基于混合儲(chǔ)能的直流配電網(wǎng)改進(jìn)電壓分區(qū)控制策略

楊李星，郝思鵬，嚴(yán)曉杰，黃堃

（南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，南京211167）

基于混合儲(chǔ)能的直流配電網(wǎng)改進(jìn)電壓分區(qū)控制策略

楊李星，郝思鵬，嚴(yán)曉杰，黃堃

（南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，南京211167）

為提高直流配電網(wǎng)的電能質(zhì)量，提出了一種基于蓄電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能的母線電壓分區(qū)控制策略，對(duì)母線電壓進(jìn)行6層分區(qū)治理，并網(wǎng)點(diǎn)采用定電壓控制策略，蓄電池用于平抑母線電壓波動(dòng)較小時(shí)的功率缺額，超級(jí)電容用于協(xié)助平抑母線電壓急劇變化時(shí)的功率缺額。最后，通過(guò)Matlab/ Simulink仿真驗(yàn)證了在所有區(qū)間中所提控制策略都能夠有效切換，維持母線電壓穩(wěn)定。

直流配電網(wǎng)；超級(jí)電容；混合儲(chǔ)能；電能質(zhì)量

0 引言

隨著新能源和電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，城市用電量逐年提高，分布式能源和電動(dòng)汽車充電站大量接入，使得傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)面臨著供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性等方面的巨大挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：在同等寬度的輸電走廊上，直流配電網(wǎng)的傳輸功率為交流配電網(wǎng)的1.5倍左右；直流配電網(wǎng)線路理論上不存在無(wú)功損耗，線路損耗僅為交流配電網(wǎng)的15%～50%；直流配電網(wǎng)不存在頻率偏移和無(wú)功補(bǔ)償，能夠簡(jiǎn)單地解決復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的并網(wǎng)難題；直流配電網(wǎng)減少了大量分布式能源和直流負(fù)荷AC/DC的電能轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，經(jīng)濟(jì)性更加優(yōu)越[1-3]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)直流配電網(wǎng)的研究剛剛起步，平抑分布式電源和大功率負(fù)載對(duì)母線電壓造成的波動(dòng)是亟待解決的問(wèn)題之一。蓄電池具有能量密度高和功率密度低的特點(diǎn)，超級(jí)電容具有能量密度低和功率密度高的特點(diǎn)，將兩者的互補(bǔ)特性結(jié)合起來(lái)的混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)能在一定程度上平抑母線電壓波動(dòng)，提高配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。但是由于造價(jià)昂貴和容量限制，儲(chǔ)能裝置無(wú)法單獨(dú)控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、負(fù)荷變化大的配電網(wǎng)母線電壓。

目前，大多數(shù)文獻(xiàn)還集中在直流配電網(wǎng)換流站和微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能控制技術(shù)的研究。文獻(xiàn)[4-6]研究了直流電網(wǎng)換流站自身的控制策略，其本質(zhì)是在傳統(tǒng)主從控制、下垂控制和電壓偏差控制基礎(chǔ)上的策略改進(jìn)；文獻(xiàn)[7-8]研究了直流電網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)的控制策略，通過(guò)設(shè)計(jì)換流站之間有通信和無(wú)通信2種模式下的控制策略為直流電網(wǎng)故障工況的電壓控制提供了控制方案；文獻(xiàn)[9-16]研究了混合儲(chǔ)能的控制策略對(duì)提高微電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，本質(zhì)上是將傳統(tǒng)的電壓控制策略應(yīng)用于混合儲(chǔ)能來(lái)達(dá)到穩(wěn)定母線電壓的目的。但上述文獻(xiàn)均沒(méi)有對(duì)作為上層控制的換流站和下層控制的儲(chǔ)能設(shè)備之間的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行深入研究。

針對(duì)上述問(wèn)題，在單端直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出基于混合儲(chǔ)能的母線電壓分區(qū)控制策略。換流站采用定直流電壓控制策略，平衡母線電壓；蓄電池采用下垂控制策略輔助補(bǔ)償系統(tǒng)的功率差額；超級(jí)電容根據(jù)母線電壓的變化速率平抑急劇的電壓波動(dòng)。最后通過(guò)Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的可行性和有效性。

1 含混合儲(chǔ)能的直流配電網(wǎng)拓?fù)?/h2>

圖1為單端直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由分布式電源（光伏、風(fēng)電場(chǎng)等）、直流負(fù)載、交流負(fù)載、儲(chǔ)能和EVCS（電動(dòng)汽車充電站）組成，并通過(guò)并網(wǎng)點(diǎn)的變流器連接交流主網(wǎng)和低壓直流配電網(wǎng)。其工作原理如下：

（1）蓄電池與超級(jí)電容分別通過(guò)雙向DC/DC變換器并聯(lián)到直流母線上，兩者相互獨(dú)立的充放電電路使系統(tǒng)的控制方式更加簡(jiǎn)單，可靠性更高。

（2）低壓直流配電網(wǎng)主要任務(wù)是接入通信設(shè)備等敏感負(fù)荷。

（3）EVCS具有負(fù)荷和電源雙重特性。正常工作狀態(tài)下，EVCS作為直流負(fù)荷吸收直流配電網(wǎng)的能量；當(dāng)配電網(wǎng)的母線電壓跌落越限時(shí)，EVCS可作為電源向配電網(wǎng)釋放能量，維持母線電壓穩(wěn)定。

為了簡(jiǎn)化分析，將EVCS和低壓直流配電網(wǎng)消耗的有功功率分別等效為兩個(gè)直流負(fù)載，則整個(gè)直流配電網(wǎng)的功率平衡方程為：

式中：Pbat為蓄電池的充放電功率；Psc為超級(jí)電容的充放電功率；PAL，PDL分別為交流負(fù)載和直流負(fù)載消耗的有功功率；Pd為所有分布式電源的輸出總功率；Pc為交流主網(wǎng)對(duì)中壓配電網(wǎng)的輸入功率。

直流配電網(wǎng)與交流主網(wǎng)的并網(wǎng)點(diǎn)處于定功率控制狀態(tài)時(shí)，若由混合儲(chǔ)能維持母線電壓的穩(wěn)定，則混合儲(chǔ)能需要提供的功率為

式中：ΔPAL，ΔPDL分別為交流負(fù)載和直流負(fù)載有功功率的變化量；ΔPd為所有分布式電源輸出總功率的變化量。

直流配電網(wǎng)中幾乎不存在無(wú)功功率，母線電壓是電能質(zhì)量的唯一指標(biāo)。由式（2）可知，通過(guò)控制蓄電池和超級(jí)電容的充放電功率可以平衡分布式電源和負(fù)載的功率差額，從而穩(wěn)定母線電壓。

鑒于蓄電池能量密度大、功率密度小，超級(jí)電容能量密度小、功率密度大的特點(diǎn)。因此將兩者的互補(bǔ)特性相結(jié)合，構(gòu)建蓄電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，利用超級(jí)電容的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性平衡母線電壓急劇變化時(shí)的功率，提高配電網(wǎng)的故障穿越能力。但由于超級(jí)電容儲(chǔ)能深度小，面對(duì)母線電壓偏差值較小的響應(yīng)會(huì)導(dǎo)致能量的匱竭和盈余，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間工作在單端穩(wěn)壓模式，因此利用蓄電池的大儲(chǔ)能深度作為超級(jí)電容的補(bǔ)充，平抑波動(dòng)較小的母線電壓。

2 直流配電網(wǎng)母線電壓控制方案

以下提出一種針對(duì)單端直流配電網(wǎng)的母線電壓分區(qū)控制策略。如圖2所示，將直流母線電壓Udc分為6個(gè)區(qū)間，根據(jù)母線電壓的位置確定相應(yīng)的工作模式，對(duì)變流器實(shí)施相應(yīng)的控制策略。

圖2 母線電壓分區(qū)控制策略

由圖2可知，在6個(gè)區(qū)間中，直流配電網(wǎng)與交流主網(wǎng)PCC（并網(wǎng)點(diǎn)）的雙向AC/DC變流器處于定電壓工作模式；第3，4區(qū)間，母線電壓存在大量紋波且偏差值較小，為防止變流器頻繁切換工作模式，蓄電池與超級(jí)電容處于恒流充放電模式，進(jìn)入并網(wǎng)備用狀態(tài)，保證其他區(qū)間對(duì)母線電壓的電壓調(diào)節(jié)能力；第2，5區(qū)間，蓄電池采用電壓下垂控制策略，超級(jí)電容根據(jù)母線電壓變化速率來(lái)補(bǔ)償配電網(wǎng)的功率缺額或盈余；第1，6區(qū)間，并網(wǎng)變流器、蓄電池和超級(jí)電容共同維持母線電壓穩(wěn)定。當(dāng)母線電壓偏差超過(guò)臨界點(diǎn)0.90和1.10時(shí)，判定直流配電網(wǎng)需要停機(jī)工作，在故障點(diǎn)斷開(kāi)后重新并網(wǎng)[17]。具體控制策略如下：

2.1 雙向AC/DC控制策略

基于VSC（電壓源換流器）技術(shù)的雙向AC/DC變流器中，根據(jù)功率守恒定律可知，交流側(cè)與直流側(cè)的電流關(guān)系為：

式中：Udc，Idc分別為直流側(cè)電壓和電流；Ud，Id分別為交流側(cè)電壓、電流的d軸分量。

由式（3）可知，控制交流側(cè)的d軸電流Id可以調(diào)節(jié)VSC直流側(cè)的電流Idc，從而調(diào)節(jié)直流配電網(wǎng)的功率，穩(wěn)定母線電壓。

圖2（a）中，PCC作為系統(tǒng)的平衡節(jié)點(diǎn)，采用定直流電壓控制方式來(lái)支撐母線電壓，同時(shí)可以防止各分布式電源和儲(chǔ)能之間的功率震蕩。

2.2 蓄電池控制策略

圖2（b）中，當(dāng)直流母線電壓位于第3，4區(qū)間時(shí)，蓄電池處于恒流充放電模式，為了保證在其他區(qū)間的電壓調(diào)節(jié)能力，蓄電池的SOC（荷電狀態(tài)）目標(biāo)值設(shè)定為70%。當(dāng)直流母線電壓位于其他區(qū)間時(shí)，蓄電池采用電壓下垂控制方式，即電壓下垂外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)調(diào)節(jié)。

圖3為蓄電池的DC/DC控制框圖。其中，DC/DC變流器選用雙向DC/DC變流器；ibat為蓄電池的充放電電流；ibatref為蓄電池的電流控制信號(hào)；udcref為蓄電池接入點(diǎn)的母線電壓參考值；kb為蓄電池下垂控制系數(shù)。

需要注意的是，第2，5區(qū)間的udcref取值分別為1.02和0.98。

2.3 超級(jí)電容控制策略

圖3 蓄電池DC/DC控制策略

超級(jí)電容控制策略如圖2（c）所示，直流母線電壓位于第3，4區(qū)間時(shí)，超級(jí)電容處于恒流充放電模式，為保證超級(jí)電容對(duì)母線電壓的瞬時(shí)大幅度跌落或上升有足夠的調(diào)節(jié)能力，SOC目標(biāo)值設(shè)為最大電壓的70%；直流母線電壓位于第2，5區(qū)間時(shí)，超級(jí)電容根據(jù)母線電壓變化速率α選擇工作模式，α的表達(dá)式如下：

式中：Ut，Ut-Δt分別為直流母線當(dāng)前時(shí)刻和前一時(shí)刻的采樣電壓值；Δt為采樣周期。需要注意的是，Δt的取值不能過(guò)大，否則可能出現(xiàn)無(wú)法正確判斷當(dāng)前電壓變化速率的問(wèn)題，一般選取Δt為毫秒級(jí)。

通常情況下，電壓驟變的斜率大于70°，因此根據(jù)式（4）計(jì)算出的α取值范圍來(lái)選擇超級(jí)電容的充放電模式，超級(jí)電容的輸出電流Isc為：

式中：ksc為超級(jí)電容下垂控制系數(shù)；Udc_ref為超級(jí)電容的電壓控制信號(hào)，將Udc_ref設(shè)定為1.02和0.98。當(dāng)α≤-2.75或α≥2.75時(shí)，直流母線電壓急劇變化，超級(jí)電容啟動(dòng)電壓下垂控制補(bǔ)償系統(tǒng)的功率差額。需要注意的是，由于超級(jí)電容需要一定的快速補(bǔ)償能力，所以ksc不宜像傳統(tǒng)的下垂控制一樣取值過(guò)小。

直流母線電壓位于第1，6層時(shí)，超級(jí)電容采用定電壓控制策略，此時(shí)配電網(wǎng)已經(jīng)脫離了正常工作狀態(tài)，超級(jí)電容的任務(wù)是與其他功率源共同補(bǔ)償系統(tǒng)功率差額，快速回到正常工作區(qū)間。

超級(jí)電容的雙向DC/DC變流器控制策略如圖4所示。其中，iscref為超級(jí)電容的電流控制信號(hào)；udcref為超級(jí)電容的電壓控制信號(hào)；1.05和0.95為直流母線額定電壓的±5%的標(biāo)幺值。

圖4 超級(jí)電容DC/DC控制策略

綜上所述，整個(gè)直流配電網(wǎng)母線電壓控制系統(tǒng)的工作流程如圖5所示。其中，0.02，0.05，0.1為直流母線電壓偏差的標(biāo)幺值。

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)

圖5 直流配電網(wǎng)母線電壓控制流程

為了驗(yàn)證基于混合儲(chǔ)能的直流配電網(wǎng)改進(jìn)電壓分區(qū)控制策略的有效性，在Matlab/Simulink仿真軟件中搭建了圖6所示的單端直流配電網(wǎng)模型。仿真模型中母線電壓為380 V，分布式電源由4個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)模擬，并通過(guò)MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）控制器和DC/DC變流器與直流母線連接，其中基本參數(shù)值如下：最大功率點(diǎn)電流Im=25 A，最大功率點(diǎn)電壓Um=120 V，開(kāi)路電壓Uoc=150 V，短路電流Isc=27.2 A，光照強(qiáng)度Sref=1 000 W/m2，工作溫度Tref=25℃，補(bǔ)償系數(shù)a=0.025 A/℃，b= 0.7 A/℃；蓄電池端電壓220 V，根據(jù)蓄電池持續(xù)充放電時(shí)間不少于20 h確定額定容量為1 000 A·h，最大充放電電流60 A，初始SOC為70%；超級(jí)電容使用RC串聯(lián)等效模型，額定電壓為240 V，電容量為4.3 F，串聯(lián)電阻0.2 Ω，最大充放電電流100 A；采用4組純電阻負(fù)載的投切來(lái)模擬電網(wǎng)的電壓波動(dòng)、電壓暫降等運(yùn)行狀態(tài)下的電網(wǎng)穩(wěn)定性。

圖6 單端直流配電網(wǎng)仿真模型

3.2 母線電壓仿真分析

仿真采用了4組負(fù)載的投切來(lái)模擬電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的電壓波動(dòng)和電壓暫降狀態(tài)，并用切斷并網(wǎng)變流器來(lái)模擬電壓中斷事故。圖7（a）模擬直流配電網(wǎng)母線電壓，1～6 s采用切除負(fù)載來(lái)模擬2次電壓波動(dòng)；第7 s采用切斷并網(wǎng)變流器來(lái)模擬電壓中斷；第9 s采用2組負(fù)荷同時(shí)切除來(lái)模擬電壓暫降。圖7（b）為混合儲(chǔ)能并網(wǎng)運(yùn)行后的母線電壓。通過(guò)對(duì)比混合儲(chǔ)能介入前后的母線電壓曲線可以看出，母線電壓波動(dòng)在±0.1 pu范圍內(nèi)，表明混合儲(chǔ)能能夠?qū)χ绷飨到y(tǒng)產(chǎn)生的各種電壓?jiǎn)栴}起到很好的抑制作用。

圖7 母線電壓運(yùn)行仿真結(jié)果

3.3 蓄電池并網(wǎng)運(yùn)行仿真分析

蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)如圖8所示。可以看出，當(dāng)直流母線出現(xiàn)電壓波動(dòng)等問(wèn)題時(shí)，蓄電池能夠快速精準(zhǔn)地跟蹤母線電壓波動(dòng)，補(bǔ)償配電網(wǎng)的功率差額，表明所提出的控制策略具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性。蓄電池經(jīng)過(guò)10 s的連續(xù)運(yùn)行后，SOC降低了不到0.002%，由此可以計(jì)算得出穩(wěn)態(tài)狀況下蓄電池能夠持續(xù)支撐電壓超過(guò)40 h，因此所選蓄電池容量能夠滿足系統(tǒng)長(zhǎng)期不間斷工作的需求。

圖8 蓄電池運(yùn)行仿真

3.4 超級(jí)電容并網(wǎng)運(yùn)行仿真分析

圖9給出了超級(jí)電容運(yùn)行的電壓和電流波形。在1～5 s內(nèi)，由于母線電壓波動(dòng)較小，根據(jù)式（4）的結(jié)果可判斷超級(jí)電容在電壓快速變化的初期出現(xiàn)小幅波動(dòng)。經(jīng)多次仿真發(fā)現(xiàn)：此類現(xiàn)象主要是由于采樣周期選取較大所致，將采樣周期變小后，超級(jí)電容誤動(dòng)作的幾率降低，但減小采樣周期會(huì)增加系統(tǒng)的通信成本。第6～10 s出現(xiàn)電壓中斷和電壓暫降故障時(shí)，超級(jí)電容迅速響應(yīng)，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行快速補(bǔ)償。從圖中可以看出超級(jí)電容的暫態(tài)響應(yīng)迅速，表明配電網(wǎng)受到較大沖擊時(shí)，系統(tǒng)能夠快速平抑母線電壓的波動(dòng)，提高了直流配電網(wǎng)的故障穿越能力。

整個(gè)仿真過(guò)程表明：基于蓄電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能的母線電壓分區(qū)控制策略能夠快速平衡配電網(wǎng)功率差額，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性。蓄電池和超級(jí)電容的容量均可滿足電網(wǎng)的要求。

4 結(jié)論

針對(duì)直流配電網(wǎng)對(duì)平抑母線電壓波動(dòng)的需求，提出了一種基于蓄電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能的母線電壓分區(qū)控制策略。仿真結(jié)果表明：

（1）提出的控制策略具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性，能夠?qū)崟r(shí)平衡配電網(wǎng)功率差額。

圖9 超級(jí)電容運(yùn)行仿真

（2）蓄電池只有恒流充放電和下垂控制2種工作模式，避免了在多種工作模式下的頻繁切換，有利于延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

（3）超級(jí)電容根據(jù)電壓變化速率平抑母線電壓的暫態(tài)變化功率，提高了系統(tǒng)的故障穿越能力。

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（本文編輯：方明霞）

An Improved Control Strategy for Voltage Partitioning of DC Power Distribution Network Based on Hybrid Energy Storage

YANG Lixing，HAO Sipeng，YAN Xiaojie，HUANG Kun
（School of Electric Power Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China）

In order to improve power quality of DC power distribution network，this paper presents a bus voltage partitioning control strategy based on hybrid battery and super capacitor energy storage for six-interval segmentation of bus voltage.The integration point adopts constant voltage control strategy.The battery is used to stabilize the power shortage in the case of small voltage fluctuation，and the super capacitor is used to compensate power shortage in the case of drastic bus voltage changes.Finally，it is demonstrated through Matlab/Simulink that the proposed control strategy can effectively switch and maintain bus voltage stability in all sections.

DC distribution network；super capacitor；hybrid energy storage；power quality

10.19585/j.zjdl.201706005

1007-1881（2017）06-0020-06

TM712；TM721.1

A

2017-03-20

楊李星（1991），男，碩士研究生，從事直流配電網(wǎng)研究。