混合儲能型微電網協調控制策略

鮑 鏝，張繼紅，付文豪，吳振奎，魏毅立

（內蒙古自治區光熱與風能發電重點實驗室，內蒙古科技大學 信息工程學院，內蒙古 包頭 014010）

0 引言

可再生能源開發利用的快速推進是我國實現“碳達峰，碳中和”目標、解決綠色低碳轉型棘手問題、全面實施降碳減排的重要舉措［1］。能源結構的深層次轉型可以提升地區清潔能源供給、提高能源利用率，實現中國綠色發展［2-4］。以風力發電、光伏發電以及光熱發電為代表的綠色能源利用方式已技術成熟并被大眾廣泛認可。然而，上述綠色能源發電過程會產生較強的功率波動，很大程度上影響電能質量和系統的穩定運行水平［5］。為順利接入和利用這些能源，微電網技術順勢而出［6-7］。微電網技術可以充分發揮各自分布式電源的能效，是近年來能源領域專家研究的熱點和焦點問題之一。微電網按照各單元連接母線性質和回路電能種類不同可分為交流、直流和混合式3種［8］。由于交流微電網具有供配電方便以及升降壓靈活等優勢，而直流微電網沒有無功損耗及諧波問題，因而學者們針對不同場景研究混合式微電網情況也較為普遍［9］。混合式微電網中，母線電壓的穩定性及頻率的波動性會較大程度影響網內系統功率的平衡及微電網的可靠運行［10-11］。如果發生關鍵參數波動，勢必影響負荷的正常運行［12］。另外，微電網系統的功率平衡任務多由電力電子器件變換實現，一方面使得系統慣性減小、抗擾能力變弱；另一方面影響分布式電源出力、使得過載能力變差［13］。而儲能系統動態性能好、效率高，能夠快速提供電網需要的有功及無功功率，因此，儲能已成為微電網中提高其穩定性、安全性和電能質量的關鍵技術支撐。

文獻［14］對低壓微電網系統的輸出功率按照比例進行了分配分析，設置了自適應虛擬電阻確定分布式電源的輸出功率，可以滿足“即插即用”的電源快速“投退”要求，但該方法可能存在多個逆變器同時、同方向的調節現象，將會引起系統運行超調，并出現穩態運行點的偏移，尤其對恒功率負載較為不利。文獻［15］-文獻［16］結合本地信息的能量需求及綜合調控方法，給出了利用通信手段設置了二次電壓方案，重點解決了母線電壓的波動問題，但該方法對主控制器的穩定性要求較高。文獻［17］-文獻［18］分析了超級電容、蓄電池構建的混合儲能系統在微電網中的應用機理，主要設計了高頻功率波動的算法并平衡了直流微電網內部功率，具有一定的參考價值。文獻［19］-文獻［21］指出了直流微電網電壓綜合協調控制策略并對直流母線電壓給以分區處理，分別采取不同的控制策略，滿足系統低電壓穿越要求，但該方法還需綜合考慮雙儲能的容量優化配比及荷電狀態約束，因而應用范圍受到一定限制。文獻［22］-文獻［24］對影響微電網的穩定運行進行了分析，針對大擾動時交流微電網的穩定運行從電流特性的角度進行分析以及在多個微電網接入導致的動態耦合對其穩定性的影響分析。

本文根據風力發電、光伏發電等可再生能源的發電特點，結合混合儲能的不同工作特性、考慮了各自荷電狀態約束，設計了相應控制策略，以期解決微電網電壓及頻率波動問題。由于單一儲能無法同時滿足負荷的功率密度與能量密度雙重需求，飛輪儲能系統具有壽命長、動態響應快、無污染等優勢，因此將飛輪儲能（Flywheel Energy Storage System，FESS）和蓄電池儲能（Battery Energy Storage System，BESS）兩者優化組合，不但在性能方面進行了優勢補償，提高了蓄電池使用壽命，而且降低了電子開關器件動作頻次，提升了微電網運行的整體穩定性。

1 混合儲能型微電網拓撲結構

混合儲能型微電網拓撲結構如圖1所示。風力發電和光伏發電分別通過各自的變流器與母線相連，飛輪儲能和蓄電池組成的混合儲能系統經由相應變換器與母線連接，負荷主要為常見的交流與直流負荷，微電網經由變流器與大電網連接。圖1中STS、T為連接電網的靜態開關與變壓器。由于并網型微電網的控制較為簡單，基本無電壓波動或功率缺額現象，本文重點研究獨立微電網運行的電壓穩定問題。由圖1 可知，直流母線的功率交換可表示為：

圖 1 混合微電網拓撲結構圖Fig.1 Hybrid energy storage microgrid topology

式（1）中：ΔPall為母線的總功率變化量；PG為大電網輸出功率；PPV、PWT分別為光伏和風機的輸出功率；PACLoad、PDCLoad分別為交流和直流負荷消耗功率；ΔPBS為蓄電池功率變化量；ΔPFESS為飛輪儲能功率變化量。

當儲能系統處于充電狀態時，ΔPall＞0時，直流微電網系統內輸出功率大于負荷消耗功率，由儲能系統消耗直流微電網系統內的多余輸出功率。當ΔPall＜0時，直流微電網系統內輸出功率不足，無法提供負載所需功率，由儲能系統提供負載所需功率差額。

母線負荷的變化以及分布式電源輸出的變化都將對母線電壓波動產生重要影響，但最直接、最有效的解決辦法為借助混合儲能系統進行功率平衡。

2 混合儲能系統配置及控制原理

2.1 配置原則

儲能系統（Energy Storage System，ESS）的配置主要考慮兩方面因素，一方面，因為可再生能源發電的間歇性和隨機性會很大程度地影響發電機的出力情況，所以一定要平滑出力，才能使微電網穩定運行；另一方面，考慮到分布式電源的能量跨時調度，共同參與配電網的功率優化，可以增加系統慣性。由于電池是能量型儲能設備，具有功率密度相對較低的特點，所以對平抑低頻功率波動有明顯的效果；與此相對應，飛輪是功率型儲能設備，具有密度大、響應速度相較于電池更快的特點，可以平抑高頻功率波動。因此，本文將電池與飛輪進行優化組合，構建混合儲能系統來控制協調微電網的功率平衡以及穩定微電網母線電壓和減少頻率波動。

2.2 直流母線電壓穩定控制

以圖1為例，對于直流母線側，功率平衡方程可表示為：

式（2）中，Pinv為交直流母線功率交換量。

由電路理論可知，直流系統中功率、電壓之間呈線性關系，則微電網系統母線電壓表示為：

可見，直流母線電壓波動與儲能電池的容量大小有關，針對不同的場景要求和多重條件限制，靈活選擇儲能容量，若儲能功率容量選擇太小，導致無法對大的波動進行調節，影響使用壽命，影響預期效果；相反，容量選擇過高則會導致前期投資成本升高，降低系統利用效率［25-26］。電能質量受母線電壓波動程度的影響，本文通過自適應下垂控制策略，追蹤電壓幅值波動動態，實時調整相應下垂系數，以此來減少母線電壓波動，最終實現母線電壓的波動更加平滑的目的，設計的控制策略如下。

依據電壓、功率下垂關系，可以將式（3）作如下變換：

式（4）中，Udc_ref為微電網直流母線電壓參考值，γ為功率下垂系數。聯立式（3）、式（4）可以得到：

式（5）中，λ為電壓下垂系數。采用上述模型設計的母線電壓控制拓撲圖如圖2 所示。根據式（5）計算出的IBS為電流給定值，實際測量值會通過電流負反饋系統來跟隨給定值。

圖2 母線電壓控制拓撲圖Fig.2 Bus voltage control topology

2.3 交流母線電壓穩定及頻率控制

2.3.1 傳統下垂控制原理分析

由頻率、角頻率與相角之間的關系式可以得到：

參考火電廠母線電壓、頻率與功率的傳統下垂關系可以得到：

式（7）中，逆變器輸出的有功功率和無功功率分別為pn和Qn，有功功率和無功功率下垂系數分別為mp和nq，逆變器空載時輸出的頻率和電壓幅值的參考值分別為fn*和Un*，逆變器實際輸出的頻率和電壓幅值分別為fn和Un，在此數學模型上可得到圖3 的傳統下垂控制結構框圖。

圖3 傳統下垂控制結構框圖Fig.3 Block diagram of traditional droop control structure

圖3中，U0、I0分別為逆變器輸出電壓和電流的測量值。傳統下垂控制一般是作用于高壓系統的，忽略了逆變器等效阻抗中的電阻成分，僅分析其呈感性的情況，因此存在一定局限性。

2.3.2 傳統下垂控制的不足

1）逆變器輸出功率間相互耦合

傳統下垂控制只考慮了P-f、Q-U之間一一對應的聯系，忽視了在實際電力系統中，逆變器輸出的功率與輸出電壓的相關參數有關系，不僅僅是簡單地對應關系。忽視這點就會使有功功率和無功功率間相互耦合，影響到系統其他部分的運行。

2）無功功率分配受線路阻抗影響

由于分布式電源所處地理位置不同、線路布置差異將引起線路阻抗值的不同，也會導致逆變器輸出無功功率分配不均問題，甚至增加了母線電壓跌落概率。

2.3.3 虛擬復阻抗的雙閉環結構設計

因為傳統的下垂控制會導致逆變器的輸出功率相互耦合［27-28］，為解決此問題，本文在電壓電流雙閉環上引入虛擬復阻抗，改進了傳統的下垂控制。虛擬復阻抗中的阻抗控制器作用為：抵消逆變器等效阻抗中的阻性，使其呈純感性，這樣就可以滿足下垂控制解耦條件，其中的具體控制框圖如圖4所示。

圖4 引入虛擬復阻抗的雙閉環控制框圖Fig.4 Block diagram of double closed-loop control with the introduction of virtual complex impedance

此時，逆變器等效阻抗為：

圖4控制框圖中，虛擬電阻RV和虛擬電感LV組成虛擬復阻抗ZV，并在其中增加了一階低通濾波器，從而消除在控制過程中引起的高頻噪聲。該模型可表示為：

結合式（9）、式（10）可知，在選定系統控制參數、逆變器濾波參數和線路阻抗值之后，可通過虛擬復阻抗來調節逆變器等效阻抗。

2.3.4 魯棒下垂控制模型

針對逆變器無功平衡受線路阻抗影響的問題［29-30］，將積分環節引入到Q-U下垂控制中。同時，對于母線電壓因線路阻抗影響而跌落的問題，可將逆變器的輸出電壓幅值Un與交流母線的電壓幅值Ul做差，所得數值再乘上補償系數K得到U*n，并將其作為反饋信號補償到Q-U下垂控制中，魯棒下垂控制框圖如圖5所示。

圖5 魯棒下垂控制框圖Fig.5 Block diagram of robust droop control

因為P-f 下垂控制可以使有功功率均勻分配，故此處不再贅述，僅對Q-U 下垂控制進行分析，控制框圖如圖6所示。

圖6 Q-U下垂控制框圖Fig.6 Q-U droop control block diagram

由圖6可得，逆變器輸出的無功功率表達式為：

對式（11）進行拉普拉斯變換，再由拉普拉斯變換終值定理可得出當系統穩定運行時，各逆變器輸出的無功功率為：

對于各逆變單元而言，交流母線電壓幅值Ul均一致，若能夠保證補償系數K、輸出電壓測量值U0、無功功率給定值Qref也相同的情況下，那么只要選擇合適的下垂系數nq，便能有效解決因線路阻抗不同所導致的無功功率分配不均問題，達到無功平衡目的。此時式（12）可以等效為：

在系統穩定運行時，nq(Qn-Qref)趨近于零，故K(U0-Ul)也趨近于零，因此逆變器輸出電壓幅值U0與母線電壓幅值Ul近似相等，并且補償系數K值越大，(U0-Ul)值就越小，U0越接近于Ul，保證了母線電壓的穩定性。

3 仿真算例

針對圖1 所示結構，采用大型數字化仿真軟件PSCAD/EMTDC 搭建交直流微電網仿真模型并設置參數如下：母線電壓Udc-ref為380 V，光伏系統發電功率25 kW，風機輸出功率20 kW，蓄電池設計容量300 A·h、飛輪儲能設計容量10 kW，時間以s為單位。

仿真結果如圖7所示，圖7給出了飛輪儲能、蓄電池單獨運行時的功率輸出波形。系統在0.5 s時負荷增加3 kW，1.6 s時減少2.5 kW，2.6 s時負荷增加4 kW。針對上述幾種情況分析兩類儲能功率輸出情況可以看出：負荷波動時，兩類儲能均可提供足夠功率輸出，但對于0.5 s和1.6 s時的功率變化，飛輪儲能響應較快，并及時增大或減小輸出功率；而蓄電池會出現響應時間延遲現象。針對短時間的功率缺額，飛輪儲能體現功率特性，可以對高頻信號發揮良好的平抑作用；另一方面，雖然蓄電池儲能響應較慢，但更適用于功率缺額大、平抑時 間較長的負荷變化情況，對于補償低頻功率效果較好。

圖7 飛輪與電池儲能放電跟蹤對比圖Fig.7 Comparison of flywheel and battery storage discharge tracking

為進一步證實改進下垂系數方法對于構建混合儲能系統的優勢，首先分析直流母線電壓波動情況。圖8 給出了單一蓄電池儲能輸出功率及母線電壓波形圖，由圖可以看出，負荷在0.3 s、0.8 s、2 s、3 s時刻進行了加載和減載，蓄電池始終能夠跟隨負荷變化，但在暫態過程會導致功率響應不及時的問題，從而出現了母線電壓明顯的升降現象，電壓波動方向與功率波動方向趨勢相反。盡管電壓波動幅值符合母線低電壓波動要求，但頻繁的充放電無疑加重了類似問題的發生，甚至引發電池使用壽命縮短現象；其次，分析圖9給出的交流母線電壓及頻率波動情形，如圖所示，負荷進行多次增減變化后，飛輪仍然可以動態跟蹤負荷，盡管交流母線頻率出現了小幅波動，但相對值并未超過0.01，由此可得，系統的頻率波動范圍在0.25 Hz 以內，滿足電能質量對頻率的基本要求。

圖8 電池單獨調節與母線波形Fig.8 Separate battery regulation and bus waveform

圖9 飛輪單獨控制輸出功率及母線電壓頻率波動波形Fig.9 Flywheel independently controls output power and the bus voltage and frequency fluctuation waveform

引入改進下垂控制法和采用混合儲能系統平抑交直流母線功率波動，仿真波形如圖10、圖11 所示。負荷的總功率缺額由蓄電池儲能和飛輪儲能共同承擔。為接近工程實際，本次考慮電池荷電狀態高于飛輪儲能這一特殊情況。仿真圖如圖10所示，蓄電池的輸出功率明顯高于飛輪儲能，此外，兩類儲能的輸出按照改進下垂系數進行分配，滿足下垂控制的設計預期。而圖11 給出了混合儲能分配功率后共同輸出的電流波形，電流幅值的變化基本與功率輸出一致，并有嚴格的對應關系。電壓波形與頻率波形基本保持恒定，較單一儲能平抑功率波動效果較好，并能保持電壓及頻率基本穩定，證實了混合儲能的優勢。

圖10 混合儲能功率分配圖Fig.10 Hybrid energy storage power distribution diagram

圖11 混合儲能輸出電流與電壓波形Fig.11 Hybrid energy storage output current and voltage waveforms

最后，為驗證文章所提的混合儲能系統控制的合理性與可行性，基于自治區重點實驗室搭建了測試平臺，實驗中利用蓄電池與超級電容（替代飛輪儲能）構建混合系統。中央處理單元為TMS320C5504型DSP；光伏采用開關電源代替，實驗參數：輸出電壓DC 24 V，電流10 A，最大負荷功率為0.3 kW；IGBT 開關頻率為10 kHz；設定直流母線電壓為24 V，逆變器輸出電壓為15 V。當光伏輸出為0.15 kW 時，混合儲能輸出總功率為0.15 kW，當光伏輸出為0.12 kW 時，混合儲能輸出總功率為0.18 kW，當光伏輸出為0.21 kW 時，混合儲能輸出總功率為0.09 kW。當混合儲能配置比例低于發電容量的20%時，母線電壓和電壓頻率波動則會顯著增大，因此需要控制在20%以上。上述實驗測試得到混合儲能的輸出分別為Isc和IBT，母線電壓幅值為uB和fB，如圖12-圖13所示波形。

圖12 混合儲能輸出電流波形Fig.12 Hybrid energy storage output current waveform

圖13 母線電壓及頻率波形圖Fig.13 Bus voltage and frequency waveform diagram

4 結語

文章提出了一種穩定交直流母線電壓和頻率的控制策略。首先通過引入虛擬復阻抗的方法解決了逆變器輸出阻抗、線路阻抗成感性特性的問題，解耦了電壓、頻率與功率之間的關系，簡化了控制算法；其次采用魯棒下垂控制算法綜合了兩類儲能的運行特性，避免了混合儲能的過充過放現象。電池儲能技術成熟、成本低廉，能量大，但充放電次數有限；而飛輪儲能功率密度大于5 kW/kg，能量密度大于20 kWh/kg，效率高于90%，運行壽命長，將二者配合構成混合儲能系統具有較高的經濟效益。最后，通過仿真及實驗得出了混合儲能的配置比例至少為分布式發電容量的20%以上，或者滿足額定負荷20%的功率需求，則可以有效減少電壓頻率波動，提高系統穩定性。