光伏微電網(wǎng)中混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制研究*

緱新科 楊 財(cái)

（蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院 蘭州 730050）

1 引言

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是目前備受關(guān)注和推廣的分布式清潔能源之一，在含光伏的微電網(wǎng)中，以充電站等直流負(fù)載的形式實(shí)現(xiàn)分布式能源的就地消納，能有效解決新能源消納問題，提高新能源發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性［1～2］。但光伏發(fā)電具有間歇性、波動(dòng)性等特點(diǎn)，可在微電網(wǎng)中加入儲(chǔ)能裝置平抑光伏發(fā)電的出力波動(dòng)、減小微電網(wǎng)中負(fù)荷發(fā)生突變等情況引起的功率、電壓波動(dòng)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性［3～4］。傳統(tǒng)的單一儲(chǔ)能方式受儲(chǔ)能設(shè)備特性的限制，無法較好地同時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)對(duì)功率和能量的需求，還會(huì)由于頻繁充放電縮短儲(chǔ)能設(shè)備壽命［5～6］。因此，將兩種具有不同特性的儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行組合，能更大程度的滿足微電網(wǎng)系統(tǒng)的需求。文獻(xiàn)［7］和文獻(xiàn)［8］在風(fēng)光混合的系統(tǒng)中采用了電池儲(chǔ)能，但單一的電池儲(chǔ)能常會(huì)由于頻繁的充放電縮短使用壽命；文獻(xiàn)［9］在離網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電系統(tǒng)中，簡(jiǎn)化了儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，但半主動(dòng)型結(jié)構(gòu)中的DC/DC變換器往往會(huì)增加系統(tǒng)成本和風(fēng)險(xiǎn)；文獻(xiàn)［10］中所提方法減小了蓄電池的電流波動(dòng)，但未考慮儲(chǔ)能設(shè)備的充放電保護(hù)問題；文獻(xiàn)［11］所提方法僅考慮了超級(jí)電容的充放電保護(hù)，而傳統(tǒng)的充放電保護(hù)中，當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)達(dá)到過充、過放保護(hù)值時(shí)，會(huì)直接切斷設(shè)備的充放電過程，缺乏過渡，容易造成系統(tǒng)內(nèi)功率的較大波動(dòng)。

本文在光伏微電網(wǎng)中選用鋰電池和超級(jí)電容進(jìn)行組合作為儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過功率分配協(xié)調(diào)兩者的充放電功率，并在儲(chǔ)能設(shè)備充放電管理中加入功率調(diào)整區(qū)改進(jìn)充放電保護(hù)措施，再通過并網(wǎng)變換器的控制實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行。最后，在軟件中搭建該系統(tǒng)的模型，通過多種工況下的仿真運(yùn)行，驗(yàn)證所提方法的有效性。

2 光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。混合儲(chǔ)能系統(tǒng)采用全主動(dòng)式結(jié)構(gòu)［12］，儲(chǔ)能設(shè)備分別通過獨(dú)立的雙向DC/DC 變換器接入直流母線。光伏發(fā)電系統(tǒng)作為微網(wǎng)中的電源；電動(dòng)汽車（EV）充電站由動(dòng)力電池和DC/DC 變換器組成。整個(gè)微電網(wǎng)經(jīng)由AC/DC變換器連接到大電網(wǎng)。

圖1 光伏直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 微電網(wǎng)運(yùn)行模式

1）孤島運(yùn)行

當(dāng)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)中的功率平衡主要通過控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的充、放電來維持。根據(jù)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)內(nèi)功率平衡關(guān)系可知，儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率為

式中：Phess為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)整體的放電功率，由鋰電池和超級(jí)電容放電功率Pbat和Psc兩部分組成；Ppv為光伏陣列的發(fā)電功率；Pload和Pev分別為直流負(fù)載功率和電動(dòng)汽車充電功率；Pdc為維持直流母線電壓所需的功率，由母線電壓誤差值經(jīng)PI 控制器后所得到的電流參考值與母線電壓實(shí)際值相乘得到。

2）并網(wǎng)運(yùn)行

微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，與大電網(wǎng)相連。并網(wǎng)變換器是微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的能量傳輸通道，通過并網(wǎng)變換器的控制可實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸，從而對(duì)直流側(cè)母線電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。此時(shí)有：

式中：Pg定義為由微電網(wǎng)流入大電網(wǎng)的功率。

3 協(xié)調(diào)控制策略

3.1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

鋰電池能量密度大但功率密度低、循環(huán)壽命短，而近幾年研究較多的超級(jí)電容功率密度大、響應(yīng)速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)但能量密度低［13］。因此，將兩種儲(chǔ)能方式相結(jié)合，既能延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命、減小所需的鋰電池容量，還能提高微電網(wǎng)中母線電壓的抗擾動(dòng)能力和儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)速度［14～15］。

本文采用二階低通濾波器對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)所需提供的參考功率進(jìn)行分配，分解后得到的低頻、高頻分量分別作為兩個(gè)儲(chǔ)能設(shè)備的參考輸出功率，可表示為

式中：G(s)為低通濾波器的傳遞函數(shù)；Pbat-ref和Psc-ref分別為鋰電池和超級(jí)電容參考輸出功率。ωn和ξ分別為濾波器的自然角頻率和阻尼系數(shù)。

通過功率分配得到儲(chǔ)能設(shè)備的參考輸出功率后，將其作為變換器控制部分的輸入信號(hào)，采用圖2 所示的控制方式產(chǎn)生DC/DC 變換器的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能設(shè)備的充、放電狀態(tài)控制。圖中，Px-ref為分配后的放電功率參考值，ux和ix分別為儲(chǔ)能設(shè)備端電壓和輸出電流；當(dāng)x分別為bat、sc時(shí)，上述參數(shù)分別為鋰電池、超級(jí)電容的相關(guān)參數(shù)；S1、S2為鋰電池變換器開關(guān)元件，S3、S4 為超級(jí)電容變換器開關(guān)元件。

圖2 雙向DC/DC變換器控制結(jié)構(gòu)圖

3.2 改進(jìn)的功率調(diào)整策略

儲(chǔ)能設(shè)備的傳統(tǒng)充放電保護(hù)中，通常僅在設(shè)備的荷電狀態(tài)（State of Charge）達(dá)到保護(hù)值時(shí)切斷設(shè)備的充放電，但同時(shí)容易產(chǎn)生較大的功率變化，本文通過加入功率調(diào)整區(qū)，以減小儲(chǔ)能設(shè)備狀態(tài)切換時(shí)造成的系統(tǒng)內(nèi)功率波動(dòng)，優(yōu)化儲(chǔ)能設(shè)備的保護(hù)措施。

分別取SOC≥80%、SOC≤20%為過充、過放區(qū)；70%＜SOC＜80% 、20%＜SOC＜30% 為過充、過放功率調(diào)整區(qū)；30%≤SOC≤70% 為正常工作區(qū)。當(dāng)設(shè)備處于過充（過放）或?qū)?yīng)功率調(diào)整區(qū)但需進(jìn)行放電（充電）時(shí)，按式（7）計(jì)算，即不做調(diào)整；當(dāng)設(shè)備處于其他工況時(shí)，采用式（7）～（10）進(jìn)行功率的調(diào)整計(jì)算。

式中：Px-ref、P′x-ref分別為功率調(diào)整前、后儲(chǔ)能設(shè)備的參考輸出功率；k1、k2為調(diào)整系數(shù)，由設(shè)備SOC 獲得；SOCx為儲(chǔ)能設(shè)備當(dāng)前的荷電狀態(tài)。當(dāng)上述公式中的x 分別為bat、sc 時(shí)，上述參數(shù)分別為鋰電池、超級(jí)電容的參數(shù)。本文通過曲線擬合將充、放電功率調(diào)整系數(shù)設(shè)置為

根據(jù)上述調(diào)整策略，可得到圖3 所示的功率調(diào)整曲線。

圖3 功率調(diào)整曲線

3.3 并網(wǎng)AC/DC控制策略

由功率平衡可知，并網(wǎng)變換器直流側(cè)與交流側(cè)電流、電壓滿足如下關(guān)系：

式中：udc、ig為直流側(cè)電壓、直流側(cè)流入變換器的電流，兩者的乘積Pg即為微電網(wǎng)向大電網(wǎng)傳輸?shù)墓β剩籾ac_d和iac_d分別為變換器交流側(cè)三相電壓、電流的d 軸分量。由式（13）可知通過控制iac_d可實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的功率傳輸控制［16～17］。微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，采用如圖4所示控制結(jié)構(gòu)。

圖4 并網(wǎng)AC/DC控制結(jié)構(gòu)圖

圖中，Ps=Ppv+Phess-Pload-Pev；ω和L 分別為交流側(cè)角頻率和濾波電感。由交流側(cè)三相電壓、電流經(jīng)過PLL鎖相及dq變換獲得電壓、電流的d軸和q軸分量；電流的d 軸參考值由有功參考值產(chǎn)生；電流的q軸參考值設(shè)為0；經(jīng)過解耦控制后，再通過逆變換及SPWM得到控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)變換器的控制。

4 仿真分析

根據(jù)所提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制方法，在Matlab/Simulink 軟件中搭建了系統(tǒng)的仿真模型，針對(duì)不同的運(yùn)行工況進(jìn)行了仿真，模型中的主要仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

孤島工況：微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行模式下，即斷開與交流電網(wǎng)的連接，此時(shí)Pg 為零。初始狀態(tài)時(shí)負(fù)載設(shè)置為9kW，光伏發(fā)電輸出功率為20kW。0.6s時(shí)接入電動(dòng)汽車充電負(fù)載6kW，1s時(shí)退出；0.8s時(shí)直流負(fù)載突增至18kW，1.4s時(shí)降至13.5kW；光伏發(fā)電功率1.2s 時(shí)下降5kW，1.6s 時(shí)恢復(fù)20kW。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 孤島工況仿真結(jié)果

由圖5 的仿真結(jié)果可以看出，孤島運(yùn)行時(shí)，若微電網(wǎng)中任意組成部分的功率發(fā)生變化，均會(huì)造成直流母線電壓的波動(dòng)。當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)中的光伏發(fā)電出力大于負(fù)載消耗功率時(shí)，系統(tǒng)中的剩余功率主要由鋰電池充電進(jìn)行吸收；而當(dāng)光伏發(fā)電出力小于負(fù)載消耗功率時(shí)，則由鋰電池放電補(bǔ)充系統(tǒng)中的功率差額。在負(fù)載出現(xiàn)功率突增或光伏出力降低時(shí)，超級(jí)電容會(huì)迅速響應(yīng)，在較短時(shí)間內(nèi)放電補(bǔ)充系統(tǒng)中的功率缺額，而鋰電池放電功率會(huì)逐漸過渡到新的參考值；負(fù)載功率降低或光伏出力增加時(shí)，超級(jí)電容快速動(dòng)作，吸收短時(shí)間內(nèi)的功率沖擊，而鋰電池會(huì)過渡到新的功率參考值以維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

并網(wǎng)工況一：微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行模式下。仿真時(shí)負(fù)載功率與光伏發(fā)電的輸出功率變化與孤島工況相同。但由于并入大電網(wǎng)，增加了流入大電網(wǎng)的功率Pg，其目標(biāo)值為5kW。得到圖6所示的仿真結(jié)果。

圖6 并網(wǎng)工況一仿真結(jié)果

從圖6 可以看出，在仿真條件與工況一相似的情況下，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)存在微電網(wǎng)與大電網(wǎng)間的能量傳輸。當(dāng)微電網(wǎng)能量充足時(shí)，Pg 大于零，此時(shí)由微電網(wǎng)向大電網(wǎng)輸出功率，大電網(wǎng)可以看作微電網(wǎng)的一個(gè)負(fù)載，微電網(wǎng)內(nèi)的功率波動(dòng)主要由儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使并網(wǎng)功率維持穩(wěn)定。

并網(wǎng)工況二：并網(wǎng)運(yùn)行模式下，仿真時(shí)負(fù)載功率設(shè)置為18kW；鋰電池SOC 設(shè)置為20%。在0.8s時(shí)光伏出力由20kW 降至10kW，即光伏發(fā)電功率小于負(fù)載消耗功率，且鋰電池處于過放區(qū)，無法對(duì)微電網(wǎng)中的功率缺額進(jìn)行補(bǔ)充。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7中，由于缺乏鋰電池的功率調(diào)節(jié)作用，當(dāng)微電網(wǎng)中光伏出力小于負(fù)載需求時(shí)，Pg由大于0減小至小于0，即由微電網(wǎng)向大電網(wǎng)輸出功率轉(zhuǎn)為由大電網(wǎng)向微電網(wǎng)注入功率，補(bǔ)充微電網(wǎng)中的功率缺額，此時(shí)微電網(wǎng)內(nèi)的功率波動(dòng)主要由大電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，母線電壓也會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)。

圖8為以鋰電池為例，當(dāng)設(shè)備SOC 達(dá)到過充、過放及功率調(diào)整區(qū)時(shí)的仿真波形。仿真時(shí)，超級(jí)電容初始SOC 設(shè)置為60%；并網(wǎng)功率目標(biāo)值為5kW；初始負(fù)載為9kW；0.4s 時(shí)負(fù)載突增至18kW，0.9s 時(shí)再降到9kW；光伏發(fā)電功率初始為14.5kW，0.7s 時(shí)上升至20kW。圖8（a）中鋰電池初始SOC 分別為20%、24%，即工作狀態(tài)分別處于過放區(qū)、過放功率調(diào)整區(qū)；圖8（b）中鋰電池初始SOC 分別為80%、76%，即工作狀態(tài)分別處于過充區(qū)、過充功率調(diào)整區(qū)。

圖8 改進(jìn)的功率調(diào)整策略仿真結(jié)果

由圖8 可知，采用改進(jìn)的功率調(diào)整策略后，在儲(chǔ)能設(shè)備充（放）電過程中，若設(shè)備SOC 達(dá)到過充（過放）功率調(diào)整區(qū)時(shí)，便對(duì)參考功率進(jìn)行調(diào)整計(jì)算，若設(shè)備SOC 達(dá)到過充（過放）區(qū)時(shí)，則僅可進(jìn)行放電（充電）。可以看出，當(dāng)某一儲(chǔ)能設(shè)備處于過充（過放）調(diào)整區(qū)時(shí)，仍能較好地抑制母線電壓的波動(dòng)，抑制效果雖略差于儲(chǔ)能設(shè)備處于正常工作區(qū)時(shí)，但調(diào)整策略減小了儲(chǔ)能設(shè)備達(dá)到保護(hù)限值時(shí)，狀態(tài)切換造成的功率變化差值，對(duì)降低設(shè)備輸出功率波動(dòng)及延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命等方面具有積極作用。

5 結(jié)語

本文將混合儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于光伏直流微電網(wǎng)中，提出一種改進(jìn)的功率調(diào)整策略及平滑系統(tǒng)功率波動(dòng)的協(xié)調(diào)控制方法，并搭建了所提系統(tǒng)的仿真模型。分別針對(duì)負(fù)荷及光伏發(fā)電功率突變、儲(chǔ)能設(shè)備功率調(diào)整等不同運(yùn)行狀況進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果顯示出混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的加入對(duì)穩(wěn)定光伏直流微網(wǎng)母線電壓的積極作用及本文所提出的控制方法對(duì)減小微電網(wǎng)功率波動(dòng)、提高母線電壓抗擾動(dòng)能力的有效性。