基于復合儲能的微電網(wǎng)運行的切換控制策略

馮天舒，劉　芳

(1.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012；2.中國電力建設工程咨詢有限公司，北京 100120))

基于復合儲能的微電網(wǎng)運行的切換控制策略

馮天舒1，劉芳2

(1.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012；2.中國電力建設工程咨詢有限公司，北京 100120))

摘要：微電網(wǎng)是實現(xiàn)主動式配電網(wǎng)的一種有效形式，微電網(wǎng)技術能夠促進分布式發(fā)電的大規(guī)模接入。針對微電網(wǎng)中并網(wǎng)模式和孤島模式之間的切換，提出一種含復合儲能裝置的微電網(wǎng)優(yōu)化控制策略。這種復合儲能的微電網(wǎng)優(yōu)化控制將超級電容器和蓄電池的優(yōu)點結合到一起，用于由分布式電源作為主控式電源的微電網(wǎng)，以實現(xiàn)微電網(wǎng)平滑切換的目標。利用PSCAD/EMTDC軟件對系統(tǒng)進行研究，結果表明：在切換時間、頻率、電壓上，復合儲能均優(yōu)于蓄電池儲能。

關鍵詞：微電網(wǎng)；復合儲能；運行模式；無縫切換；控制策略

微電網(wǎng)是一種將分布式電源、儲能裝置、負荷、變流器以及監(jiān)控保護裝置等有機整合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)。它可以充分發(fā)揮分布式發(fā)電在經(jīng)濟、節(jié)能及環(huán)保中的優(yōu)勢，協(xié)調與大電網(wǎng)的矛盾，具有較高的靈活性與可調度性。微電網(wǎng)中主要電源的輸出功率具有較大的波動性和隨機性，利用儲能技術可以解決這些問題[1]。微電網(wǎng)對儲能既有速度方面的要求，又有容量方面的要求，一種儲能元件很難同時滿足這些要求，因此，復合儲能技術需要深入研究。蓄電池由于技術成熟、能量密度大、價格低廉得到廣泛應用，容易實現(xiàn)大容量儲能，為此蓄電池主要完成微電網(wǎng)中宏觀上的功率平衡作用。但是微電網(wǎng)中頻繁的充放電容易造成蓄電池溫度升高，嚴重影響蓄電池的壽命，且不能用于功率的快速補償；超級電容器充電功率大，速度快，使用壽命長，可以完成穩(wěn)定頻率、電壓、補償隨時電壓變化等功能[2]。所以，蓄電池與超級電容器組成的復合儲能系統(tǒng)，具有容量密度高、功率密度大、使用壽命長等特點[3]，對于平抑由分布式能源組成的微電網(wǎng)的功率平衡及安全穩(wěn)定運行具有積極的意義。

近年來，許多國內外專家學者，在利用混合儲能平抑間隙式電源功率波動方面進行了卓有成效的研究。文獻[4]將鋰電池與超級電容器的組合形式應用在獨立光伏電站，快速平衡系統(tǒng)瞬時功率，維持系統(tǒng)的可靠性；文獻[5]將鋰電池與超級電容器組成的復合儲能裝置應用于并網(wǎng)光伏電站，優(yōu)化了光伏電站的輸出功率、降低儲能系統(tǒng)運行成本。文獻[6]利用超級電容器與蓄電池的組合，提高儲能系統(tǒng)的技術經(jīng)濟性?；谏鲜鲅芯靠芍?，由超級電容器和蓄電池組成的復合儲能系統(tǒng)，在應對由分布式新能源組成的微電網(wǎng)頻繁快速功率變化、無縫切換控制等方面具有良好的應用前景，但目前在關于這方面研究應用的文獻還不多。

本文在詳細分析了由風電機組、光伏陣列組成的微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行對儲能需求的基礎上，建立了風電機組、光伏陣列及超級電容器和蓄電池組成的復合儲能系統(tǒng)及控制模型。提出了適應于微電網(wǎng)的復合儲能結構及優(yōu)化控制策略，并進行仿真研究，分析復合儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)運行方式切換及平衡系統(tǒng)功率，提高系統(tǒng)可靠性等方面產(chǎn)生的成效。

1系統(tǒng)模型

本文采用的微電網(wǎng)系統(tǒng)結構如圖1所示，交流母線電壓為 0.4 kV，通過升壓變壓器(T)經(jīng)公共連接點(PCC)接入10 kV 配電網(wǎng)(Distributed Network，DN)。系統(tǒng)主要由風力發(fā)電機組(Wind Turbine，WT)、光伏陣列(Photovoltaic Array，PV)、蓄電池(Battery，BAT)、超級電容器(Super Capacitors，SC)及控制器組成。

圖1　微電網(wǎng)結構

圖2　光伏電池等效模型

圖3　復合儲能系統(tǒng)等效模型

圖4　P/Q控制框圖

圖5　U/F控制框圖

圖6　微電網(wǎng)控制流程

1.1光伏電池的模型

光伏電池陣列由一定數(shù)量的單體電池經(jīng)串并聯(lián)構成。它的輸出功率與光照強度、環(huán)境溫度等因素有關。單體光伏電池的等效電路如圖2所示。

圖2中，U，I 分別為光伏電池輸出電壓、電流；Iph為光生電流；ID，UD分別為電池P-N 結產(chǎn)生的擴散電流和端電壓；Rs，Rsh分別為電池的串聯(lián)和并聯(lián)電阻。

1.2復合儲能裝置模型

由蓄電池和超級電容器組成的復合儲能系統(tǒng)裝置等效電路如圖3所示。UB，RB分別為蓄電池的等效電壓和內阻，L 為雙向DC/DC的電感；S1，S2，D1，D2分別為功率開關管；C為直流母線電容；USC，RSC分別為超級電容器等效電壓和內阻。

超級電容器由于其容量大，充放電周期長，可用一個理想電壓源和一個等效內阻串聯(lián)來等效。超級電容器和蓄電池由儲能控制器控制經(jīng)雙向變換器(DC/DC)后接入直流母線。這種連接方式的優(yōu)點是可以使蓄電池、超級電容器工作在不同的電壓范圍，是兩者的容量配置與組合形式靈活可變。

在復合儲能的容量配置方面，蓄電池的容量應能保證微電網(wǎng)中重要負荷的正常供電；超級電容器主要應對切換瞬間的功率平衡，所配容量應滿足微電網(wǎng)中所有負荷的功率要求。

雙饋風力發(fā)電機組模型，參見文獻[7-8]。

2系統(tǒng)控制

2.1并網(wǎng)運行控制策略

當并網(wǎng)運行時，微電網(wǎng)內的功率缺額由配電網(wǎng)來平衡，頻率調整和電壓控制都由配電網(wǎng)來負責，網(wǎng)內分布式發(fā)電(Distributed Generation，DG)逆變器均采用P/Q控制方式，控制流程如圖4所示。

圖4中，P、Q分別為逆變器輸出的有功功率和無功功率；Pref、Qref為中央控制器指定的有功功率和無功功率參考值；ud、uq、id、iq分別為逆變器端電壓、電流的d、q軸分量；usd、usq分別為控制器輸出電壓的d、q軸分量；idref、idref為逆變器電流的d、q軸分量參考值；uref為電壓參考值。

2.2孤島運行控制策略

當孤島運行時，復合儲能系統(tǒng)采用U/F控制方式，為微電網(wǎng)提供頻率和電壓支持，并跟蹤負荷的變化，其余DG采用P/Q控制方式。控制流程如圖5所示。

圖5中，ω為角頻率信號；θ為角度信號； f為工頻；udref、uqref為逆變器端電壓的d、q軸分量參考值。

2.3復合儲能控制策略

復合儲能系統(tǒng)的雙向DC/DG變換器采用Buck/Boost功率變換器形式，見圖3。這種結構體積小、工作效率高。當S1動作，S2驅動閉鎖時，變換器處于Buck模式；當S1驅動閉鎖，S2動作時，變換器處于Boost模式。這種策略可以靈活多層次地設定蓄電池的充放電電流及其相互之間的轉換過程。

2.4無縫切換控制策略

當微電網(wǎng)處于并網(wǎng)模式、孤島模式或者在并網(wǎng)/孤島無縫切換模式的情況下，微電網(wǎng)最主要的任務就是保證微電網(wǎng)系統(tǒng)內的所有敏感負荷可靠正常的運行；另一方面，在并網(wǎng)模式和孤島模式之間進行無縫切換的過程中，微電網(wǎng)內負荷端的電壓幅值和相位不能發(fā)生較大的變化；同時在并網(wǎng)過程中不能產(chǎn)生很大的電流沖擊，導致系統(tǒng)的崩潰。只要上述條件能夠得到保證，微電網(wǎng)就可以在并網(wǎng)模式和孤島模式之間成功地進行無縫切換。

當微電網(wǎng)在并網(wǎng)模式和孤島模式之間進行無縫切換時，不僅需要保證控制策略的成功轉換，而且需要PCC點靜態(tài)開關的準確配合。如果PCC點靜態(tài)開關配合不當，很可能就會導致無縫切換的失敗。此外還需要依靠大電網(wǎng)狀態(tài)快速準確的檢測，并網(wǎng)時電壓的同步檢測等諸多方面，只要有一方面配合不當，很可能就會導致無縫切換的失敗。如果切換失敗，將導致很嚴重的后果。例如，當微電網(wǎng)系統(tǒng)從并網(wǎng)模式向孤島模式轉換時，如果PCC點的靜態(tài)開關沒有正常關斷，就可能導致大電網(wǎng)的不良影響進入微電網(wǎng)，如果沒有敏感負荷實時的保護，微電網(wǎng)系統(tǒng)內的敏感負荷就會全部損壞。

在并網(wǎng)運行情況下，當配電網(wǎng)故障或電能質量不能滿足要求時，檢測公共耦合點(PCC)電壓、頻率，超出允許的范圍時，微電網(wǎng)需要與配電網(wǎng)快速斷開，轉入孤島運行方式，儲能系統(tǒng)的控制方式由P/Q控制轉變?yōu)閁/F控制方式，其余DG仍采用P/Q控制方式。此時，若網(wǎng)內功率不能保持平衡，就要考慮切負荷或者切機；在主網(wǎng)恢復正常運行后，需要將微電網(wǎng)與配電網(wǎng)重新連接。此時，為了避免互聯(lián)過程中對配電網(wǎng)造成較大的暫態(tài)沖擊，必須對微電網(wǎng)進行同期，為此，檢測公共耦合點微網(wǎng)側及配電網(wǎng)側的電壓、頻率及相角，當對應量相差在允許的范圍之內時，完成同期并列。之后，復合儲能系統(tǒng)由U/F控制方式轉變?yōu)镻/Q控制方式，并恢復負荷或DG。微電網(wǎng)控制流程圖見圖6。

3仿真結果及分析

本文在PSCAD/EMTDC軟件平臺上搭建了微電網(wǎng)模型。仿真主要參數(shù)設置如下：光伏發(fā)電容量為15 kW，風力發(fā)電為20 kW；蓄電池容量為100 A·h，額定電壓為240 V，額定放電率為0.3 C，超級電容器為10 F，額定電壓360 V；負荷功率為40+j10 kVA。

微電網(wǎng)并網(wǎng)運行，所有DG均采用P/Q控制，在1 s時，配網(wǎng)發(fā)生故障，檢測到電壓或頻率越限，保護動作，微電網(wǎng)與主配網(wǎng)斷開，由并網(wǎng)轉入孤網(wǎng)運行，儲能裝置控制方式由P/Q轉為U/F方式；在2 s時，配網(wǎng)故障消除，經(jīng)檢測，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)側電壓、頻率、相角差符合同期要求，保護動作，微電網(wǎng)重新與配電網(wǎng)并列運行，電氣量恢復到孤網(wǎng)運行前的狀態(tài)。仿真結果分別見圖7、圖8。

圖7 微電網(wǎng)和配網(wǎng)頻率圖8 微電網(wǎng)和配網(wǎng)電壓

為了便于比較，圖7、圖8中分別給出單獨使用蓄電池儲能和使用復合儲能兩種情況下的結果。

由圖7可知，在1 s之前，并網(wǎng)運行，蓄電池儲能和復合儲能情況下，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)的頻率都是50 Hz，在1s時，功率不再平衡，由于蓄電池輸出限制，頻率波動較大；而復合儲能，由于超級電容器功率密度大，及時彌補功率差額，頻率波動也在允許的范圍之內。2 s后，轉入并網(wǎng)運行，系統(tǒng)頻率逐漸恢復到50 Hz，復合儲能比蓄電池儲能情況所用時間更短。

由圖8可知，在1 s之前，并網(wǎng)運行，蓄電池儲能和復合儲能情況下，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)的電壓近似為220 V，在1 s時，功率不再平衡，由于蓄電池輸出限制，電壓波動較大；在復合儲能情況下，由于超級電容器功率密度大，及時彌補無功功率差額，使得孤網(wǎng)運行期間，電壓波動符合要求。2 s后，轉入并網(wǎng)運行，電壓逐漸恢復到孤網(wǎng)運行前水平，復合儲能情況下，恢復速度更快。

4結論

基于蓄電池與超級電容器的特性，建立微電網(wǎng)的復合儲能系統(tǒng)，提出微電網(wǎng)并網(wǎng)與孤島運行方式平穩(wěn)切換的控制策略，通過仿真實驗得出如下結論：

1)復合儲能兼具能量型儲能及功率型儲能的優(yōu)點，且控制方式靈活、方便。對于實現(xiàn)微電網(wǎng)能量的瞬時平衡，維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行具有重要作用;

2)多層次的控制模式，在運行方式切換前后，使微電網(wǎng)的頻率、電壓都能保持在允許的范圍之內，實現(xiàn)平滑切換;

3)在線檢測頻率、電壓，切換時對電網(wǎng)的沖擊很小，保證電網(wǎng)電能質量。

在下一步的研究中，將考慮超級電容器與蓄電池的容量優(yōu)化配置及微電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟性的改善。

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Control Strategy for Operation Transfer of Micro-grid Based on Hybrid Energy Storage System

FENG Tian-shu1,LIU Fang2

(1.Electrical Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.China Power Coustruction Engineering Co.LTD.Beijing 100120)

Abstract：Micro-grid is to achieve an effective form of active distribution grid，micro-grid technology can facilitate access to large-scale distributed power generation.Switching micro-grid grid between pattern and island modes against proposed micro-grid energy storage device containing a compound of optimal control strategy.This composite storage optimization micro-grid control and advantages of the super-capacitor battery to come together for the distributed power as a master micro-grid power supply to achieve the goals micro-grid smooth handover.Using PSCAD /EMTDC software of the system，the results show that：the switching time，frequency，voltage，complex storage are superior battery energy storage.

Key words：Micro-grid；Hybrid Energy Shortage System；Operation Modes；Seamless Switching；Control Strategies

收稿日期：2016-03-22

作者簡介：馮天舒(1992-)，男，吉林市松原市人，東北電力大學電氣工程學院在讀研究生，主要研究方向：分布式發(fā)電及微電網(wǎng)運行與控制.

文章編號：1005-2992(2016)03-0011-05

中圖分類號：TM715

文獻標識碼：A