含有混合儲能的微電網控制策略研究

趙永來

(國網遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧 沈陽 110003)

為滿足能源利用可持續發展戰略的需求，近些年來可再生能源發電技術得到極大關注并取得了一定的進展[1]。由于新能源的特殊性，因此這類電源的接入會給系統運行的穩定性及供電可靠性帶來一定的負面影響[2-3]。在微電網運行時，常將柴油發電機、微型燃氣輪機、燃料電池等輸出功率穩定且容量較大可控型微電源對系統進行調節，用來維持系統電壓與頻率穩定。出于經濟成本考慮，采用控制靈活、便捷的儲能裝置來平抑微電網系統功率波動目前是一項最佳選擇[3-7]。通過調節儲能裝置功率輸入輸出，可以在一定程度上抑制系統功率的波動性和非預測性，實現微網穩定可靠運行。

然而多種間歇性非可控微電源和可控型微電源的接入，對微電網的運行與控制提出巨大的挑戰。如何提高微電網的供電質量和并網運行的可調度性已成為當今一項重要課題[8-12]。近些年國內外一些文獻對微網的運行與控制采用下垂控制方式，但是在孤島運行時各分布式電源功率不能得到合理分配，動態過程中容易產生較大的功率振蕩、系統控制環控制參數復雜、可控微源切換過程中的功率缺額以及并網離網運行模式下平穩過渡系統穩定性問題都是有待于解決的。

本文將基于超級電容器與蓄電池的混合儲能系統并聯在微電網上，采用模糊滑模控制方式對混合儲能裝置進行控制，通過仿真驗證該方法具有優越性，從而使微網得到更為精確的控制。

1 微電網系統基本原理

1.1 微電網結構

微電網由非可控型微源風力發電機(Wind)、光伏電池(PV)和可控型微源柴油發電機(DE)、微型燃氣輪機(MT)、燃料電池(FC)以及混合儲能裝置(超級電容器與蓄電池)組成。每個微源通過變流器與母線聯接并與相應的負荷并聯，微電網通過PCC點與大電網連接。含混合儲能系統的微電網結構如圖1所示。

圖1 含混合儲能的微電網結構

1.2 微電網電源控制方式

微電網在并網運行時，將光伏電池和風力發電機作為主電源為電網和負荷供電，可控型微源柴油發電機、微型燃氣輪機、燃料電池與微網斷開。光伏電源與風力機均采用PQ控制方式。由于并網時非可控型微源輸出功率具有波動性，從減少充放電次數和提高使用壽命的角度考慮，將超級電容器與蓄電池組成的混合儲能系統，采用下垂控制方式來實現平抑微電網的功率波動，從而提高微電網并網的電能質量。

微電網在離網運行時，將可控型微源作為微網主電源，采用VF控制維持微電網電壓和頻率穩定，此時非可控型微源與微網斷開。根據負荷需求在投切可控型微源時會產生功率波動，由于超級電容器功率因數較大，因此采用超級電容器來平抑可控微源投切過程中的功率波動，蓄電池通過充放電用來維護系統整體性能的穩定。此時儲能裝置采用下垂控制方式。具體的控制結構框圖如圖2—圖4所示。

圖2 PQ控制結構框圖

圖3 VF控制結構框圖

圖4 下垂控制結構

2 混合儲能系統控制策略

由于超級電容器與蓄電池功能特性具有互補性，采用合理的控制方式不僅降低投資成本，更能有效提高系統的穩定性[13]。微電網在并入電網時，采用混合儲能裝置共同投入運行；微電網在脫離大電網或者投切負荷時，投入超級電容器進行平波，蓄電池主要用作離網時主要電源。

2.1 儲能裝置逆變器控制方式

滑模變結構控制是一種解決非線性控制問題的魯棒控制方法，主要用于處理建模的不精確性。但變結構控制系統由于開關切換、系統故障等非理想因素的影響，使滑動模態容易產生高頻抖振[14-15]。介于模糊控制和滑模控制優缺點以及相關性，本文將二者組合成模糊滑模控制器應用到混合儲能裝置中，其控制結構框圖如圖5所示。

采用滑模控制可以克服參數不確定性和外部干擾。根據以往經驗設計模糊控制器，采用模糊控制方式可以減輕滑模控制的抖振問題。一個閉環模糊滑動模式控制器如圖6所示。該控制器可以使有功和無功功率保持恒定輸出。該模糊滑模控制算法就是通過滑模控制器對誤差和誤差變化率進行切換，同時對切換函數和切換函數微分進行模糊化，經過模糊推理和解模糊化后，最后經過模糊控制器得到輸出控制量u，并對控制對象進行控制。

圖5 混合儲能裝置逆變器控制結構

圖6 模糊滑模控制器控制結構

(1)

鎖相環PLL通過相位角將逆變器輸出電壓與電網電壓保持同步，其目的使系統電流誤差保持最低并合成的電壓的校正矢量。誤差電流定義如式(2)所示。

(2)

母線三相dq軸電流誤差e(t)以及誤差的變化率de(t)如式(3)所示。其采樣時間T=1 ms。

(3)

切換函數s(k)的設計見式(4)：

(4)

采用比例切換控制方法并滿足滑動模態存在條件進行控制器設計，控制器設計見式(5)：

u=(α|e(t)|+βde(t))·sgn(s(t))

(5)

控制變量u是根據模糊控制規則設計的。令s(t),ds(t)為模糊變量并作為模糊控制器的輸入。模糊變量Δu作為模糊控制器的輸出。根據模糊控制理論，模糊集設計如下所示：

s={NB,NS,ZO,PS,PB};

ds={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB};

Δu={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}

其中模糊變量s(t),ds(t)，Δu的模糊論域為[-1，1]。模糊變量采用三角型隸屬函數。根據以往經驗設計有功功率無功功率控制的模糊控制規則庫如表1、表2所示。

表1 電流有功誤差Δid輸入模糊規則

表2 電流無功誤差Δiq輸入模糊規則

2.2 儲能裝置DC/DC變流器控制方式

本文混合儲能裝置控制框圖如圖7所示。超級電容器和蓄電池分別采用DC/DC變流器進行控制，從而使超級電容器和蓄電池充放電以及相互切換控制更具有靈活性，而且儲能裝置在放電時通過對高壓側的控制，有利于保持直流母線電壓的穩定。在儲能容量的配置方面，微電網在并網離網運行以及相互切換過程中，儲能容量只需保證微電網重要負荷正常供電即可。

圖7 混合儲能裝置控制框圖

由于占空比d由開關管的通斷時間決定，因此通過控制開關管的通斷時間即可實現能量雙向傳輸控制。外環電流參數是由母線功率差值PH經過低通濾波器進行功率分配，并經過PI運算得到。

3 微電網負荷投切及相互切換控制

微電網運行過程中主要經歷并網、離網、負荷投切以及平滑切換幾個狀態，因此采用合理有效的控制方式對微電網穩定運行是至關重要的，本文具體控制策略設計如下。

a. 微電網并網運行時非可控型微源采用PQ控制，可控微源斷開。此時蓄電池和超級電容器同時對微電網進行充放電，并根據系統波動功率的合理分配對混合儲能裝置變流器進行協調控制，以實現并網功率接近目標值。

b. 在系統投切負荷或由并網向離網狀態切換過程中，采用超級電容器進行放電來迅速填補微電網功率缺額。通過調節DC/DC變流器來實現直流母線電壓穩定。將PCC點斷開瞬間電網的電壓和頻率值作為混合儲能裝置VF控制的參考電壓和參考頻率，從而減小混合儲能裝置的投入對微電網產生的沖擊影響。

c. 微電網在離網運行時可控制微源采用VF控制策略，非可控微源斷開。微電網由離網切換到并網時所產生的沖擊電流，主要由微電網與電網之間的電壓偏差和相角偏差綜合決定的，而與頻率差關系較小。因此在并網前須通過預同步控制將電壓和相角調到與電網基本一致，從而減小并網合閘時產生的沖擊，本文采用直接調整主電源VF控制的參考電壓和參考頻率的方式進行預同步控制。經過調整，微電網與配電網關系如下可進行并網:

(6)

式中：ug和u分別為電網和微電網電壓幅值；un為額定電壓幅值。

4 算例仿真分析

4.1 仿真模型及參數

根據圖1所示的微電網結構，本文運用Matlab/Simulink 軟件搭建含有混合儲能系統的微電網仿真模型，其仿真模型如圖8所示。

該微電網仿真模型主要參數設置如下：非可控型微源光伏系統PV容量為150 kW，風力發電系統WT容量為150 kW；可控型微源燃氣輪機MT容量為40 kW，柴油機DE容量為70 kW, 燃料電池FC容量為60 kW；混合儲能裝置蓄電池Bat(Battery)容量為160 kW，超級電容器SC(Supercapacitor)容量為80 kW；交流母線額定電壓 550 V,系統頻率50 Hz。

圖8 含有混合儲能系統微電網仿真模型

4.2 微電網運行仿真分析

某地區微電網系統中雙饋風機和光伏電池全天輸出有功波動功率如圖9、圖10所示。微電網在并網運行時主要由非可控型微源為電網和負荷供電，采用混合儲能裝置來平抑微電網系統波動功率，此時混合儲能裝置(見圖7)將開關K1斷開，K2、K3閉合。混合儲能裝置逆變器分別采用常規控制和模糊滑模控制的風光并網功率對比曲線如圖11所示，其中Pwave為風電和光伏疊加輸出總功率，Pgrid-C為采用常規控制風光并網總功率，Pgrid-H為采用模糊滑模控制風光并網總功率。可以看出采用模糊滑模控制較常規控制具有較好的平滑效果。圖12為微電網并網運行時混合儲能裝置充放電功率，實現了蓄電池平抑高頻波動功率，超級電容器平抑低頻波動功率，使儲能單元得到合理的應用。

圖9 雙饋風機全天輸出波動功率

圖10 光伏電池全天輸出功率

圖11 混合儲能裝置采用常規和模糊滑模控制風光并網功率對比曲線

微電網在離網運行時將可控制微源作為主電源對系統提供支撐，非可控型微源斷開。采用VF控制策略跟蹤系統變化。圖13為某地全天負荷曲線，根據該負荷曲線逐步投入可控型微源柴油機DE、微源燃氣輪機MT、燃料電池FC來補充負荷功率需求。可控微源全天有功功率如圖14所示。在17 h時可控制微源同時切斷，微源在投入初始階段和切斷最后階段都會對系統產生沖擊，嚴重影響系統穩定性，因此采用功率因數較大的超級電容器來平抑此階段系統的波動功率，此時混合儲能裝置(見圖7)將開關K1閉合，K2、K3斷開。蓄電池在(19-24-3)h處于放電狀態，主要用于非重要負荷供電，其余時間段處于充電狀態，在17 h時由于功率波動較大，超級電容器和蓄電池共同放電。其超級電容器與蓄電池離網波動功率曲線如圖15所示，圖16為含有混合儲能、負荷及可控型微源的微電網在離網狀態下全天的有功功率。微電網在離網狀態下母線頻率及電壓如圖17、圖18所示。國網規定電網裝機容量在300萬kW以下的，系統頻率偏差范圍為±0.5 Hz，10 kV及以下三相供電電壓允許偏差為標稱系統電壓的±10%。該控制策略下系統頻率和電壓均在國網規定的范圍內，進一步驗證了采用模糊滑模控制策略的有效性。

圖13 某地全天負荷曲線

圖14 可控微源全天有功功率

圖15 超級電容器與蓄電池離網波動功率曲線

圖16 含有混合儲能可控微源離網全天有功功率

圖17 離網系統母線頻率

圖18 離網系統母線電壓

微電網模式切換是一個極其重要的過程，直接關系到系統的穩定狀態。微電網運行模式切換前期，光伏電源和風力機采用PQ控制方式，在系統切換以后采用VF控制方式。微電網接入電網到脫離電網時，微電網的電壓和頻率均跌落后趨穩。投切過程中電壓過渡比較平穩。由圖19—圖23可知，微電網由并網狀態在第2.095 s切換到離網狀態，以及在6.095 s離網狀態切換到并網狀態運行時，由于微電網存在功率缺額，切換瞬間母線電壓和頻率均發生跌落，但隨后迅速回升，主要是由于混合儲能中的超級電容在切換后迅速響應出力，及時填補了功率缺額。圖24為超級電容器與蓄電池在系統平滑切換過程功率波動曲線。

圖19 并網轉孤島母線三相電壓

圖20 孤島轉并網母線三相電壓

圖21 并網轉孤島母線頻率

圖22 孤島轉并網母線頻率

圖23 微電網系統平滑切換母線頻率

圖24 超級電容器與蓄電池在系統平滑切換過程功率波動曲線

5 結論

a. 將基于超級電容器和蓄電池組合成混合儲能系統應用到微電網中，克服了單一儲能的缺陷，提高儲能裝置的使用壽命，降低了投資成本，并且更有利于提高系統的穩定性。

b. 根據以往經驗為混合儲能裝置逆變器設計模糊滑模控制器，并將其應用到含有混合儲能系統的微電網中，通過具體算例驗證了該控制算法的有效性。

c. 該控制算法不僅可以實現平抑微網并網、離網以及投切負荷時的波動功率，而且能夠實現系統不同模式的平滑切換。使微電源在投切過程中產生的沖擊較小限制到合理范圍內，從而使系統的穩定性得到提高，進一步驗證該控制策略具有較強的魯棒性。

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