基于混合儲能的直流微網母線電壓控制策略

敦若楠 郭英軍 孫鶴旭 安聰慧

摘 要：為了平抑風力發電接入直流微電網的功率波動問題，滿足負荷持續高質量供電需求，對由鋰電池和超級電容器組成的混合儲能系統進行了研究。以超級電容電壓和鋰電池荷電狀態為約束條件，將儲能系統平衡所需的功率差分為低頻與高頻部分;鋰電池用于吸收和釋放低頻部分，超級電容用于吸收和釋放高頻部分，使風機整流器工作在恒壓狀態，采用電壓外環、電流內環雙閉環控制，以直流母線的電壓穩定為目標，維持系統功率平衡。仿真結果表明，所提混合儲能系統控制策略具有較快的動態響應速度和較好的控制性能，可很好地滿足負載功率需求，穩定直流母線電壓。研究結果可為分析規模化新能源接入直流微網系統的穩定問題提供參考。

關鍵詞：發電工程;直驅風機;直流母線;功率波動;混合儲能

中圖分類號：TM614?文獻標志碼：A

doi： 10.7535/hbgykj.2019yx06003

文章編號：1008-1534（2019）06-0384-06

Abstract：In order to stabilize the power fluctuation when the wind power generation is planted into DC microgrid and meet the demand for continuous high quality power supply， a hybrid energy storage system consisting of lithium battery and super capacitor is studied. Constrained by the super capacitor voltage and the state of charge of the lithium battery， the power required to balance the energy storage system is divided into a low frequency and a high frequency portion; the lithium battery is responsible for absorbing and releasing the low frequency portion， and the super capacitor is responsible for absorbing and releasing the high frequency portion.

The fan rectifier is operated in a constant voltage state， and the voltage outer loop control and the current inner loop control loop are adopted. The voltage stability of the DC bus is targeted to maintain system power balance. The simulation results show that the proposed hybrid energy storage system control strategy has faster dynamic response speed and better control performance， which can meet the load power demand and stabilize the DC bus voltage. The research results provide a reference for analyzing the stability of large-scale energy access to DC microgrid systems.

Keywords：power generation project; direct drive fan; DC bus; power fluctuation; hybrid energy storage

傳統能源的逐漸枯竭和日益嚴重的環境污染嚴重威脅著人類的可持續發展，風能作為可再生能源，因其儲量豐富、清潔環保、便于規模化開發等優點受到廣泛關注[1]。然而，由于風能的間歇性和波動性，當風速發生變化時，風機的功率輸出也隨之波動，從而影響電網的電能質量。與此同時，風力發電的年有效利用小時數遠遠不及常規發電廠[2]。儲能系統具有響應時間快、規模大等優點，被認為是提高間歇式電源可控性以及并網能力的有效手段[3-5]。

文獻[6]分別采用滑動平均法和分層控制技術、專家信息庫等方法來區分功率波動成分，控制混合儲能系統運行，提高平滑效果，延長了各單元使用壽命;文獻[7—8]以儲能裝置容量最小為目標函數，構建了以總體收斂速度指標和飽和系統穩定域為約束的優化模型;文獻[9]提出了一種基于風電場風速概率密度曲線的“實時儲能”法的容量定制方法。以上文獻都是在實際應用中研究了儲能系統的優化配置和控制問題，具有較強的參考價值。目前的研究集中于如何在既定風電出力場景下實現風電功率波動平抑，而沒有考慮平抑策略在不同風電出力及負載發生變化場景下的普遍適用性。

本文利用鋰電池-超級電容混合儲能系統的優勢互補，提出了一種以滿足可變負載功率需求及平抑風機功率波動，穩定直流母線電壓為最終目標的混合儲能系統控制策略。其能平抑負載發生變動及風速發生變化時對系統穩定造成的影響，在一定程度上平抑風力發電系統輸出功率及負載變化引起的波動，通過混合儲能的作用來緩解風力發電帶來的功率波動，保持混合儲能 SOC 工作在合理區間，保證混合儲能系統長期穩定運行。

1?儲能方式的分類

電能可以轉換為電磁能、化學能、機械能等其他形式進行存儲，按照儲能方式的不同可分為相變儲能、電磁儲能、電化學儲能和機械儲能4種類型。其中機械儲能包括抽水儲能、飛輪儲能和空氣壓縮儲能等;電化學儲能包括鋰離子、鎳隔、鉛酸、鈉硫、液流等電池儲能;電磁儲能包括超導、超級電容和高能密度電容儲能等[10-13]。

目前，電池儲能是最成熟的儲能方式[14]。電池為能量型儲能元件，其主要特點是能量密度大，但它的主要缺點是使用壽命短，不適合頻繁充放電，功率密度小，并對工作環境要求較高，不恰當的工作環境會加快老化速度。以鋰電池為例，在其工作過程中由于長期浮充、過充、過放、欠充或小電流放電等因素，都將造成鋰電池過早損壞，從而縮短其使用壽命。超級電容器是功率型儲能元件，其最大的特點是循環壽命長，充放電速度快，可頻繁充放電[15]。為了更好地利用兩2不同類型儲能元件的優勢，將鋰電池與超級電容器組成混合儲能單元使用，是一種被廣泛接受的應用方式[16]。超級電容與鋰電池性能比較如表1所示。

2?系統等效模型

2.1?鋰電池等效模型

考慮鋰電池在運行中的荷電狀態（state of charge，SOC）和端電壓的變化，本文采用通用化等效模型。鋰電池充電、放電表達式分別為

3?系統控制策略

如圖1所示，在直流微網系統中由混合儲能單元平衡節點控制直流電壓并通過充放電來平衡系統功率。鋰電池主要負責平衡功率，超級電容則能快速響應功率波動[19-20]。

平穩直流母線電壓并使其達到穩定是混合儲能系統工作的關鍵。穩定的直流母線電壓可確保直流負載的平穩運行，當直流母線電壓升高時，即風機輸出功率大于負載吸收功率，儲能系統負責吸收多余的能量，此時，儲能系統處于充電狀態; 而當母線電壓降低時，風機輸出功率小于負載消耗功率，儲能系統釋放能量來滿足負載需求，此時，儲能裝置處于放電狀態[21]。

風機整流器工作在恒壓狀態輸出時，采用電壓外環、電流內環的雙閉環控制來實現直流母線電壓穩定的目標[22]。從檢測到的瞬時值中減去由直流母線電壓設置的參考值，并且通過PI控制器電壓外環獲得該差值，以得到風機輸出電流的參考值，再與風機實時輸出電流作比較，其差值通過電流內環PI控制器調整[23]。總體控制策略如圖2所示。

混合儲能系統采用以穩定直流母線電壓為目的的控制策略。結合兩種儲能方式的工作特性，通過低通濾波器將儲能系統平衡所需的功率差分為低頻部分和高頻部分; 高頻部分由超級電容負責吸收和釋放，低頻部分由鋰電池負責吸收和釋放，該直流母線的電壓外環控制如圖3所示[24]。

此外，2個儲能單元通過雙向DC/DC 變換器控制充電和放電過程。超級電容、鋰電池均采用電壓外環、電流內環的雙閉環控制[25]。

如圖4所示，以鋰電池為例，當鋰電池的電量SOC≥100或者≤20時，此時控制將會阻止PWM脈沖并停止雙向變換器工作。

4?仿真分析

設置直流微網額定電壓為800 V，如圖5所示，風機在前3.5 s為額定風速9 m/s，在第3.5 s時降低為8 m/s，在第4.5 s時恢復為額定風速，在此期間，風機輸出功率如圖6所示。

在風機運行期間，為了驗證混合儲能工作的快速性和有效性，設置負載為可變負載，通過控制信號（如圖7所示），分別在0，1，2，3，4 s時，設置負載需求功率為40，65，15，60，40 kW。

平衡系統所需的目標功率為

在微電網孤島運行仿真時，微電網可以為輸出穩定的電壓和頻率提供支持。給定負載功率為40 kW，仿真中通過控制信號，在1 s時將負載需求功率切換到65 kW，2 s時切換至15 kW，3 s時切換至60 kW。在孤島運行仿真時，0～1 s之間風機輸出48.65 kW的功率，此時，維持負載功率25 kW，多余功率由混合儲能系統來吸收，其中電池吸收功率在1.5 kW左右，超級電容吸收7.2 kW左右，從而使整個微電網系統在此期間功率平衡;在1 s時，負載需求功率提高至65 kW，風機仍以額定功率運行，此時，若要維持負載功率為65 kW，混合儲能系統放電;2 s時負載需求功率突降至15 kW，風機仍以額定功率運行，此時，混合儲能系統充電;風速在3.5 s時降低至8 m/s;在4.5 s時恢復了額定風速。在風機功率發生波動時，系統能很快做出響應，任意時刻負載功率都是由風機和混合儲能共同來平衡。

由圖8、圖9可以看出，當負載功率發生變化及風機功率波動時，超級電容器均可對波動快速響應，其功率輸出波形變化呈快速的階躍型，鋰電池的輸出功率對系統功率發生變化時的響應則較為緩慢，呈平緩上升或下降趨勢;且從圖中可以看出，系統功率發生較大變化時，超級電容都能快速反應，系統運行穩定時，鋰電池用于吸收和釋放功率差。仿真結果也驗證了超級電容器功率密度高、能量密度低的特點，適合快速調節但不適合長期儲能;鋰電池具有能量密度高、功率密度較低的特點，雖響應較慢但適合長期儲能。

圖10和圖11分別反映了鋰電池內部電量SOC和超級電容電壓的變化曲線。以鋰電池為例，當鋰電池輸出功率為正或者SOC逐步減小時，鋰電池處于放電過程。相反，當鋰電池輸出功率為負或者SOC逐步增加時，鋰電池處于充電過程。

由圖12可以看出，無論是負載發生變化還是風機輸出功率發生變化，直流母線依然可以保持穩定，表明了綜合控制策略的有效性和正確性。

以上仿真結果表明了系統具有較快的動態響應速度和較好的控制性能。

5?結?語

本文研究混合儲能設備作為孤島運行模式下風機直流微電網和負載運行時的狀態，通過其充放電來維持系統的功率平衡，從而確保直流母線的電壓質量與系統的穩定性，同時實現了直驅風機的平穩出力，保證了穩定的有功輸出。本文創新之處是在風速變化的同時加入了負載變化。仿真結果驗證了本文提出的以滿足可變負載功率需求及平抑風機功率波動的混合儲能系統、以直流電壓恒定為目標的混合儲能系統控制策略的正確性和有效性。

本文只討論了單臺風機并入直流微網的穩定情況，沒有對多機系統進行分析。未來可對規模化新能源接入直流微網系統的穩定問題進行分析研究。

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