微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制策略研究

潘 豐，程凡華，駱 聰，簡(jiǎn) 好

(國(guó)網(wǎng)潛江供電公司 , 湖北 潛江 433100)

以風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能蓄電池等分布式電源(distributed generation，DG)組成的微電網(wǎng)發(fā)展迅速，但DG的隨機(jī)性、間歇性直接影響微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。尤其是儲(chǔ)能系統(tǒng)(energy storage system，ESS)作為微電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)[1-2]，如何實(shí)現(xiàn)其容量和功率的合理配置,利用電力電子器件的合理通斷平衡母線(xiàn)側(cè)與負(fù)荷側(cè)的功率差額以及微電網(wǎng)的穩(wěn)定性等方面有待于更深入的探討[3-4]。

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池和超級(jí)電容優(yōu)良的充放電控制策略對(duì)微電網(wǎng)可靠運(yùn)行意義重大。文獻(xiàn)[5-6]分析了微電網(wǎng)孤島模式下通過(guò)逆變器控制實(shí)現(xiàn)交流母線(xiàn)電壓和頻率的穩(wěn)定，并未考慮到混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制；文獻(xiàn)[7]依據(jù)蓄電池電流計(jì)算出超級(jí)電容電流實(shí)現(xiàn)兩者對(duì)直流母線(xiàn)側(cè)負(fù)荷的集中補(bǔ)償，直流母線(xiàn)電壓無(wú)法快速穩(wěn)定；文獻(xiàn)[8-10]通過(guò)超級(jí)電容補(bǔ)償高頻功率分量、蓄電池補(bǔ)償?shù)皖l功率分量，但兩者無(wú)法分時(shí)分段獨(dú)立控制，未有效減小儲(chǔ)能電源充放電次數(shù)；文獻(xiàn)[11]提出了一種基于多滯環(huán)電流控制的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)混合控制方法，忽略了電容瞬時(shí)充電電流過(guò)大以及蓄電池荷電狀態(tài)限值對(duì)控制效果的影響；文獻(xiàn)[12]假定光伏DG輸出功率和負(fù)荷功率波動(dòng)時(shí)不影響直流母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定。

由此可見(jiàn)，當(dāng)前研究只是單一的考慮超級(jí)電容、蓄電池以及逆變器控制來(lái)實(shí)現(xiàn)直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定，而對(duì)于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中各儲(chǔ)能單元間的配合關(guān)系及如何實(shí)現(xiàn)充放電優(yōu)化控制等缺乏進(jìn)一步研究。本文在依據(jù)微電網(wǎng)容量配置合理功率的超級(jí)電容和蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)下，提出了一種基于直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制策略，即在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)外部、內(nèi)部功率平衡約束下，充分利用超級(jí)電容快充特性、蓄電池的續(xù)沖特性協(xié)調(diào)配合，同時(shí)以超級(jí)電容電壓和蓄電池的荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)為判斷條件，來(lái)實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制模式間的平滑切換，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該控制策略的正確性、有效性。

1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)理

分布式電源通過(guò)單向直流變換器、基于超級(jí)電容和蓄電池的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)雙向直流變換器，將功率匯集到直流母線(xiàn)上，在穩(wěn)定直流母線(xiàn)電壓的同時(shí)平衡直流負(fù)荷功率需求。直流母線(xiàn)側(cè)存在功率差額時(shí)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)外部功率平衡控制補(bǔ)償功率差額，通過(guò)內(nèi)部功率平衡控制實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容工作電壓的穩(wěn)定和蓄電池的SOC及充放電次數(shù)。同時(shí)直流母線(xiàn)通過(guò)逆變器將功率輸出到微電網(wǎng)的公共交流母線(xiàn)，為微電網(wǎng)的本地負(fù)荷提供穩(wěn)定可靠的交流電源。由于本文主要針對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電控制展開(kāi)討論，只需考慮孤島模式下微電網(wǎng)直流母線(xiàn)側(cè)的功率平衡和電壓穩(wěn)定控制問(wèn)題，基于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。Ppv為光伏DG向直流母線(xiàn)輸出的有功功率；Pess為儲(chǔ)能DG向直流母線(xiàn)注入的有功功率；Pload為直流負(fù)荷功率。

圖1 基于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

將混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中超級(jí)電容等效為理想電容串聯(lián)內(nèi)阻的簡(jiǎn)化模型，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中Udc為直流母線(xiàn)電壓，ibat為蓄電池電流，isc為超級(jí)電容電流，iess為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)向直流母線(xiàn)側(cè)輸出電流，Ssoc為蓄電池荷電狀態(tài)，Usc為超級(jí)電容電壓。DC/DC1變換器始終工作于單端功率平衡模式，將PV(Photovoltaic)功率實(shí)時(shí)注入直流母線(xiàn)側(cè)，電感L1平抑Upv的波動(dòng)，混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)依據(jù)Ssoc、Usc和Udc判斷DC/DC2和DC/DC3工作于雙電平的降壓式變換電路(Buck)或者升壓式變換電路(Boost)。

在光伏DG輸出功率Ppv和負(fù)荷功率Pload不平衡時(shí)，引起直流母線(xiàn)側(cè)的功率差額ΔPdc=Ppv-Pload，ΔPdc≠0時(shí)啟動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)充放電控制平衡功率差額。當(dāng)ΔPdc>0時(shí)，Udc超過(guò)額定值，S31、VD32導(dǎo)通，變換器DC/DC3工作在Boost電路模式，對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，最終使得Udc降低到額定值附近；當(dāng)ΔPdc<0時(shí)，S32、VD31導(dǎo)通，變換器DC/DC3工作在Buck電路模式，超級(jí)電容和蓄電池通過(guò)DC/DC3對(duì)直流母線(xiàn)側(cè)放電補(bǔ)充直流母線(xiàn)側(cè)的功率缺額。

圖2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定控制

圖2中直流微電網(wǎng)不同DG之間功率滿(mǎn)足式(1):

Pess=Udciess=Pload-Ppv

(1)

又有Pess=Udciess=-ΔPdc，而且給定的Udc在同一工作模式下基本不變，則可認(rèn)為電流iess與Pess在不同工作模式呈現(xiàn)一定的線(xiàn)性關(guān)系。因此，只需混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠持續(xù)提供穩(wěn)定的充放電電流，就能保證直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在允許波動(dòng)的合理范圍內(nèi)。直流母線(xiàn)電壓與直流母線(xiàn)的功率差額表示為

Udc=Udc_ref-α(Pload-Ppv)

(2)

iess=β(Udc_ref-Udc)

(3)

假定光伏DG和負(fù)荷功率波動(dòng)時(shí)不影響直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定能夠快速穩(wěn)定，通過(guò)選擇合適的α和β，電流雙閉環(huán)反饋控制以及引入儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電電流限幅環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定控制，具體控制框如圖3所示。

圖3 基于電壓電流雙閉環(huán)的直流母線(xiàn)電壓控制框圖

2.2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)外部功率平衡控制

圖4 微電網(wǎng)系統(tǒng)功率平衡控制流程圖

圖5 基于外部功率平衡DC/DC3變換器動(dòng)作特性

(4)

2.3 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部功率平衡控制

圖6 基于內(nèi)部功率平衡DC/DC2變換器動(dòng)作特性

(5)

3 仿真分析

由圖7仿真結(jié)果可以看出：圖7(a)中光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率在t=0.5 s時(shí)由900 W跟隨光照強(qiáng)度變化降低到600 W，輸出電壓基本不變；圖7(b)中在0～0.15 s時(shí)間段混合儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)輸出，直流母線(xiàn)由于功率不平衡引起較大的波動(dòng)，但在0.15 s以后混合儲(chǔ)能系統(tǒng)快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償因t=0.5 s時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率和t=0.3 s時(shí)負(fù)載功率變化引起的直流母線(xiàn)側(cè)的功率缺額，使得直流母線(xiàn)電壓始終穩(wěn)定在200 V，驗(yàn)證了上述基于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)外部功率平衡控制策略的正確性及有效性。

(a)光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT相應(yīng)輸出波形

(b)直流母線(xiàn)電壓和儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出電流波形圖7 基于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的外部功率平衡控制仿真

由圖8仿真結(jié)果可以看出：圖8(a)中超級(jí)電容在負(fù)載突變及光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率突變時(shí)，快速充放電的同時(shí)電容電壓穩(wěn)定在70 V且小幅波動(dòng)；圖8(b)中蓄電池進(jìn)行吸收和釋放相應(yīng)的能量以彌補(bǔ)超級(jí)電容功率差額，荷電狀態(tài)始終穩(wěn)定在80%左右；圖8(c)中具有快充特性的超級(jí)電容彌補(bǔ)蓄電池不能快速放電和放電電流小的缺陷，二者互為補(bǔ)充，大大提升了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)速度，在穩(wěn)定直流母線(xiàn)電壓的同時(shí)實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部功率的平衡。

(a)儲(chǔ)能系統(tǒng)中超級(jí)電容電壓電流波形

(b)儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池電流和荷電狀態(tài)波形

(c)基于蓄電池-超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出電流波形圖8 基于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的內(nèi)部功率平衡控制仿真

4 結(jié)論

本文針對(duì)儲(chǔ)能蓄電池和超級(jí)電容的充放電特性，提出了一種適用于微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制策略，仿真結(jié)果如下。

a. 選定合適的直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定限值，有利于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)與直流母線(xiàn)功率的動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)了直流母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定控制。

b. 充分利用超級(jí)電容的快充特性，在實(shí)現(xiàn)蓄電池平滑充放電的同時(shí)減少了其充放電次數(shù)。

c. 以超級(jí)電容工作電壓和蓄電池的荷電狀態(tài)為控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中超級(jí)電容和蓄電池的內(nèi)部功率平衡。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王承民，孫偉卿，衣 濤，等．智能電網(wǎng)中儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用規(guī)劃及其效益評(píng)估方法綜述[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(7)：33-41．

[2] 李碧輝，申 洪，湯 涌，等．風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能容量對(duì)有功功率的影響及評(píng)價(jià)指標(biāo)[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(4)：123-128．

[3] 馮鑫振，胡金杭，桑丙玉，等．光儲(chǔ)微電網(wǎng)鋅溴電池儲(chǔ)能系統(tǒng)功率優(yōu)化控制[J]．電源技術(shù)，2016，40(7)：1 385-1 389．

[4] 于 芃，周 瑋，孫 輝，等．用于風(fēng)電功率平抑的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(17)：127-133．

[5] 譚興國(guó)，王 輝，張 黎，等．微電網(wǎng)復(fù)合儲(chǔ)能多目標(biāo)優(yōu)化配置方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，38(8)：7-14．

[6] 劉志文，夏文波，劉明波．基于復(fù)合儲(chǔ)能的微電網(wǎng)運(yùn)行模式平滑切換控制[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(4)：906-913．

[7] 丁 明，林根德，陳自年，等．一種適用于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(7)：1-6．

[8] 張純江，董 杰，劉 君，等．蓄電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29(4)：334-340．

[9] 侯世英，房 勇，孫 韜，等．混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)功率平衡中的應(yīng)用[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(5)：183-187．

[10] Mendis N，Muttaqi K M，Perera S，Management of battery-supercapacitor bybrid energy storage and synchronous condenser for isolated operation of PMSG based variable-speed wind turbine generating systems[J]．IEEE Transactions on Smart Grid，2014，5(2)：944-953．

[11] 張國(guó)駒，唐西勝，齊智平．超級(jí)電容器與蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在微網(wǎng)中的應(yīng)用[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34(12)：85-89．

[12] 文 波，秦文萍，韓肖清，等．基于電壓下垂法的直流微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2015，39(4)：892-898．