合儲能維持母線電壓的穩定，則混合儲能需要提供的功率為

式中：ΔPAL，ΔPDL分別為交流負載和直流負載有功功率的變化量；ΔPd為所有分布式電源輸出總功率的變化量。

直流配電網中幾乎不存在無功功率，母線電壓是電能質量的唯一指標。由式（2）可知，通過控制蓄電池和超級電容的充放電功率可以平衡分布式電源和負載的功率差額，從而穩定母線電壓。

鑒于蓄電池能量密度大、功率密度小，超級電容能量密度小、功率密度大的特點。因此將兩者的互補特性相結合，構建蓄電池和超級電容混合儲能系統，利用超級電容的高動態響應性平衡母線電壓急劇變化時的功率，提高配電網的故障穿越能力。但由于超級電容儲能深度小，面對母線電壓偏差值較小的響應會導致能量的匱竭和盈余，無法長時間工作在單端穩壓模式，因此利用蓄電池的大儲能深度作為超級電容的補充，平抑波動較小的母線電壓。

2 直流配電網母線電壓控制方案

以下提出一種針對單端直流配電網的母線電壓分區控制策略。如圖2所示，將直流母線電壓Udc分為6個區間，根據母線電壓的位置確定相應的工作模式，對變流器實施相應的控制策略。

圖2 母線電壓分區控制策略

由圖2可知，在6個區間中，直流配電網與交流主網PCC（并網點）的雙向AC/DC變流器處于定電壓工作模式；第3，4區間，母線電壓存在大量紋波且偏差值較小，為防止變流器頻繁切換工作模式，蓄電池與超級電容處于恒流充放電模式，進入并網備用狀態，保證其他區間對母線電壓的電壓調節能力；第2，5區間，蓄電池采用電壓下垂控制策略，超級電容根據母線電壓變化速率來補償配電網的功率缺額或盈余；第1，6區間，并網變流器、蓄電池和超級電容共同維持母線電壓穩定。當母線電壓偏差超過臨界點0.90和1.10時，判定直流配電網需要停機工作，在故障點斷開后重新并網[17]。具體控制策略如下：

2.1 雙向AC/DC控制策略

基于VSC（電壓源換流器）技術的雙向AC/DC變流器中，根據功率守恒定律可知，交流側與直流側的電流關系為：

式中：Udc，Idc分別為直流側電壓和電流；Ud，Id分別為交流側電壓、電流的d軸分量。

由式（3）可知，控制交流側的d軸電流Id可以調節VSC直流側的電流Idc，從而調節直流配電網的功率，穩定母線電壓。

圖2（a）中，PCC作為系統的平衡節點，采用定直流電壓控制方式來支撐母線電壓，同時可以防止各分布式電源和儲能之間的功率震蕩。

2.2 蓄電池控制策略

圖2（b）中，當直流母線電壓位于第3，4區間時，蓄電池處于恒流充放電模式，為了保證在其他區間的電壓調節能力，蓄電池的SOC（荷電狀態）目標值設定為70%。當直流母線電壓位于其他區間時，蓄電池采用電壓下垂控制方式，即電壓下垂外環和電流內環雙閉環調節。

圖3為蓄電池的DC/DC控制框圖。其中，DC/DC變流器選用雙向DC/DC變流器；ibat為蓄電池的充放電電流；ibatref為蓄電池的電流控制信號；udcref為蓄電池接入點的母線電壓參考值；kb為蓄電池下垂控制系數。

需要注意的是，第2，5區間的udcref取值分別為1.02和0.98。

2.3 超級電容控制策略

圖3 蓄電池DC/DC控制策略

超級電容控制策略如圖2（c）所示，直流母線電壓位于第3，4區間時，超級電容處于恒流充放電模式，為保證超級電容對母線電壓的瞬時大幅度跌落或上升有足夠的調節能力，SOC目標值設為最大電壓的70%；直流母線電壓位于第2，5區間時，超級電容根據母線電壓變化速率α選擇工作模式，α的表達式如下：

式中：Ut，Ut-Δt分別為直流母線當前時刻和前一時刻的采樣電壓值；Δt為采樣周期。需要注意的是，Δt的取值不能過大，否則可能出現無法正確判斷當前電壓變化速率的問題，一般選取Δt為毫秒級。

通常情況下，電壓驟變的斜率大于70°，因此根據式（4）計算出的α取值范圍來選擇超級電容的充放電模式，超級電容的輸出電流Isc為：

式中：ksc為超級電容下垂控制系數；Udc_ref為超級電容的電壓控制信號，將Udc_ref設定為1.02和0.98。當α≤-2.75或α≥2.75時，直流母線電壓急劇變化，超級電容啟動電壓下垂控制補償系統的功率差額。需要注意的是，由于超級電容需要一定的快速補償能力，所以ksc不宜像傳統的下垂控制一樣取值過小。

直流母線電壓位于第1，6層時，超級電容采用定電壓控制策略，此時配電網已經脫離了正常工作狀態，超級電容的任務是與其他功率源共同補償系統功率差額，快速回到正常工作區間。

超級電容的雙向DC/DC變流器控制策略如圖4所示。其中，iscref為超級電容的電流控制信號；udcref為超級電容的電壓控制信號；1.05和0.95為直流母線額定電壓的±5%的標幺值。

圖4 超級電容DC/DC控制策略

綜上所述，整個直流配電網母線電壓控制系統的工作流程如圖5所示。其中，0.02，0.05，0.1為直流母線電壓偏差的標幺值。

3 仿真分析

3.1 仿真參數

圖5 直流配電網母線電壓控制流程

為了驗證基于混合儲能的直流配電網改進電壓分區控制策略的有效性，在Matlab/Simulink仿真軟件中搭建了圖6所示的單端直流配電網模型。仿真模型中母線電壓為380 V，分布式電源由4個光伏發電系統模擬，并通過MPPT（最大功率點跟蹤）控制器和DC/DC變流器與直流母線連接，其中基本參數值如下：最大功率點電流Im=25 A，最大功率點電壓Um=120 V，開路電壓Uoc=150 V，短路電流Isc=27.2 A，光照強度Sref=1 000 W/m2，工作溫度Tref=25℃，補償系數a=0.025 A/℃，b= 0.7 A/℃；蓄電池端電壓220 V，根據蓄電池持續充放電時間不少于20 h確定額定容量為1 000 A·h，最大充放電電流60 A，初始SOC為70%；超級電容使用RC串聯等效模型，額定電壓為240 V，電容量為4.3 F，串聯電阻0.2 Ω，最大充放電電流100 A；采用4組純電阻負載的投切來模擬電網的電壓波動、電壓暫降等運行狀態下的電網穩定性。

圖6 單端直流配電網仿真模型

3.2 母線電壓仿真分析

仿真采用了4組負載的投切來模擬電網運行過程中出現的電壓波動和電壓暫降狀態，并用切斷并網變流器來模擬電壓中斷事故。圖7（a）模擬直流配電網母線電壓，1～6 s采用切除負載來模擬2次電壓波動；第7 s采用切斷并網變流器來模擬電壓中斷；第9 s采用2組負荷同時切除來模擬電壓暫降。圖7（b）為混合儲能并網運行后的母線電壓。通過對比混合儲能介入前后的母線電壓曲線可以看出，母線電壓波動在±0.1 pu范圍內，表明混合儲能能夠對直流系統產生的各種電壓問題起到很好的抑制作用。

圖7 母線電壓運行仿真結果

3.3 蓄電池并網運行仿真分析

蓄電池的運行狀態如圖8所示。可以看出，當直流母線出現電壓波動等問題時，蓄電池能夠快速精準地跟蹤母線電壓波動，補償配電網的功率差額，表明所提出的控制策略具有良好的動態響應性。蓄電池經過10 s的連續運行后，SOC降低了不到0.002%，由此可以計算得出穩態狀況下蓄電池能夠持續支撐電壓超過40 h，因此所選蓄電池容量能夠滿足系統長期不間斷工作的需求。

圖8 蓄電池運行仿真

3.4 超級電容并網運行仿真分析

圖9給出了超級電容運行的電壓和電流波形。在1～5 s內，由于母線電壓波動較小，根據式（4）的結果可判斷超級電容在電壓快速變化的初期出現小幅波動。經多次仿真發現：此類現象主要是由于采樣周期選取較大所致，將采樣周期變小后，超級電容誤動作的幾率降低，但減小采樣周期會增加系統的通信成本。第6～10 s出現電壓中斷和電壓暫降故障時，超級電容迅速響應，對電網進行快速補償。從圖中可以看出超級電容的暫態響應迅速，表明配電網受到較大沖擊時，系統能夠快速平抑母線電壓的波動，提高了直流配電網的故障穿越能力。

整個仿真過程表明：基于蓄電池-超級電容混合儲能的母線電壓分區控制策略能夠快速平衡配電網功率差額，具有良好的動態響應性。蓄電池和超級電容的容量均可滿足電網的要求。

4 結論

針對直流配電網對平抑母線電壓波動的需求，提出了一種基于蓄電池-超級電容混合儲能的母線電壓分區控制策略。仿真結果表明：

（1）提出的控制策略具有良好的動態響應性，能夠實時平衡配電網功率差額。

圖9 超級電容運行仿真

（2）蓄電池只有恒流充放電和下垂控制2種工作模式，避免了在多種工作模式下的頻繁切換，有利于延長設備的使用壽命。

（3）超級電容根據電壓變化速率平抑母線電壓的暫態變化功率，提高了系統的故障穿越能力。

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（本文編輯：方明霞）

An Improved Control Strategy for Voltage Partitioning of DC Power Distribution Network Based on Hybrid Energy Storage

YANG Lixing，HAO Sipeng，YAN Xiaojie，HUANG Kun
（School of Electric Power Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China）

In order to improve power quality of DC power distribution network，this paper presents a bus voltage partitioning control strategy based on hybrid battery and super capacitor energy storage for six-interval segmentation of bus voltage.The integration point adopts constant voltage control strategy.The battery is used to stabilize the power shortage in the case of small voltage fluctuation，and the super capacitor is used to compensate power shortage in the case of drastic bus voltage changes.Finally，it is demonstrated through Matlab/Simulink that the proposed control strategy can effectively switch and maintain bus voltage stability in all sections.

DC distribution network；super capacitor；hybrid energy storage；power quality

10.19585/j.zjdl.201706005

1007-1881（2017）06-0020-06

TM712；TM721.1

A

2017-03-20

楊李星（1991），男，碩士研究生，從事直流配電網研究。