基于孤島模式下V/f控制的微電網(wǎng)系統(tǒng)研究

孟杰，丁泉，黃超

(國電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京 210032)

基于孤島模式下V/f控制的微電網(wǎng)系統(tǒng)研究

孟杰，丁泉，黃超

(國電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京 210032)

介紹了鉛酸蓄電池的經(jīng)典一階模型及充放電電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并分別研究了有功和無功功率(PQ)源和V/f源儲(chǔ)能系統(tǒng)下雙向變流器的控制方式。結(jié)合西藏尼瑪縣可再生能源局域網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目背景，針對(duì)初期西藏尼瑪縣現(xiàn)場(chǎng)V/f源因過充或過放導(dǎo)致微電網(wǎng)潰網(wǎng)情況，提出一種基于孤島模式下儲(chǔ)能蓄電池的荷電狀態(tài)SOC(State of Charge)穩(wěn)定的控制策略，即控制V/f源下的蓄電池SOC在閾值附近小幅度波動(dòng)，從而保持蓄電池小功率的充放電。基于EMTDC/PSCAD軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)果表明了該控制策略的有效性，為孤島模式下微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了一種很好的解決方案。

鉛酸蓄電池；經(jīng)典一階模型；V/f源儲(chǔ)能系統(tǒng)；PQ源儲(chǔ)能系統(tǒng)；電池荷電狀態(tài)

1 可再生能源儲(chǔ)能概況

隨著風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等綠色能源技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)了儲(chǔ)能技術(shù)的迅速發(fā)展。儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠快速提供有功功率，增強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)頻和調(diào)峰的能力，減小負(fù)荷峰谷差；同時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)能大規(guī)模地儲(chǔ)存電能，可以在用電高峰、晚間或陰雨天氣下保證負(fù)荷正常工作。

西藏尼瑪縣可再生能源局域網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目主要由華電集團(tuán)援建，國電南京自動(dòng)化股份有限公司承建，主要由光伏發(fā)電、柴油發(fā)電、儲(chǔ)能有功和無功功率(PQ)源和儲(chǔ)能V/f源組成。由于目前大電網(wǎng)還沒有覆蓋西藏尼瑪縣城，需依靠儲(chǔ)能V/f源為微電網(wǎng)提供穩(wěn)定的頻率和電壓。初期尼瑪光伏系統(tǒng)運(yùn)行中常出現(xiàn)潰網(wǎng)問題，主要原因是V/f源過充或過放引起的，尼瑪微電網(wǎng)項(xiàng)目的V/f源穩(wěn)定是解決潰網(wǎng)的方法之一，通過優(yōu)化控制策略在保證母線電壓和頻率穩(wěn)定的同時(shí)并維持儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)SOC(State of Charge)在一定范圍內(nèi)，保持蓄電池小功率的充放電。當(dāng)尼瑪縣城負(fù)載功率變化時(shí)，只進(jìn)行光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能PQ源和柴油發(fā)電系統(tǒng)相應(yīng)的功率調(diào)節(jié)。并在此思路上基于EMTDC/PSCAD軟件進(jìn)行仿真，結(jié)果表明該控制策略能有效解決微電網(wǎng)潰網(wǎng)問題，同時(shí)延長了蓄電池的壽命。

2 鉛酸蓄電池充放電控制器優(yōu)化

文獻(xiàn)[1]針對(duì)鉛酸蓄電池研究了兩階段脈沖充電模式，并在充分考慮了充電時(shí)間、溫度、開關(guān)頻率和脈沖周期對(duì)蓄電池的影響下提出一種快速充電方法。文獻(xiàn)[2]研制了多路電池組的充放電變換器，實(shí)現(xiàn)電池組間相互充放電的功能，能夠適用于寬范圍電壓的場(chǎng)合。本文針對(duì)西藏尼瑪縣可再生能源局域網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目運(yùn)行初期經(jīng)常潰網(wǎng)的情況，提出基于穩(wěn)定V/f源儲(chǔ)能蓄電池的SOC的控制策略，即當(dāng)蓄電池的SOC增大或減小到某個(gè)閾值附近時(shí)，儲(chǔ)能V/f源不再和外部進(jìn)行大功率的能量轉(zhuǎn)換，只保持小功率的充放電。儲(chǔ)能系統(tǒng)主電路如圖1所示。

2.1 鉛酸蓄電池經(jīng)典一階模型

文獻(xiàn)[3-4]中Massimo Ceraolo提出鉛酸蓄電池的三階動(dòng)態(tài)模型主要包含2部分：主反應(yīng)支路和寄生反應(yīng)支路。主反應(yīng)支路主要用于描述電池端電壓變化情況，寄生支路用于描述電池內(nèi)部的水解和析氣反應(yīng)情況。經(jīng)典一階模型是在三階動(dòng)態(tài)模型基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化了三階模型中的寄生反應(yīng)支路，電氣模型如圖2所示。

圖2中E0為可控電壓源，主要受電池端的初始電壓、內(nèi)部溫度及當(dāng)前的荷電狀態(tài)影響，R1和C1分別為蓄電池的極化電阻和極化電容，R2為電解質(zhì)濃度等效電阻，R0為內(nèi)阻。

(1)

式(1)中：Em0為鉛酸電池的初始電壓，KE為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，T為電池內(nèi)部溫度，SOC為當(dāng)前荷電狀態(tài)。

(2)

(3)

式(2)，(3)中：Q0為蓄電池的初始容量。Qt表示電池消耗的能量，為充放電電流im對(duì)時(shí)間t的積分，放電時(shí)Qt逐漸增大；充電時(shí)，電流反向，Qt逐漸減小。

2.2PQ源儲(chǔ)能蓄電池充放電電路模型

蓄電池工作時(shí)，需雙向DC-DC電路對(duì)其進(jìn)行充放電。文獻(xiàn)[5]介紹了目前雙向DC-DC電路常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有兩大類：隔離型和非隔離型。其中非隔離型拓?fù)潆娐芬蛐矢吆统杀镜偷葍?yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。雙向BUCK-BOOST拓?fù)潆娐酚兄Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和器件數(shù)量少等優(yōu)點(diǎn)，故本文蓄電池的充放電電路選擇BUCK-BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。蓄電池工作在BUCK電路下時(shí)，相當(dāng)于降壓變換器，光伏發(fā)電系統(tǒng)等外部能源可對(duì)蓄電池進(jìn)行充電；工作在BOOST電路下時(shí)，相當(dāng)于升壓變換器，蓄電池對(duì)外部負(fù)荷供電。

圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)主電路

圖2 鉛酸蓄電池一階模型

PQ源儲(chǔ)能系統(tǒng)的蓄電池可以采用兩階段充電模式：當(dāng)SOC較小時(shí)，采用單電流環(huán)控制策略，保證蓄電池快速的充電；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到SOC達(dá)到設(shè)定值時(shí)，此時(shí)蓄電池端電壓有明顯的升高，系統(tǒng)切換至恒壓充電。蓄電池放電時(shí)，采用恒電流控制。具體的放電和充電控制策略如圖3、圖4所示。

圖3 蓄電池放電時(shí)的控制策略

圖4 蓄電池充電時(shí)的控制策略

蓄電池放電時(shí)，如圖3所示，采取恒流控制，Iref2為設(shè)定的放電電流參考值，和實(shí)際檢測(cè)到的電流比較后進(jìn)入PI控制器，得到的信號(hào)和載波比較后生成開關(guān)管導(dǎo)通信號(hào)。電池充電時(shí)一般采取兩階段充電模式，如圖4所示。SOC比較低時(shí)，采用大電流充電，Iref1為設(shè)定的充電電流參考值，和實(shí)際檢測(cè)到的電流信號(hào)比較后進(jìn)入PI控制器；SOC比較高時(shí)，需采用恒壓充電，Uref為設(shè)定的充電電壓參考值，與實(shí)際檢測(cè)到的端電壓信號(hào)比較后進(jìn)入PI控制器。Option Switch根據(jù)檢測(cè)到的SOC值大小判斷是否進(jìn)行恒流充電或恒壓充電。

2.3 基于V/f源SOC穩(wěn)定的控制策略

西藏尼瑪縣可再生能源局域網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目運(yùn)行初期，因天氣變化或縣城負(fù)載突變導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)V/f源儲(chǔ)能蓄電池常發(fā)生過充或過放情況，從而導(dǎo)致微電網(wǎng)潰網(wǎng)。針對(duì)該現(xiàn)象本文提出一種基于孤島模式下儲(chǔ)能蓄電池的SOC穩(wěn)定的控制策略，即維持V/f源下的蓄電池SOC在閾值附近小幅度波動(dòng)，從而保持蓄電池小功率的充放電，當(dāng)天氣變化或負(fù)載突變時(shí)，能量管理系統(tǒng)后臺(tái)對(duì)其他能源進(jìn)行調(diào)度，V/f源不參與大功率流動(dòng)。V/f源儲(chǔ)能系統(tǒng)蓄電池為了維持SOC的穩(wěn)定，需增加開關(guān)監(jiān)測(cè)SOC大小且在設(shè)定的SOC閾值點(diǎn)進(jìn)行充放電路的切換，具體的控制策略如圖5所示。

圖5中，Ic和Ubat是蓄電池充電電路采集到的電流和電壓信號(hào)，Iref1和Uref為相應(yīng)的參考值，實(shí)際采樣到的信號(hào)和參考值比較后進(jìn)入PI控制器，通過Option Switch 1檢測(cè)SOC大小來選擇恒流充電或恒壓充電。If是電路中采集到的放電電流信號(hào)，Iref2是放電電流參考值，兩者相比較后進(jìn)入PI控制器，通過Option Switch 2對(duì)蓄電池的SOC進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)SOC值達(dá)到閾值附近時(shí)進(jìn)行充放電的切換，以保持蓄電池小功率的充放電。

圖6 三相電壓型雙向變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖5 蓄電池充放電控制策略

3 孤島模式下雙向變流器模型

微電網(wǎng)中的多數(shù)電源需要通過相應(yīng)的變流裝置實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，目前雙向變流裝置最常用的有2種：電流源型和電壓源型。電流型變流器的主要特點(diǎn)是直流環(huán)節(jié)采用電感作為儲(chǔ)能元件，保證直流側(cè)電流穩(wěn)定；電壓型變流器的主要特點(diǎn)是直流中間環(huán)節(jié)采用大電容作為儲(chǔ)能元件，保證直流側(cè)電壓穩(wěn)定。本文以常用的電壓源型雙向變流器為研究對(duì)象，其主電路拓?fù)淙鐖D6所示。

圖6中，三相全橋直流側(cè)并聯(lián)大電容，交流側(cè)電流和電壓經(jīng)過濾波電路后并入母線。濾波器可以濾除變流器輸出電壓中的諧波分量，從而改善電能質(zhì)量。

變流器的低頻數(shù)學(xué)模型是基于基波分析，忽略了開關(guān)頻率所引起的高次諧波，文獻(xiàn)[6]在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)假設(shè)：電網(wǎng)三相電壓平衡；三相電感和電容參數(shù)相同，且都為理想元件；忽略開關(guān)器件的死區(qū)時(shí)間。電網(wǎng)電壓可以表示為

(4)

式(4)中：Um為電網(wǎng)相電壓的幅值，若電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流同頻同相，此時(shí)電流可以表示為

(5)

式(5)中：Im為并網(wǎng)相流的幅值，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，雙向變流器在abc坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程表示為

式(6)中：電感L=L1+L2，為了便于分析和設(shè)計(jì)，對(duì)其進(jìn)行dq變換，dq變換和反變換矩陣狀態(tài)方程表示為

(7)

(8)

3.1PQ源儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器研究

分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的類型不同，其變流器在微電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)的功能也不同。目前變流器的控制方法主要有恒功率控制(PQ控制)和恒壓恒頻控制(V/f控制)2種。

采用恒功率控制，可以根據(jù)外界功率需求設(shè)定變流器的有功功率和無功功率參考，從而達(dá)到供需平衡。采用恒功率控制的儲(chǔ)能系統(tǒng)需電網(wǎng)或其他能源來維持系統(tǒng)的頻率和電壓。恒功率控制策略如圖7所示。

圖7 變流器恒功率控制框圖

圖7中，Pref和Qref分別為有功功率和無功功率的參考值；Pu和Qu分別為采樣到的有功功率和無功功率的實(shí)際值；id和iq分別為坐標(biāo)變換后并網(wǎng)點(diǎn)的電流。恒功率控制器結(jié)構(gòu)可以分為2個(gè)環(huán)節(jié)：外環(huán)功率控制環(huán)節(jié)和內(nèi)環(huán)電流控制環(huán)節(jié)。外部環(huán)節(jié)中，根據(jù)設(shè)定的變流器輸出或輸入功率參考值和實(shí)際值進(jìn)行比較，比較后的誤差進(jìn)入PI控制器，得到內(nèi)環(huán)控制的電流參考值。內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)采用dq坐標(biāo)變換，將坐標(biāo)變換的電流信號(hào)和之前得到的電流參考值進(jìn)行比較，對(duì)所得誤差進(jìn)行PI控制，并通過電壓前饋補(bǔ)償和交叉耦合補(bǔ)償，得到的電壓信號(hào)進(jìn)入坐標(biāo)反變換器中，生成三相電壓控制信號(hào)。

3.2V/f源儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器研究

V/f源控制的目的是不論外部功率如何變化，變流器所接交流母線的電壓幅值和頻率保持不變。其中，電壓控制器調(diào)節(jié)分布式能源的無功功率，使系統(tǒng)電壓和設(shè)定的參考值相等；頻率控制器調(diào)節(jié)分布式能源的有功功率，使系統(tǒng)輸出頻率和設(shè)定的參考值相等。實(shí)際中，V/f儲(chǔ)能系統(tǒng)容量有限，只能提供有限的有功功率和無功功率支撐，因此需要提前估算系統(tǒng)中負(fù)荷和能源之間的功率匹配。V/f源變流器控制策略如圖8所示。

圖8 變流器恒頻恒壓控制策略框圖

圖8中采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)解耦的雙閉環(huán)控制，其中頻率控制是通過頻率參考值和初始相位角產(chǎn)生微電網(wǎng)的參考電壓，進(jìn)而通過鎖相環(huán)來參與坐標(biāo)變換與反變換過程來產(chǎn)生三相電壓的調(diào)制波，最終和載波進(jìn)行比較生成控制開關(guān)管的導(dǎo)通信號(hào)。

4 孤島模式下微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真

在EMTDC/PSCAD中搭建了如圖9所示的微電網(wǎng)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，分別對(duì)V/f源和PQ源控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。表1為單體鉛酸蓄電池性能參數(shù)。

圖9 微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真電路

項(xiàng)目參數(shù)電池型號(hào)LEOCHLP2-1．2AH額定電壓/V12．0額定容量/(A·h)1．2放電截止電壓/V10．8充電截止電壓/V13．5最大放電電流/A18

本文采用34個(gè)12V鉛酸蓄電池單體串聯(lián)，組成電池儲(chǔ)能單元，額定電壓為410V。

如圖9所示，系統(tǒng)母線連接V/f源、PQ源和負(fù)載，母線額定電壓為0.41kV，負(fù)載大小為0.1MW+j0.01MV·A，儲(chǔ)能蓄電池的SOC初始值為1.0。設(shè)定維持V/f源的儲(chǔ)能蓄電池SOC穩(wěn)定的閾值為0.8，仿真波形如圖10、圖11、圖12、圖13所示。

圖10 交流母線電壓有效值仿真波形(截圖)

圖11 系統(tǒng)頻率仿真波形(截圖)

圖12 系統(tǒng)A相電壓和電流仿真波形(截圖)

圖13 蓄電池SOC仿真波形(截圖)

V/f源儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器經(jīng)dq坐標(biāo)變換后q軸電壓逐漸穩(wěn)定在參考值0.4kV附近，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在50Hz，蓄電池的SOC由初始值1.0下降到0.8時(shí)，逐漸穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

本文對(duì)鉛酸蓄電池經(jīng)典一階模型和充放電拓?fù)潆娐愤M(jìn)行了介紹，針對(duì)西藏尼瑪縣可再生能源局域網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目的V/f源因過充或過放出現(xiàn)潰網(wǎng)現(xiàn)象，研制了能夠穩(wěn)定V/f源蓄電池SOC的控制器，并給出了V/f源、PQ源和負(fù)載存在下的微電網(wǎng)仿真波形，仿真結(jié)果表明本文研制的蓄電池充放電控制器具有穩(wěn)定蓄電池SOC功能，讓其小功率的充放電，保證了微電網(wǎng)的穩(wěn)定工作，延長了蓄電池的使用壽命。

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(本文責(zé)編：劉炳鋒)

廣 告 索 引

鄭州光力科技股份有限公司

(封面)

北京新世翼節(jié)能環(huán)保科技股份有限公司

(封二)

華電技術(shù)

(封三)

鄭州科潤機(jī)電工程有限公司

(封底)

南京蘇夏工程設(shè)計(jì)有限公司

(前插1)

青島捷能汽輪機(jī)集團(tuán)股份有限公司

(前插2)

山東恒濤節(jié)能環(huán)保有限公司

(前插3)

青島高遠(yuǎn)熱能動(dòng)力設(shè)備有限公司

(前插4)

上緯新材料科技股份有限公司

(前插5)

華電重工股份有限公司(跨版)

(前插6，7)

鄭州科源耐磨防腐工程有限公司(跨版)

(前插8,9)

華電重工股份有限公司

(目次頁右)

遼寧鴻盛環(huán)境技術(shù)集團(tuán)有限公司

(中插1)

大唐南京環(huán)保科技有限責(zé)任公司

(中插2)

長沙開元儀器股份有限公司

(中插3)

南京大自然環(huán)境科技有限公司(跨版)

(中插4,5)

華電環(huán)保系統(tǒng)工程有限公司(跨版)

(中插6,7)

江蘇法爾機(jī)械制造有限公司

(中插8)

南京圣諾熱管有限公司

(后插1)

華東理工大學(xué)上海華昌聚合物有限公司

(后插2)

2017-06-22；

2017-07-28

TP 23

A

1674-1951(2017)08-0001-05

孟杰(1986—)，男，江蘇南京人，工程師，工學(xué)碩士，主要從事分布式能源及微電網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品與技術(shù)研發(fā)工作(E-mail:mj-jie.meng@sac-china.com)。

丁泉(1979—)，男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化相關(guān)技術(shù)的研發(fā)與管理工作(E-mail:quan-ding @sac-china.com)。

黃超(1991—)，女，江蘇南京人，工學(xué)碩士，主要從事分布式能源及微電網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品與技術(shù)研發(fā)工作(E-mail:hc-chao.huang@sac-china.com)。