分布式電源的微電網儲能系統仿真

2018-08-08 07:31:38，，，

單片機與嵌入式系統應用 2018年8期

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(西安工業大學電子信息工程學院，西安 710021)

引言

儲能技術作為智能電網“采發輸配用儲”六大環節之一，是智能電網建設重要的組成部分。由于儲能裝置具有靈活的充放電控制功能，電網特別是微網引入儲能環節后，可以很好地進行需求側管理，不僅能更有效地利用電力設備降低供電成本，還可以有效抑制不穩定微源產生的電壓波動等問題[2-3]。在微網中，新能源發電裝置具有非線性、間接性和波動性的特點，容易在微網中產生電壓波動與閃變、電流畸變，但如今的復合儲能模式單一[5]，不能很好地解決現有的問題，如受容量、控制策略復雜等原因限制[4]，電能質量綜合治理的功能在儲能裝置或其它電力電子并網裝置是難以實現的。

近年來，儲能技術發展迅速，主要分為三類：機械儲能、電化學儲能、電磁儲能。機械儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能，電化學儲能主要包括各種蓄電池儲能，電磁儲能主要有超級電容器儲能、超導磁儲能[6]。微電網對接入其中的儲能裝置的要求包括：響應速度快，微電網中的新能源波動、離并網模式切換等都對微電網的穩定運行造成很大的威脅，為了保證微電網的暫態過程穩定需要儲能裝置的快速響應；功率密度大，在系統功率發生較大波動時，為了保證系統穩定，需要儲能裝置提供或者吸收差額功率；能量密度大，新能源發電過程不可控，功率流動變化比較大，需要儲能有較大的容量。

參考文獻[1]根據儲能系統要同時具備高功率密度和高能量密度的特點，提出了超級電容與蓄電池混合儲能模型。將超級電容與蓄電池分別與雙向半橋連接，把分布式發電系統中的直流負載、獨立運行逆變器、并網運行逆變器統稱為直流母線的負載。參考文獻[7]提出一種獨立風光儲微網系統模型，將儲能系統與直流母線電壓相連，并建立了儲能蓄電池模型。參考文獻[8]對獨立型微電網儲能類型選擇與商業運營模式進行了探討，介紹了主流儲能技術類型，并分析了各種各樣不同儲能模式的優劣，從中可以看到，鋰電池的應用前景非常可觀。參考文獻[9]根據鋰電池的充放電狀態設計混合儲能系統，將功率型儲能器件超級電容與能量型儲能元件鋰電池相結合，就儲能元件之間的過充過放保護和最大功率限制保護的協調控制進行詳細討論。通過 PSCAD仿真算例分析驗證了控制策略的有效性。

參考文獻[10]通過對直流微電網儲能系統自動充放電改進控制策略的研究充分證明了單蓄電池組儲能和雙向DC-DC相連接，通過采用PI控制和PWM控制來實現蓄電池恒流充電和恒壓放電的可行性。參考文獻[11]分析了鉛酸蓄電池和超級電容器特性，將鉛酸蓄電池具有通用、廉價、比能量適中、高倍率放電性能好、高低溫性能良好、效率較高等優點,與超級電容循環壽命長、功率密度大、充放電效率高，以及高低溫性能好的優點相結合構成儲能系統并在仿真平臺驗證。儲能系統能夠優化間歇性可再生能源的電力輸出，并提高間歇性可再生能源發電系統的穩定性，改善間歇性可再生能源對電網的不利影響，更好地促進低碳經濟的發展。各種儲能技術在能量密度、功率密度和響應速度等方面表現各不相同，很少有哪一種儲能技術可以完全滿足系統的各種要求。因此混合儲能裝置的提出和研究應用得到了重視。超級電容響應速度快、功率密度高、壽命長、效率高但是其能量濃度低；蓄電池具有能量密度較大，但是功率密度小且充放電次數及放電深度受使用壽命限制；鋰電池具有循環壽命長、工作電壓高、可大電流充放電、安全性好，本課題將鉛酸蓄電池、鋰電池及超級電容三者結合組成混合儲能，取長補短。

1 系統總體結構

本微網儲能系統由鉛酸蓄電池、鋰電池、超級電容、DC-DC變換器、逆變器以及負載構成。典型微網儲能系統結構如圖 1所示。

圖1 典型微網儲能系統結構

2 系統模型設計

圖2 蓄電池非線性模型

2.1 蓄電池組數學模型

蓄電池模型可等效為一個受控電壓源與一個定值電阻串聯，如圖2所示。蓄電池的輸出電壓不僅與電流有關,還與蓄電池SOC狀態有關，其具有非線性特性。

描述蓄電池狀態的兩個關鍵參數是端口電壓Vb及荷電狀態(State of charge)SOC，這兩個參數可由以下兩式表示：

圖中V表示為

式中，V0為開路電壓，Rb為蓄電池內阻，Ib為蓄電池充放電電流，K為極化電壓，Q為電池容量，A為指數電壓，B為指數容量。圖2中的模型是基于以下假設建立的：①Rb和Q在充放電過程中保持恒定，不隨電流幅值變化而變化；②由放電特性推導出的模型參數在充電時假定不變；③模型不受電池溫度影響，忽略記憶特性和自放電特性。此模型中，V0最小為0，Vb最大不受限制，Q最小為0，最大不受限制，因此如果過充，SOC可能大于100%。

2.2 超級電容器數學模型

超級電容器作為一種新型儲能裝置，在微電網、電動汽車等領域得到越來越廣泛的使用。目前，在實際工程和仿真實驗中主要采用其經典RC串聯模型。

圖3 經典RC模型等效電路

圖3為超級電容器的經典串聯RC等效電路，它由理想電容C和電阻RE串聯而成。圖中，USC為超級電容器的端電壓，ISC為流過理想電容C的電流，RE為等效串聯電阻，它的大小反映了超級電容器充放電過程中能量損耗的大小。

對圖3所示等效電路列電路方程：

超級電容器儲存的能量JSC可表示為：

其中Qt為超級電容器t時刻存儲的電荷量，QN為超級電容器的總容量，Umax、Umin分別為超級電容器正常工作時的最大電壓和最小電壓，U0為超級電容器的初始電壓。

2.3 DCDC變換器

DC-DC變換器是超級電容器組與負荷之間能量傳輸的橋梁，其作為松弛端口通過電壓閉環控制來維持整個系統功率的動態平衡。如圖4所示為DC-DC變換器的控制框圖。其中：Udc-ref為直流母線電壓參考值，Udc為直流母線電壓采樣值濾波后的結果。電壓誤差經過限幅、PI放大和再次限幅后，根據電壓誤差方向不同，確定開關管工作方式與占空比DSC，再與三角載波比較后生成互補的PWM極脈沖信號。

圖4 DC-DC變換器控制框圖

2.4 鋰離子電池

調度周期內，鋰電池的折舊成本fST可表示為:

式中，nST為調度周期內鋰電池的充放電循環次數。

鋰電池充、放電功率的上、下限約束為：

鋰電池的運行狀態約束為：

過充、過放均會影響鋰電池的使用壽命，為了保證鋰電池的荷電狀態處于合理的范圍內，需考慮其荷電狀態EST(t)(單位為kWh)的上下限約束：

由于鋰電池的初始荷電狀態對微網運行調度有較大影響，為了使調度結果具有可持續性，即鋰電池當日的調度結果不影響第二天的調度，應使鋰電池在一個調度周期始末處于相同的荷電狀態，即：

EST(t1)=EST(tN)

式中，t1、tN分別表示調度周期內的起始時段和末尾時段。

2.5 儲能系統逆變器的研究

為搭建微電網系統，從下層控制的角度實現復合儲能容量配置對蓄電池、超級電容器和鋰電池的功率輸出需求，從基本的逆變器出發，對其控制方式進行探討，為構建微電網整體控制平臺打下基礎。微電網中包含各種微電源(如風電、光伏等)，另外還有儲能裝置(如蓄電池、超級電容器、鋰電池或其它復合儲能等)。微電源大多經由逆變器接入母線，因此微源接口逆變器控制性能的好壞對一個微電網系統能否穩定運行起著關鍵作用。選擇三相電壓源型逆變器作為微源接口逆變器，并對其主電路進行建模分析，然后對微電網中常用的兩種控制方式分別進行控制系統的設計。最后，利用Matlab/Simulink軟件平臺搭建了微源控制系統仿真模型。

3 案列分析仿真

分別對鉛酸蓄電池采用電壓控制，鉛酸蓄電池的模擬電壓為360 V，實時SOC控制在60%，電池響應時間設置為30 s，超級電容采用功率控制，其設置參數為500 F，電壓為160 V，串聯多個超級電容，溫度控制在25 ℃。鋰電池采用恒流控制，設置電壓為360 V，SOC控制在60%，電池響應時間為30 s。在Matlab軟件中搭建模型并仿真，圖5～圖8為模擬微電網儲能系統在Matlab軟件中搭建的仿真電路圖。圖9為仿真結果圖。