基于多儲能調節的直流微電網電壓波動分層協調控制策略

陳育中,高 鵬

1.南京高等職業技術學校,江蘇 南京 210019

2.河海大學機電工程學院,江蘇 常州 213022

3.常州朗銳凱邇必減振技術有限公司,江蘇 常州 213125

微電網是能夠實現自我控制、保護和管理的電能自治系統。通過與儲能設備的有效配置以及合理的控制策略，可以減少分布式發電并網對電力系統穩定性的沖擊，保證離網狀態下的電能質量。直流微電網作為微網技術的一個重要分支，無需考慮頻率波動、功角穩定、無功環流等因素的影響[1-3]，直流微網以其高效性、可靠性、易控性等優勢成為未來電力系統自動化一個重要的組成部分。

可再生能源具有明顯的間歇性和不可預測性，嚴重影響著分布式發電的電能質量，以微電網對其產生的電能進行有效的管理和儲存，可實現良好的效果。近年來國內外眾多學者對微電網技術進行了深入的探索[4-6]，對高頻波動和低頻波動的抑制，實現了雙儲能系統補償功率的優化分配；文獻[7-9]對直流微電網母線電壓波動進行抑制和均衡，但僅限于雙儲能系統；文獻[10-12]介紹了直流微電網的電壓分層協調控制，實現對直流母線電壓的分區，并采用相應控制策略，但文章只涉及電壓分區，并未考慮到多儲能自身負荷的特性。

本文應用超級電容高功率密度和蓄電池高能量密度的性能互補特點，設計超級電容超前蓄電池工作的儲能結構，并引入飛輪儲能輔助超級電容和蓄電池對母線電壓的調節。根據直流母線和蓄電池的剩余荷電狀態SOC，結合飛輪儲能的調節作用，將直流微電網的工作模式進行詳細劃分，建立不同工作模式下的儲能設備的電壓下垂控制模型，實現均衡直流母線電壓，減少電能損耗。

1 直流微電網結構

直流微電網拓補圖(圖1)所示，光伏陣列和風力發電機分別通過各自的變換器與母線相連，超級電容和蓄電池組成的雙儲系統通過模塊化的變換器與母線連接。飛輪儲能裝置通過AC-DC2 變換器與母線相連。用電負荷分為敏感和非敏感負荷。微電網系統經變流器和隔離變壓器與大電網連接。

圖1 直流微電網拓補圖Fig.1 Systemic structure of DC microgrid

當ΔP大于零時，系統內輸出功率大于負載消耗的功率，此時多儲能系統為充電狀態。反之系統內輸出的功率不足以提供負載使用，多儲能系統為放電狀態。

2 儲能系統

2.1 儲能設備

蓄電池是最早在微電網中使用的儲能設備，頻繁的充放電，導致蓄電池使用壽命縮短。根據蓄電池的輸出電流，可以檢測到其剩余電荷量所處的狀態，進而可以針對荷電狀態采取合理的充放電方式，達到蓄電池的維護效果。

超級電容因其高功率密度，可以瞬時補償高頻功率缺額；循環使用壽命長，根據超級電容的端電壓對其電量控制。超級電容端電壓Usc與剩余容量成正比，可根據超級電容端電壓近似代表其剩余容量，對超級電容的充放電進行控制。飛輪儲能系統[13]是一種機電能量轉換的裝置，以物理儲能代替傳統的化學電池儲能，通過互逆式雙向電機，可實現電能與機械能的轉換和能量儲存間的互換。

圖2 雙儲能系統結構示意圖Fig.2 Structure of dual-storage system

2.2 雙儲能控制結構

圖2 為混合蓄電池和超級電容的儲能系統結構圖。超級電容屬于功率型儲能元件，可以短時間內快速的吸收或補償盈虧的功率，且其使用壽命不受充放電次數的限制，但超級電容的容量有限，對低頻功率波動作用不明顯，僅能平衡小范圍的功率，因此需要結合蓄電池組，補償超級電容的不足，擴大平衡功率的范圍。

將超級電容在電路結構上超前蓄電池，可以實現快速直接的與母線交換功率，蓄電池位于超級電容的后方，可以根據超級電容的電壓信號對實現對蓄電池的充放電進行控制，基本實現超級電容電壓的穩定，又可通過蓄電池間接的均衡母線電壓的低頻功率，實現整個系統的調壓作用。

對儲能系統變換器簡化，減少電子電子開關的動作帶來的諧波影響和開關的電能損耗。蓄電池通過IGBT 開關S3與超級電容間接并聯，使兩者儲能元件隔離，實現各自的單獨自由充放電。當直流母線向儲能元件充電時DC-DC 變換器工作在buck 模式。

式中：x1—表示Udc，x2—表示Udc關于時間的導數，Usc—超級電容兩側的電壓，Q—雙儲能系統充放電系數，值為1 表示放電，值為-1 表示充電。

由空間狀態表達式可以表達出直流母線的電壓與雙儲能設備之間的關系，通過實時監測到直流母線的電壓值，反饋給處理器，通過調節各自的下垂因子，控制超級電容和蓄電池的充放電量，實現母線功率的均衡。

2.3 飛輪儲能

飛輪儲能系統作為協助超級電容和蓄電池的調節系統。當直流母線電壓差額較大，超過超級電容和蓄電池的調節范圍，可引入飛輪儲能協助調節母線電壓。

當母線電壓過高且超過雙儲能系統的調節范圍，可利用飛輪儲能，電能通過電力轉換裝置后驅動電機運行，帶動飛輪加速轉動，能量以機械能形式儲存在高速旋轉的飛輪中；當母線電壓過低且雙儲能系統無法補償母線電壓，給飛輪儲能系統釋放能量的信號，將高速旋轉的飛輪帶動電機發電，經電力變換裝置將釋放的電能補償母線電壓的偏差，完成由機械能到電能的傳遞。

3 單元級控制策略

3.1 改進電壓下垂控制策略

直流母線電壓受光伏電池、風力發電機和用電負荷的影響，多儲能系統對母線電壓的調節作用可使其在一定范圍內波動，并不嚴格等于額定電壓，波動范圍按照國家標準《電能質量供電電壓偏差》[14]和《電能質量電壓波動和閃變》[15]要求。

本文采用改進電壓下垂控制策略，可以修善傳統下垂控制策略不可兼顧母線電壓壓降和均流效果。傳統的電壓下垂公式為：

式中：ΔI—儲能系統對直流母線調節的電流。；Udc—母線電壓瞬時值；Udc-ref—母線電壓額定值；n—功率下垂系數。

改進下垂控制策略在傳統下垂控制基礎上引入了下垂補償系數k，實時更新電壓輸出設定值Udc-ref，以便可以及時反饋母線電壓信息。加入補償系數后的改進母線下垂控制公式為：

由上式可以看出，改進后的下垂公式設定值Udc-ref加上其自身與實際母線電壓值的差值與補償系數的乘積，最終可以體現在增大下垂因子上，此時母線電壓的壓降要小于傳統下垂控制的壓降，壓降效果可視為下垂系數為n/(1+k)時的母線電壓。改進后的下垂控制可以在保證均流效果的同時改善母線電壓壓降過大的問題，以此來實現小范圍的調節母線電壓。

采用改進下垂控制穩定母線電壓，在母線電壓不同階段選取合適的下垂系數n，可以使母線電壓在其預定的額定值范圍內波動。儲能系統下垂控制數學模型可表示為：

式中：n1、n2、n3、n4、n5為儲能系統DC-DC 變換器的下垂系數。k1、k2、k3、k4、k5為各階段對應的補償系數。

3.2 變換器控制策略

蓄電池采用單一充放電模式，勢必會損壞電池的內部結構，加速電池的損耗程度。若結合三段式充法[16]，在蓄電池的不同荷電狀態，調節電力電子開關的占空比，采用合理的充電方式，可延長蓄電池的壽命。

（1）蓄電池荷電狀態SOC>90%時，應采用涓流充電，既可以使蓄電池達到完全充電，又可以維持蓄電池的電量以備放電時使用，涓流充電的控制框圖如圖3 所示。

（2）蓄電池荷電狀態10%

圖3 恒流充電控制框圖Fig.3 The circuit of constant current charging control

圖4 恒壓充電控制框圖Fig.4 The circuit of constant voltage charging control

圖5 光伏模塊工作模式Fig.5 Running pattern of PV modules

（3）蓄電池荷電狀態SOC<10%時，應采用恒定的小電流充電，避免大電流對電池內部結構的沖擊，同時應避免過度放電，恒流充電控制框圖同圖3。

光伏電池有最大功率點跟蹤(MPPT)模式和恒壓模式。為最大限度的提高太陽能資源的利用率，光伏電池通常工作于MPPT 模式。當母線電壓超過最大限值范圍，功率滿足所有負荷且蓄電池飽和時，應轉換為恒壓模式。光伏模塊工作模式如圖5。

風機通常采用功率控制運行，工作模式同光伏發電，通常情況下工作于最大風能跟蹤捕獲狀態下，當母線電壓超過最大限制范圍，應為恒壓恒頻運行模式，維持母線電壓的均衡。

4 系統內分層控制策略

微電網最核心的作用就是為用電設備提供良好的供電質量，直流微電網中，控制母線的電壓使其在國標允許的范圍內波動，保證用電設備的正常運行。本文結合超級電容和蓄電池的電路結構，以飛輪儲能作為輔助設備，采用母線電壓分層控制策略，保證母線電壓的波動要求。

根據相關規定直流母線電壓的限值為UH1(1.05Udc-ref)，UL2(0.9Udc-ref)，UH2(1.1Udc-ref)，UL1(0.95Udc-ref)。故母線上的電壓為5 個分區。根據蓄電池的電荷性能，蓄電池的荷電狀態限值為SOCbat-L(10%SOCbat_max、SOCbat-H(90%SOCbat_max)，可將蓄電池荷電狀態分為3 個區域。將直流母線和蓄電池上述分析的各區域取交集，可以得到15 種工作情況。

（1）當UL1<=Udc<=UH1時，微電網母線電壓達到預期的穩定狀態，因此勿需儲能系統的調節，儲能系統變換器處于空閑狀態，母線和儲能系統無能量交換。為工作模式1。

（2）當UH190%，為避免蓄電池過充現象，開關S3關斷，為工作模式3。

（3）當UL2<=Udc10%，開關S3開通，為工作模式5。

（4）當Udc>UH2時，母線電壓超過系統儲能設備的調節范圍，分布式發電由MPPT 模式轉換為恒壓模式。儲能系統變換器處于buck 狀態，當蓄電池SOC<90%，開關S3開通，為工作模式6；當蓄電池SOC>90%，開關S3關斷，啟動飛輪儲能系統的儲能模式，為工作模式7。

（5）當Udc10%，開關S3開通，為工作模式9。

在上述詳細的分類中，根據DC-DC 變換器和開關S3的開關狀態，保證直流母線功率處于穩態的前提下，盡可能的減少蓄電池充放電次數為原則，對DC-DC 變換器、IGBT 開關、光伏電池變換器的通斷進行控制，將其處于相同開關狀態的工作情況歸納為9 種工作模式（圖6）。

圖6 微電網工作模式分類圖Fig.6 Classification of running patterns in micro-grid

根據直流母線的電壓限制，判斷直母線上功率波動和蓄電池不同荷電狀態時對應的工作模式，以此確保母線電壓在允許的范圍內波動，保證系統內功率均衡，如圖7 所示。

5 微電網系統仿真驗證

采用PSCAD/EMTDC 電力系統仿真軟件按照圖1 結構圖搭建微電網仿真模型，仿真主要參數為：直流母線額定電壓Udc-ref為200 V，電壓動作限制為0.9Udc-ref，0.95Udc-ref，1.05Udc-ref，1.1Udc-ref。光伏電池G=1000 W/m2、環溫T=25 ℃，蓄電池為120 A/h、超級電容容量為5 F，整個系統的負載阻抗為80 Ω，線路阻抗忽略不計。時間以ms 為單位。仿真結果如圖8 所示。

圖8 仿真結果Fig.8 Simulation results

（1）當UH1

（2）當Udc>UH2時，20 ms 給定干擾使電壓上升波動，波動范圍超過雙儲能系統的調節范圍，如圖8c，為抑制電壓波動，系統應工作于模式6 或7，分布式電源由MPPT 轉換為恒壓模式，啟動飛輪儲能補償雙儲能系統的調節差值，直流母線電能流向雙儲能和飛輪儲能系統(圖8d)。由于電壓波動范圍大，調節時間長，經多儲能系統和分布式電源的調節作用，母線電壓最終恢復至預定范圍。

（3）當UL2

（4）當Udc

6 結論

本文為保證微電網內的電能質量和延長蓄電池等儲能設備的使用壽命，結合超級電容、蓄電池和飛輪儲能等組成的多儲能系統，提出了一種適用于直流微電網母線電壓調節的控制策略，根據蓄電池的容量限值，以飛輪儲能系統為輔助調節，來調節母線電壓的波動。通過PSCAD/EMTDC 電力系統仿真軟件驗證該控制策略的合理性和可行性。

最終得出，提出的控制策略可以有效的實現對母線電壓的分段控制，可以減少電力電子開關的頻繁動作引發的諧波對系統的影響；分層控制可以提高了整體系統的穩定性和靈活性，為用電負荷提供良好的電能質量。