含混合儲能的光伏微電網系統協調控制策略

王愛嶺，鄧蕾

（山東華宇工學院，山東 德州 253400）

隨著全球經濟的快速發(fā)展和工業(yè)化的不斷發(fā)展，住宅和工業(yè)用電的需求持續(xù)增長。現有的大型電網是用戶具有長距離傳輸和集中發(fā)電特性的主要供電方式。但是，建設大型電力系統是昂貴的，并且增加了控制電力系統的難度。電力系統的故障不可避免地導致巨大的經濟損失和人員傷亡。不可再生能源的逐漸枯竭正在挑戰(zhàn)傳統電網和發(fā)電系統中不可再生能源的狀況。由于太陽能發(fā)電的性質，它具有清潔污染、無面積限制和簡單的定期維護的優(yōu)點。與風能和生物能等可再生能源相比，總體發(fā)展優(yōu)勢更明顯。為了有效抑制由太陽能和負載突然變化引起的功率波動，并保持微電網系統的穩(wěn)定性，將混合儲能裝置添加到太陽能微電網系統中，并配置了二階低通濾波器以在系統中分配功率波動。電池和超級電容器分別吸收或發(fā)射功率波動的低頻和高頻分量，并結合能量存儲元件的充電狀態(tài)以控制每個能量存儲轉換器的工作狀態(tài)。

1 光伏微電網系統結構

太陽能的輸出在不同程度上受各種因素（如光）的影響。為了解決由負載波動引起的功率不平衡和低頻質量問題，我們可以安裝適合整個太陽能系統的儲能系統。如果系統由單個儲能元件組成，則當將太陽能微電網系統的儲能系統連接到電網時，很少會出現一系列問題。在構建混合儲能系統的過程中，為了獲得更好的效果，本章選擇了電池和超級電容器的數學模型，最后，實現了混合儲能系統的構建。例如，太陽能發(fā)電系統、混合能源存儲系統等。所有組件均起作用。根據電壓水平的實際要求，合理使用升壓轉換器可以順利連接直流母線和太陽能電池。

在混合儲能系統中，雙向DC/DC轉換器用于控制儲能元件的充電和放電，因此，系統可以在各種狀態(tài)下平穩(wěn)運行，并滿足系統運行的基本要求。

2 協調控制策略

在太陽能發(fā)電中，由于一系列不確定和不穩(wěn)定的功率輸出特性，當連接到大型電網時，其性能將受到極大影響。因此，當微電網連接到電網時，它必須同時滿足一定范圍的電壓差、頻率差、相位差和電流畸變系數。因此，為了確保微電網并網運行的穩(wěn)定，有必要使用混合儲能系統來補償和吸收系統的不穩(wěn)定功率。在本文中，我們選擇電池和超級電容器作為混合儲能系統的組件。為了協調充放電，太陽能微電網控制系統可以實現電網的安全穩(wěn)定運行。因此，在下面的分析中，討論了微電網并網運行中儲能組件的控制策略。

2.1 單一并網條件下的策略

混合儲能系統的控制目標是改善從微電網到大型電網的電能質量，并穩(wěn)定可再生能源引起的電能波動。充分利用所分析的儲能組件的屬性并合理分配它們。受抑制的功率提高了儲能系統的性能，并延長了使用壽命。

考慮到上述問題，當前的控制策略如下。

（1）濾波是提高可再生能源并網發(fā)電的輸出功率質量的常用方法。低通濾波器由于其自身的特性而帶來可再生能源的功率波動，從而獲得穩(wěn)定的輸出功率參考值，而缺失部分則由混合儲能系統補充或吸收。（2）針對混合動力儲能系統配電問題的當前主流方法是利用超級電容器的快速變化特性來穩(wěn)定高頻功率差，并利用電池來穩(wěn)定低頻功率差以延長整個混合動力儲能系統的壽命。當前，主要方法是規(guī)則方法和過濾方法。規(guī)則方法主要是將混合儲能系統的總輸出功率設置在一定范圍內。在一定的功率范圍內，電容器輸出該功率。考慮到超級電容器的小容量，該方法將超級電容器的充電和放電功率保持在較小水平。但是，這種設計方法會使電池在不同的輸出功率范圍內跳躍，加劇了頻繁的充電和放電情況，并縮短了整個混合儲能系統的使用壽命。濾波方法是通過低通或高通濾波器將新能源發(fā)電系統的輸出功率分為高頻部分和低頻部分。在獲得超級電容器和蓄電池的輸出功率參考值之后，由于總線電壓是恒定的，因此，將功率參考值轉換為電流參考值，然后，使用雙向DC/DC轉換器的電流閉環(huán)控制來獲得每個組件的理想輸出。該方法原理簡單、效果好、適用范圍廣。

2.2 滿足并網功率的質量和混合儲能能量分配的策略

根據上一節(jié)的分析，太陽能微電網中的混合儲能系統的控制策略主要基于分頻。分頻方法主要使用低通濾波器來識別控制信號。高頻信號被引入超級電容器控制回路中，而低頻信號被引入電池控制回路中，從而兩個能量存儲元件可以實現協調控制。

（1）分銷管理。分配是系統中的功率平衡，用于穩(wěn)定DC總線電壓，實時感測負載和太陽能電池的輸出功率以及計算混合儲能設備的功率參考值。它根據電池和超級電容器的性能分配儲能設備吸收或消耗的功率，并根據儲能元件的SOC確定儲能設備的工作模式，以優(yōu)化系統的工作狀態(tài)并延長儲能設備的壽命。

（2）每個接口轉換器的控制策略。

①混合儲能雙向DC/DC轉換器控制策略。混合儲能裝置根據配電命令輸出指定的功率或電流，并且通常以恒定電流充電或恒定電流放電模式運行。如圖所示，DC總線電壓參考值為DC，將refu和實際DCU之差調整為pi，以獲得儲能系統的充電/放電電流參考值。電池和超級電池通過二階低通濾波器_Refi和SC_Refi獲得將電容器的參考值bat與實際電流值進行比較，并通過PI調整差值以獲得調制波D。

調制波通過10kHz三角載波比較器后，會產生PWM觸發(fā)脈沖。同時，它通過邏輯判斷來檢測儲能裝置的SOC并控制轉換器的開關管，以防止過度充電和過度放電。

②太陽能升壓轉換器的控制策略。為了充分利用太陽能，升壓轉換器通常以MPPT模式工作。當系統以孤島模式運行時，太陽能輸出功率大于負載功率。當儲能裝置達到儲能上限時，逆變器切換為恒壓模式并結合SOC值，以降低功率并防止儲能裝置過度充電。

③DC/AC轉換器控制策略。直流側發(fā)電機組通過三相電壓源逆變器將直流電轉換為交流電，連接到大型電網，并為交流電負載提供能量。在并網模式下，交流側的PCC點是關閉的，大電網保持了微電網的功率平衡以及電壓和頻率的穩(wěn)定性。此時，逆變器采用PQ控制方法，并可以根據系統能量管理命令輸出恒定功率。PQ控制方法基于DQ旋轉坐標系中的雙環(huán)控制方法。外部環(huán)路是允許逆變器輸出跟蹤參考功率的功率控制環(huán)路，而內部環(huán)路是可以生成正確參考電壓的電流控制環(huán)路。最后，SVPWM技術用于生成脈寬調制信號，以控制逆變器開關管。在孤島模式下，將交流側的PCC點分開，并將逆變器控制模式切換到V/F控制模式，以確保系統電壓和頻率的穩(wěn)定性以及有功和無功功率的平衡。V/F控制采用電壓和電流雙環(huán)控制模式。外環(huán)是一個電壓環(huán)，它控制參考電壓drefu和qrefu的幅度。內部環(huán)路是控制電感器電流的電流環(huán)路。頻率由鎖相環(huán)控制，因此，系統頻率達到國家頻率標準50Hz。最后，SVPWM用于生成控制信號。

3 結語

研究并聯/分離模式和模式切換模式下混合儲能太陽能微電網系統的能量協調控制策略。混合儲能裝置可以更有效地分離功率波動的低頻和高頻成分。通過獨立、集成的集成控制，實現了太陽能、儲能和負荷之間的能量平衡，并保持了系統的安全穩(wěn)定運行。