吳雨，潘文霞，馮蒙霜，包抒一

（河海大學(xué)可再生能源發(fā)電技術(shù)教育部工程研究中心，南京 210098）

基于混合儲能的微電網(wǎng)功率控制策略

吳雨，潘文霞，馮蒙霜，包抒一

（河海大學(xué)可再生能源發(fā)電技術(shù)教育部工程研究中心，南京 210098）

微電網(wǎng)中間歇式微電源輸出功率較大的不確定和波動，給微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時的電能質(zhì)量和并網(wǎng)運行時的功率可調(diào)度控制帶來了巨大的挑戰(zhàn)。采用單一的儲能系統(tǒng)平滑功率波動，不僅無法很好解決上述兩種問題，且不利于延長儲能元件的壽命。文中利用超級電容的高功率密度、快速充放和蓄電池適于平抑長周期功率波動的特點，提出了基于超級電容和蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)及相應(yīng)的控制策略，微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時采用超級電容平滑波動頻率較高的功率，并網(wǎng)運行時結(jié)合蓄電池平抑頻率較低的功率，通過兩者的共同作用提高了微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行的電能質(zhì)量與并網(wǎng)運行的可調(diào)度性，同時避免了蓄電池頻繁充放電。在PSCAD/EMTDC中建立微電網(wǎng)仿真模型，驗證了所提出的混合儲能結(jié)構(gòu)及其控制策略的可行性。

微電網(wǎng)；微電源；蓄電池；超級電容；混合儲能；控制策略

隨著可再生能源發(fā)電技術(shù)的逐步成熟，可再生能源微電源被大量應(yīng)用到微電網(wǎng)中，滿足了人們對電能和環(huán)境保護的需求，然而這種間歇性微電源的接入給微電網(wǎng)的運行與控制帶來了巨大的挑戰(zhàn)，如何提高微電網(wǎng)供電網(wǎng)質(zhì)量和并網(wǎng)運行的可調(diào)度性成為人們極為關(guān)注的問題。

隨著儲能技術(shù)的迅速發(fā)展，各種儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究日趨廣泛。

目前的儲能方式有蓄電池、超級電容、超導(dǎo)和飛輪儲能[1]等，其中蓄電池儲能技術(shù)成熟、成本低，但充放電次數(shù)受到限制。文獻[2]研究利用電池儲能系統(tǒng)改善并網(wǎng)風(fēng)電場電能質(zhì)量和穩(wěn)定性，文獻[3]著重結(jié)合蓄電池儲能技術(shù)解決了光伏功率波動的問題。相比于蓄電池，超級電容具有超長壽命、高能量密度和快速充放電的優(yōu)點，文獻[4]綜述了超級電容的優(yōu)點及在電車、電子以及電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。根據(jù)蓄電池和超級電容的各自特點，文獻[5]提出了基于多滯環(huán)調(diào)解控制的混合儲能系統(tǒng)，將蓄電池和超級電容組合在同一單元中，減少了蓄電池充放電次數(shù)，但蓄電池和超級電容并不能同時工作。

本文根據(jù)微電網(wǎng)運行模式、微電源和儲能系統(tǒng)各自特點，提出了基于混合儲能的微電網(wǎng)功率控制策略，力求改善微電網(wǎng)在孤網(wǎng)運行時電能質(zhì)量和并網(wǎng)運行時可調(diào)度性問題，并建立PSCAD典型微電網(wǎng)模型，仿真分析說明了本文所提出微電網(wǎng)混合儲能結(jié)構(gòu)和控制策略的有效性。

1 微電網(wǎng)及微電源

微電網(wǎng)是將微電源、負荷、儲能裝置和控制裝置等結(jié)合起來的一個可控系統(tǒng)，同時向用戶供給電能和熱能[6]。微電網(wǎng)既可與主網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行，也可在主網(wǎng)故障或需要時與主網(wǎng)斷開單獨運行。微電網(wǎng)中微電源一般可分為非間歇性微電源（如微型燃氣輪機等）和間歇性微電源（如風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等），微型燃氣輪機以可燃性氣體或液體為燃料，能同時產(chǎn)生熱能和電能[7-8]，其控制方法靈活可采用功率控制和恒壓恒頻控制，恒壓恒頻控制能為微電網(wǎng)在孤網(wǎng)運行時提供電壓和頻率的支撐[9]。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電受天氣和自然環(huán)境較大約束，它們通常采用最大功率跟蹤控制方法[10-12]。間歇式微電源輸出功率的不確定性，降低了微電網(wǎng)供電的電能質(zhì)量和并網(wǎng)運行的可調(diào)度性，因此往往通過加入儲能元件與之形成互補，增強微電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行。

2 混合儲能系統(tǒng)與控制策略

2.1 超級電容儲能系統(tǒng)建模與控制策略

超級電容儲能系統(tǒng)主要由超級電容、雙向DC/ DC和逆變器組成[13]如圖1所示。超級電容采用由等效電容串聯(lián)等效電阻組成的模型，DC/DC部分為非隔離型Buck-Boost雙向變換器（Buck/Boost bi-directional converter），DC/AC部分為電壓源逆變器。

為了實現(xiàn)低壓側(cè)超級電容器與直流高壓之間的能量雙向流動且保持高壓側(cè)電壓恒定，因此本文DC/DC部分采用雙PI控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)高壓側(cè)給定值Udcref與實測值Udc2的偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出高壓側(cè)電流控制信號Idc，由直流變換器占空比定義和功率守恒原則得到超級電容電流參考控制信號Iscref，電流環(huán)的輸出經(jīng)PWM脈寬調(diào)制控制DC/DC變換器。為了滿足超級電容快速吸收和釋放電能需求，VSI部分采用功率外環(huán)加電流內(nèi)環(huán)PI控制，使調(diào)節(jié)過程更加快速平穩(wěn)，實現(xiàn)無差控制。超級電容儲能系統(tǒng)控制框圖如圖2所示，其中Udc1為超級電容電壓，Isc超級電容實測電流，Pscref、Qscref分為超級電容輸出有功與無功參考值。

圖1 超級電容系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of super-capacitor system

圖2 超級電容控制策略Fig.2 Control strategy of super-capacitor

2.2 蓄電池建模與控制策略

考慮蓄電池在處于充放電狀態(tài)時表現(xiàn)出電阻電容特性，本文蓄電池模型采用Thevenin等效模型，比簡單等效電路模型更接近真實的蓄電池電路，如圖3所示。Thevenin模型由理想電源Ub，極化內(nèi)阻Rbp，歐姆內(nèi)阻Rbs，極化電容Cbp構(gòu)成。將蓄電池通過Bi-DC/DC變換器接于直流母線，一方面可實現(xiàn)能量雙向流動，另一方面可使所需蓄電池電壓等級降低。本文采用變功率充放電方式對蓄電池進行充放電，與恒功率充放電方式相比其更符合實際工作狀態(tài)。蓄電池電壓在正常工作范圍內(nèi)時，通過判斷外部需要蓄電池提供電能Cb值大小來控制蓄電池充放電，當(dāng)Cb＜0時，DC/DC變換器處于Buck工作模式給蓄電池充電；當(dāng)Cb＞0時，DC/DC變換器處于Boost模式蓄電池放電，其控制策略如圖4所示。

圖3 蓄電池充放電等效電路模型Fig.3 Equivalent circuit mode of charge and discharge of battery

圖4 蓄電池儲能系統(tǒng)控制策略Fig.4 Control strategy of battery energy storage system

2.3 混合儲能控制策略

微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時向主網(wǎng)輸出或吸收功率，主網(wǎng)期望微電網(wǎng)與其交換的功率按照微電網(wǎng)前一日預(yù)測的凈負荷曲線變化，即能實現(xiàn)微電網(wǎng)的可調(diào)度。然而實際上由于對間歇式微電源輸出的預(yù)測誤差，因此公共連接點PCC（point of common coupling）凈負荷功率必會發(fā)生波動，無法滿足與預(yù)測曲線變化一致，對主網(wǎng)而言波動降低了微電網(wǎng)的可調(diào)度性。

本文提出的基于超級電容和蓄電池混合儲能控制策略如圖5所示，此控制力求改善微電網(wǎng)在孤網(wǎng)運行時電能質(zhì)量和并網(wǎng)運行時的可調(diào)度性。間歇式微電源輸出功率Pb通過一階滯后濾波后得到平滑的間歇式微電源輸出的有功指令Pbp，指令功率Pbp與原Pb之間的差額ΔPsc即為超級電容儲能系統(tǒng)在電容電壓滿足Vscmin＜V＜Vscmax情況下向微電網(wǎng)輸出的功率，通過降低非間歇式微電源輸出瞬時有功波動幅值和頻率來改善微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時的電能質(zhì)量。微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時測得的PCC點凈負荷由通信設(shè)備傳輸?shù)叫铍姵貎δ芟到y(tǒng)功率計算單元，判斷測得的PCC點凈負荷功率是否符合預(yù)測得到的PCC點凈負荷功率決定蓄電池的動作，蓄電池的充放電的先決條件為Vbmin＜V＜Vbmax，通過超級電容和蓄電池的聯(lián)合作用提高微電網(wǎng)并網(wǎng)運行的可調(diào)度性。圖5中Pb為微電網(wǎng)內(nèi)間歇式微電源輸出功率，Ph為非間歇式微電源輸出功率，Pl為負荷功率。

圖5 混合儲能控制策略Fig.5 Control strategy of hybrid energy storage

3 仿真分析

在PSCAD/EMTDC中建立典型低壓微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型[14-16]，對所提出的混合儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)的兩種運行模式下控制策略有效性進行仿真分析，仿真模型中涉及到電力電子器件一律采用理想模型，且開關(guān)頻率足夠高。微電網(wǎng)仿真模型如圖6所示，主要由3種微電源、2種儲能系統(tǒng)和可變負荷組成。微型燃氣輪機額定功率為30 kW、20 kvar，直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機容量100 kVA，光伏陣列容量20 kVA，超級電容器儲能系統(tǒng)安裝在直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機出口，線路阻抗為（0.641+j0.101）Ω/km，超級電容器電容20 F，Vscmin為200 V，Vscmax為900 V，初始電壓為625 V，兼顧靈敏度與平穩(wěn)度一階滯后濾波器的取值G=1、T=0.5，蓄電池儲能系統(tǒng)安裝在公共連接點處，考慮一定充放裕度蓄電池容量500 A·h，額定電壓500 V，最大工作電壓為800 V，最小工作電壓為200 V。

圖6 微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6Structure of microgrid system

3.1 混合儲能對提高微電網(wǎng)孤網(wǎng)電能質(zhì)量的控制效果

微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時，直驅(qū)風(fēng)機和光伏陣列采用單位功率因數(shù)控制。微型燃氣輪機采用v/f控制策略，以保證系統(tǒng)功率變化時微電源與負荷之間的功率平衡，并為系統(tǒng)提供電壓和頻率支撐。

圖7為0—6 min內(nèi)風(fēng)速曲線，第1 min時微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行，1—6 min內(nèi)考慮到光照、溫度及負荷變化較小，在此情況下認為光伏陣列輸出功率恒定為18 kW/0 kvar和負荷恒定為60 kW，微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行功率波動主要是由風(fēng)機輸出引起。孤網(wǎng)運行時直驅(qū)風(fēng)機輸出功率如圖8所示，由圖看出風(fēng)機有功輸出波動范圍較大，該波動直接導(dǎo)致了微電網(wǎng)電能質(zhì)量下降如圖9（a）所示。依據(jù)采用本文所提出的混合儲能系統(tǒng)，對平滑波動幅度較大的瞬時功率只需投入超級電容儲能系統(tǒng)即可，蓄電池處于待工作狀態(tài)。圖10（a）即為在直驅(qū)風(fēng)機輸出端口加入超級電容儲能系統(tǒng)后送入微電網(wǎng)的功率，比未加儲能系統(tǒng)時的瞬時波動降低，由圖9（b）看出微電網(wǎng)孤網(wǎng)電能質(zhì)量得到明顯提高，超級電容吸收和釋放的功率如圖10（b）所示。

3.2 混和儲能對提高微電網(wǎng)并網(wǎng)可調(diào)度性的控制效果

考慮0—24 h內(nèi)溫度、光照、風(fēng)速和負荷變化曲線如圖11所示，圖12為微電網(wǎng)預(yù)測PCC點凈負荷曲線。

圖7 風(fēng)速曲線Fig.7 Curve of wind

圖8 直驅(qū)風(fēng)機輸出的功率Fig.8 Output of PMSG

圖9 微電網(wǎng)孤網(wǎng)電壓Fig.9 Voltage of microgrid on island operation mode

圖10 風(fēng)機輸出與超級電容釋放和吸收的功率Fig.10 Power of PMSG and supercapacitor

圖110 —24 h溫度、光照、風(fēng)速和負荷曲線Fig.11 Curves of temperature，illumination，wind speed and load

圖12 微電網(wǎng)PCC點預(yù)測凈負荷曲線Fig.12 Forecast net load curve of PCC

仿真過程中忽略電機響應(yīng)時間和電網(wǎng)暫態(tài)過程，并網(wǎng)運行時燃氣輪機采用功率控制，輸出的額定功率為30 kW、20 kvar，直驅(qū)風(fēng)機與光伏陣列采用單位功率因數(shù)控制，其功率輸出如圖13所示。

在無任何儲能元件情況下，PCC點凈負荷隨微電源輸出和負荷變化無規(guī)律波動，不能滿足主網(wǎng)的要求，嚴(yán)重降低了微電網(wǎng)并網(wǎng)運行的調(diào)度性。若只在PCC點加入蓄電池儲能系統(tǒng)，而蓄電池不能進行快速充放電的動作，因此無法平滑掉波動較快的有功功率，PCC凈負荷曲線無法滿足主網(wǎng)對微電網(wǎng)的要求，如圖14（b）所示。單加入超級電容儲能系統(tǒng)，PCC點凈負荷波動率減小但仍不滿足主網(wǎng)對微電網(wǎng)PCC點凈負荷要求，如圖14（c）所示。圖14（d）為采用本文所提出的混合儲能系統(tǒng)的仿真結(jié)果圖，充分利用超級電容-蓄電池互補特性，使得實際PCC點凈負荷與預(yù)測凈負荷曲線基本吻合，達到了預(yù)期的控制目標(biāo)，有效的提高了微電網(wǎng)并網(wǎng)運行的可調(diào)度性，混合儲能系統(tǒng)蓄電池和超級電容的充放電曲線如圖15所示。

圖13 直驅(qū)風(fēng)機、光伏陣列功率輸出Fig.13 Output of PMSG and PV

圖14 不同情況下PCC點凈負荷曲線Fig.14 Net load curves of PCC in different situations

圖15 超級電容和蓄電池充放電曲線Fig.15 Charge and discharge curves of supercapacitor and battery

4 結(jié)語

儲能系統(tǒng)對維持微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有十分重要的作用，本文針對微電網(wǎng)電能質(zhì)量和并網(wǎng)功率可調(diào)度問題提出了基于超級電容和蓄電池混合儲能系統(tǒng)及其控制策略。文中建立了PSCAD/ EMTDC的典型微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型，對微電網(wǎng)在孤網(wǎng)和并網(wǎng)兩種運行方式下的儲能控制策略進行了仿真分析，仿真結(jié)果表明采用本文提出的混合儲能系統(tǒng)和控制策略后，微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行的電能質(zhì)量明顯提高；在可調(diào)度方面微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時混合儲能比單一儲能更有利于對PCC點功率的控制，增強了微電網(wǎng)運行的可調(diào)度性與安全性。

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Power Control Strategy for Microgrid Based on Hybrid Energy Storage System

WU Yu，PAN Wen-xia，F(xiàn)ENG Meng-shuang，BAO Shu-yi
（Research Center for Renewable Energy Generation Engineering，Ministry of Education，Hohai University，Nanjing 210098，China）

The output fluctuation of intermittent micro-power in mircrogrid will bring great challenge to the control of power quality at the island operation mode and the power schedulability at the grid-connected operation mode. Using one type of energy storage system to smooth the power fluctuation is hard to perfectly solve the above problems but is not good to extend the life of energy storage device.This paper proposes a control strategy based on hybrid energy storage system consisted of super-capacitor and battery，which takes advantage of the battery to smooth long-periodic fluctuation power and the high power density，fast charge and discharge of the super-capacitor.The super-capacitor is used to smooth the high fluctuation power when the microgrid on island operation mode.By combining with the battery，the super-capacitor can be used to smooth the low fluctuation power when the microgrid on grid-connected operation mode.Therefore，the power quality on island operation mode and schedulability of the microgrid on grid-connected operation mode can be improved，and too much charge and discharge of the battery can be avoided.A simulation model of microgrid is built by PSCAD，and simulation results verify the feasibility of the proposed hybrid energy storage construct and control strategy.

microgrid；micro-power；battery；super-capacitor；hybrid energy storage；control strategy

TM73

A

1003-8930（2013）02-0109-06

吳雨（1987—），男，碩士研究生，研究方向為可再生能源發(fā)電技術(shù)。Email：rainlchina@yahoo.cn

2012-08-30；

2012-10-08

南通河海大學(xué)海洋與近海工程研究院“科技研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化引導(dǎo)專項”

潘文霞（1961—），女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事電氣工程領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。Email：pwxhh@yahoo.com.cn

馮蒙霜（1989—），女，碩士研究生，研究方向為儲能技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用。Email：jessicafmsz@163.com