飛輪與電池混合儲能的直流微網母線電壓波動抑制策略

張繼紅 劉云飛 吳振奎 鮑 鏝 付文豪

（內蒙古科技大學信息工程學院）

微網可以實現自我控制、自我保護和綜合電能管理， 是分布式發電 （Distributed Generation，DG）系統與儲能設備的有效組織方式［1～4］。 伴隨高滲透率的DG接入電網和多樣化負載構成的變化趨勢，有關直流微網的控制技術正逐步成為業內專家研究的熱點［5～7］。

與交流微網相比，直流微網的突出優勢在于無頻率波動、功角變化、不存在渦流和無功損耗。因此，直流母線電壓波動是衡量網內系統功率平衡和微網運行可靠性的重要技術指標［8，9］。一旦直流母線電壓出現波動， 勢必影響負荷的正常運行，甚至引起保護誤動或設備損壞［10，11］。 另外，微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［12，13］。 因此，抑制直流微網母線電壓波動，不僅需要從理論方面提出合理可行的控制策略，還需要考慮設置儲能以增加系統慣性。 筆者主要從這兩方面著手，提出解決問題的可行思路。

為達到穩定直流微網母線電壓的目的，國內外專家從不同層面開展了相關研究， 其中文獻［14］以給定母線電壓作為控制參量實現了能量管理， 通過實時采集母線電壓的變化來確定分布式電源逆變器的工作模式，基本滿足“即插即用”的電源快速“投退”要求。 但該方法存在多個逆變器同時、 同方向調節的現象， 可能引起系統運行超調，出現穩態運行點的變化，尤其對恒功率負載較為不利。文獻［8，15，16］結合本地信息的能量需求和綜合調控方法， 給出了網內含通信信息的二次電壓調節策略，從而補償了母線電壓的波動需求，但該方法對主控制器的可靠性要求較高。 文獻

［17］提出了超級電容和蓄電池的雙儲能系統在微電網中的控制和應用， 設計了抑制功率高頻波動和低頻波動的具體措施，具有一定的參考價值。文獻［18，19］介紹了直流微網電壓綜合協調控制策略并對直流母線電壓進行分區處理， 分別采取不同的控制策略，達到了功率平抑補償目的，但該方法還需綜合考慮雙儲能的容量優化配比和荷電狀態約束，因而應用范圍受到一定限制。

筆者以直流母線電壓波動為研究對象，結合兩類儲能不同工作特性及各自的荷電狀態，提出相應的控制策略。 在考慮一類儲能無法同時滿足負荷的功率密度與能量密度需求的條件下，將飛輪儲能（FESS）和蓄電池儲能兩者進行合理組合，實現優勢互補，延長了蓄電池的使用壽命，降低了電子開關器件動作頻率，提升了微網運行的整體經濟效益。

1 直流微網拓撲結構

直流微網拓撲結構如圖1所示。 光伏發電系統和風力發電機分別通過各自的變流器與母線相連，飛輪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，柴油發電機主要用于緊急情況的電源備用，通常情況下不投入使用，負荷主要為常見的交流與直流負荷，微網經由變流器與主電網連接。 由于并網型微網的控制較為簡單，基本無電壓波動或功率缺額現象，筆者重點研究獨立微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 直流微網拓撲結構

式中 PG——光伏發電系統或風力發電機輸出功率；

PLoad——負載消耗功率；

ΔP——母線的總功率變化量；

ΔPbat——蓄電池功率變化量；

ΔPFESS——飛輪功率變化量。

當ΔP ＞0時， 系統內輸出功率大于負載消耗功率，此時儲能為充電狀態；當ΔP＜0時，系統內輸出功率不足，無法提供負載功率，儲能為放電狀態。 由于直流系統電壓與功率成線性關系，因此微網母線電壓瞬時值可通過儲能系統功率與電流表示：

其中，IHESS為混合儲能系統 （Hybrid Energy Storage System，HESS）的電流。

式（2）表明，連接于母線的負荷變化、分布式電源的出力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其結構

2.1 配置原則

儲能系統（Energy Storage System，ESS）的配置一方面考慮緩減可再生能源發電的隨機性與間歇性，使其出力趨于平滑，有利于微網的穩定運行；另一方面可以實現能量跨時調度，參與配電網的優化設置，增加系統慣性［20］。 電池類儲能具有能量密度大的顯著優勢，但功率密度一般、響應慢，適用于平抑低頻功率波動；而飛輪儲能具有功率密度大、響應速度快的顯著優勢，但能量密度有限，適用于平抑高頻功率波動。 筆者將蓄電池和飛輪儲能進行組合， 構成混合儲能系統， 以期在平抑功率波動層面發揮更有效的作用。

2.2 混合儲能控制結構

蓄電池和飛輪儲能系統結構如圖2所示。 結合兩類儲能的運行特性，要求飛輪的充放電控制優先于蓄電池，并以滿足母線各設備間平滑交換功率為目的。 首先，飛輪儲能基本不受充放電次數限制，屬于功率型儲能設備，因而在充放電控制方面具有優先權；其次，飛輪儲能荷電狀態不滿足充放電時啟動蓄電池運行程序，發揮蓄電池出力功能；最后，若負荷功率波動較大，需要提供較多輸出功率時， 混合儲能同時提供高低頻功率，兩類儲能聯合工作，實現混合儲能共同抑制電壓波動。

圖2 混合儲能系統結構

為簡化儲能系統變流器并減少電力電子開關動作產生的諧波和電能損耗，首先將飛輪所發交流電整流轉換為直流電，然后與蓄電池變流器形成對稱方式并聯于直流母線，并使兩者儲能元件完全隔離，實現各自單獨自由地充放電。 當儲能元件向直流母線放電時DC/DC變換器工作在Boost模式，當直流母線向儲能元件充電時DC/DC變換器工作在Buck模式。 混合儲能的工作電流可表示為：

式中 Ibat——蓄電池輸出電流。

根據圖2系統結構列寫出如下回路電壓電流方程：

式中 Idc——母線電流計算值；

IFESS——飛輪輸出電流；

Ubat——蓄電池輸出電壓；

UFESS——飛輪直流電壓。由此可得出：直流母線電壓波動幅值與儲能充、放電電流直接相關。

3 單元級控制策略

3.1 改進電壓下垂控制策略

光伏、風機和用電負荷投切直接影響直流母線電壓的穩定性，而混合儲能的設置可以在一定范圍內減小其波動值。 為使電壓控制更加精準、有效，筆者擬采用改進電壓下垂控制策略，彌補傳統控制母線電壓跌落、 功率分配不均等問題。下面首先分析傳統電壓下垂模型：

式中 k——下垂系數；

Udc-ref——母線電壓設定值。

傳統下垂控制方式存在如下不足：

a. 電流的變化依賴于母線電壓的變化，若母線電壓偏差較小，則電流的調節處于死區或調節較為緩慢；

b. 電流的調節沒有考慮儲能的荷電狀態情形。

為此， 筆者提出改進系數的下垂控制策略，使各儲能功率分配合理、 荷電狀態趨于一致，并盡可能地減少儲能過充或過放現象。

由于直流微電網中功率交換量一般較小，因此線路線損不會很大，可忽略不計，這樣各混合儲能輸出電壓近似相等，即：

其中，Udc-FESS為飛輪輸出電壓，Udc-bat為電池輸出電壓。 結合式（5）、（6）可以得到飛輪儲能輸出電流下垂系數kFESS與電池輸出功率下垂系數kbat的關系：

可以得知，兩類儲能的下垂系數是可變的，其大小與輸出功率（電流）成反比，解決了傳統下垂控制系數不變、無法智能分配負荷功率的問題。

文獻［17］給出了基于荷電狀態（SOC）的儲能系統下垂系數模型，該模型包含參數較多，算法較為復雜。 為簡單起見，筆者將儲能的荷電狀態分為3個區段， 針對不同區段分別進行設置。 當0.1＜SOC＜0.9時， 儲能的充放電系數參考下式，其余情況為單方向充電或放電模式：

其中，kxi為i類儲能的充放電系數，k0為初始下垂系數，n為功率平衡系數［17］。

3.2 變流器控制策略

為證實混合儲能控制策略的合理性，主要考慮以下3種情形的運行效果 （以蓄電池為例進行說明），設計內容如下。

情形1 蓄電池荷電狀態為SOC＞0.9時，應采用浮充充電，既可以使蓄電池安全充電，又可以維持蓄電池的電量以備放電時使用，浮充充電的控制框圖如圖3所示。

圖3 浮充充電控制框圖

情形2 蓄電池荷電狀態為0.1≤SOC≤0.9時，應采用恒壓充電方式，充電過程中可以隨蓄電池的荷電狀態自動調節充電電流，以加快充電速度。 恒壓充電控制框圖如圖4所示，圖中ICV-ref為限幅后指令電流，ICV-max和ICV-min分別為指令電流的上限值和下限值。

圖4 恒壓充電控制框圖

情形3 蓄電池荷電狀態為SOC＜0.1時，不允許繼續放電， 當需要充電時可以參考圖4給出的模型。

光伏系統工作模式主要考慮最大功率點跟蹤（MPPT）和恒壓控制兩種。 為最大限度地利用可再生能源，光伏系統通常工作于MPPT模式。 當母線電壓過高或功率滿足所供負荷且儲能荷電狀態較高時，應轉換為恒壓模式。 本次設計的光伏模塊控制模型如圖5所示， 圖中Upv為光伏發電輸出電壓，Ipv為光伏發電輸出電流，Uref為恒壓控制給定電壓，Iref為經PI控制器輸出后的給定電流，U、I分別為實際電壓、電流，Gpv為輸出到光伏陣列的控制信號。

圖5 光伏模塊控制模型

風力發電通常采用功率控制模式，并通過偏航、變槳等手段最大程度地捕獲風能。 目前用于風力發電的電機類型較多， 控制策略也不盡相同，此處不再贅述。

4 系統級控制策略

筆者結合飛輪儲能和蓄電池的運行特性，將光伏發電系統、風力發電機及負荷等一并納入控制范圍，采取系統級控制。 首先將風力發電機、光伏發電系統以最大功率跟蹤方式進行發電，若存在多余功率情況時存儲于儲能系統；相反，當負荷增大較多，風、光無法滿足供電需求時啟動儲能進行放電供給負荷。 筆者設計的系統級控制策略如圖6所示，圖中UW為風力發電輸出電壓，IW為風力發電輸出電流，ω為MPPT控制中的角頻率。

圖6 直流微網系統級控制策略

5 微網系統仿真及實驗驗證

5.1 仿真算例

參考圖1結構，采用PSCAD/EMTDC電力系統仿真軟件搭建直流微網仿真模型，參數為：母線電壓0.4 kV，光伏陣列額定功率50 kW，風力發電機額定功率40 kW，蓄電池容量500 A·h，飛輪儲能10 kW，線路阻抗忽略不計，時間以秒為單位。

圖7給出了兩類儲能單獨運行方式的功率輸出波形對比。 系統在0.2 s時負荷增加到3 kW，1.6 s時負荷減少2.5 kW，3 s時負荷增加到4 kW。對以上3種負荷變化過程中的兩類儲能功率輸出進行分析可得：在負荷波動的情況下，兩種儲能方式都可以提供充足的功率輸出，但分析0.2 s和1.6 s時功率變化可以清晰看出，在負荷變化瞬間飛輪儲能可以及時響應并增大或減小輸出功率，而蓄電池儲能會出現時間延遲，面對短時間的功率缺額，飛輪儲能具有絕對優勢，可以對高頻信號起到良好的平抑作用。 從另一方面講，雖然蓄電池儲能響應較慢， 但更適用于功率缺額大、缺額時間較長的負荷變化情況，進而可以很好地平抑低頻信號。 因此混合儲能系統可以保證電壓穩定在最佳狀態。

圖7 飛輪與蓄電池儲能功率輸出波形對比

為進一步說明引入改進下垂系數方法構建混合儲能系統的必要性， 圖8給出了蓄電池單獨作為儲能的輸出功率和母線電壓隨電池輸出功率變化的波形。 由圖可知，蓄電池在負荷變化過程中會給予充足的功率補償，但單臺儲能系統在平抑功率波動時也會引起不同程度的母線電壓波動。分析0.3、0.8、2.0、3.0 s時發生的功率波動情形，盡管功率變化量不等，但均可滿足平抑功率波動所需，卻會導致功率響應不及時問題，進而使母線電壓在0.3、0.8、3.0 s時出現明顯的降落現象。 且功率波動幅度越大，電壓波動現象愈發明顯。 雖然波動幅值符合母線電壓波動范圍要求，但頻繁地充放電無疑會加重該問題的發生，也會引發電池使用壽命降低的問題。

圖8 電池單獨儲能輸出功率與母線電壓波形

引入改進下垂控制法后的混合儲能系統平抑功率波動情況如圖9所示。 在平抑功率波動時，總輸出功率為蓄電池儲能和飛輪儲能輸出功率之和，但由于二者荷電狀態不同，輸出功率大小也存在差異。 如圖9a所示，以2.3 s時為例，蓄電池儲能輸出功率標幺值為0.4，飛輪儲能輸出功率標幺值為0.3，二者所提供的總功率即為負荷所需功率標幺值為0.7。此時，蓄電池的荷電狀態相較于飛輪儲能的荷電狀態較大， 故輸出功率所占比例較大。 此外，放電量與功率分配準則相關，依據改進下垂系數進行合理分配， 在不影響電壓穩定的前提下達到平抑功率波動的作用。 其抑制效果如圖9b所示， 在負荷需求不斷變化的過程中， 混合儲能系統均可提供良好的功率補償。 電流波形顯示， 控制策略能夠快速跟蹤功率變化， 因此母線電壓幾乎無波動現象， 證實了混合儲能系統的優勢。

圖9 混合儲能系統平抑功率波動情況

5.2 實驗測試

借助重點實驗室搭建類似圖1所示的直流微網，實驗中采用TMS320VC54型DSP作為中央處理器，重點測試蓄電池儲能在補償功率過程中母線電壓的波動情況。 蓄電池容量為100 A·h，變流器開關器件選用IGBT，開關頻率為15 kHz，直流負載采用接觸器直接投切方式。

限于文章篇幅，本次實驗僅對直流母線電壓波動和電池補償負荷功率情形進行了測試，實驗結果如圖10所示。 在20 ms時，負荷功率減少了1 kW，對應電流降低4.5 A，母線電壓出現了向上波動的情形，幅值不超5 V；在20 ms時負荷增加1 kW，儲能電流增加4.5 A，母線電壓向下波動大約5 V。 結果證實了儲能系統對于穩定電壓的合理性。

圖10 實驗結果

6 結束語

筆者提出了直流母線電壓穩定控制策略，將母線電壓波動幅值與儲能荷電狀態相結合構建的不同控制策略具有較強的操作性。 采用的改進下垂控制方法綜合考慮了兩類儲能的運行特性，避免了蓄電池的過充與過放情況，降低了電力電子器件的頻繁動作過程，減少了系統諧波的產生幾率，延長了設備的使用壽命，提高了經濟效益。仿真和實驗測試結果均證實了該控制策略的有效性。