李 斌，寶海龍，郭 力

（天津大學(xué) 智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

0 引言

微電網(wǎng)可以與常規(guī)電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以獨(dú)立運(yùn)行［1-2］。近年來由于可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量不斷增加，微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)功率波動(dòng)對(duì)電能質(zhì)量與安全穩(wěn)定的影響越來越受到重視。利用儲(chǔ)能裝置雖然可在一定程度上起到抑制功率波動(dòng)的作用，但是單一的儲(chǔ)能裝置很難同時(shí)滿足功率與能量?jī)煞矫嬉?，而利用超?jí)電容與蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于微電網(wǎng)的穩(wěn)定控制、電能質(zhì)量的改善和不間斷供電具有非常重要的作用［3-6］。

文獻(xiàn)［7］介紹了儲(chǔ)能技術(shù)在分布式發(fā)電中的應(yīng)用，以及各種儲(chǔ)能方式的原理及其優(yōu)缺點(diǎn)；文獻(xiàn)［8］詳細(xì)介紹了超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能方式在微電網(wǎng)中的應(yīng)用；文獻(xiàn)［9］針對(duì)超級(jí)電容與電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，在平滑控制與傳統(tǒng)限值管理的基礎(chǔ)上，提出了一種新的能量管理方法；文獻(xiàn)［10］從理論上證明了混合儲(chǔ)能可以充分利用蓄電池和超級(jí)電容器的互補(bǔ)特性，提高儲(chǔ)能的功率輸出能力；文獻(xiàn)［11］利用超級(jí)電容器功率密度高和循環(huán)壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，通過雙向DC/DC變換器的多滯環(huán)控制，優(yōu)化了蓄電池的充放電過程，延長(zhǎng)了其使用壽命；文獻(xiàn)［12］提出了利用超級(jí)電容與蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)的功率平衡；文獻(xiàn)［13］針對(duì)包含海水淡化負(fù)荷的風(fēng)光柴儲(chǔ)孤立微電網(wǎng)，設(shè)計(jì)了協(xié)調(diào)運(yùn)行控制策略，該策略可以保證孤立系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，并且能夠提高系統(tǒng)全壽命周期經(jīng)濟(jì)性?；谝陨涎芯?，可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于混合儲(chǔ)能的研究多是考慮儲(chǔ)能設(shè)備在并網(wǎng)運(yùn)行情況下，如何利用混合儲(chǔ)能的互補(bǔ)特性而得到較為平滑和穩(wěn)定的功率輸出，避免由于分布式電源和儲(chǔ)能設(shè)備的接入造成系統(tǒng)的功率波動(dòng)。但在微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)過程中，如何盡可能滿足負(fù)荷的功率需求和可再生能源的最大功率輸出，同時(shí)優(yōu)化混合儲(chǔ)能單元的工作特性以達(dá)到良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性仍然是值得深入研究的重要課題之一。

但在以往的研究成果中，對(duì)于微電網(wǎng)孤島運(yùn)行情況下混合儲(chǔ)能的控制策略一般需要實(shí)時(shí)采集微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的分布式電源出力及負(fù)荷需求，再由能量管理系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行功率分配，這種傳統(tǒng)方式對(duì)于微電網(wǎng)覆蓋面小、分布式電源種類少以及負(fù)荷分布集中的場(chǎng)合具有更好的可行性，但仍依賴于通信系統(tǒng)。

本文針對(duì)光伏發(fā)電單元與混合儲(chǔ)能所構(gòu)成的微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)，分析研究了微電網(wǎng)孤島穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求，提出了由超級(jí)電容與蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的自適應(yīng)能量管理控制策略，以達(dá)到在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式下，功率波動(dòng)時(shí)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)具有快速的響應(yīng)能力，不僅滿足微電網(wǎng)運(yùn)行的電能質(zhì)量要求，也最大限度地滿足負(fù)荷的功率需求。該控制策略對(duì)于微電網(wǎng)中功率和能量的頻繁快速變化，造成微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)內(nèi)功率缺額不停地正負(fù)變化時(shí)，不需通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各種分布式電源的出力及負(fù)荷的需求來計(jì)算功率缺額，而是由超級(jí)電容直接實(shí)時(shí)補(bǔ)償功率缺額，再由混合系統(tǒng)自主地合理分配功率缺額給蓄電池和超級(jí)電容。本方法適用于微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源多樣以及負(fù)荷分布分散的情況，且有效地減少了蓄電池充放電次數(shù)，延長(zhǎng)了其使用壽命，同時(shí)不需要額外的通信系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)全壽命周期經(jīng)濟(jì)性。

1 光伏與混合儲(chǔ)能所構(gòu)成的微電網(wǎng)系統(tǒng)

1.1 微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文研究的微電網(wǎng)系統(tǒng)采用建筑并網(wǎng)光伏電源。由于光伏電源出力具有間歇性和隨機(jī)性，輸出功率容易受到天氣影響，尤其在多云天氣，發(fā)電功率會(huì)出現(xiàn)快速劇烈變化，同時(shí)考慮到負(fù)荷的波動(dòng)性，因此必須配備相應(yīng)的儲(chǔ)能單元［14-15］。

蓄電池是當(dāng)前最常用的儲(chǔ)能單元，但由于其單體造價(jià)高，使用次數(shù)有限制，且單一的儲(chǔ)能單元無法同時(shí)滿足微電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)功率與能量的要求，所以本文采用超級(jí)電容與蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，以滿足微電網(wǎng)運(yùn)行的電能質(zhì)量要求和負(fù)荷的功率需求。

雙方共同構(gòu)成的微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of islanded microgrid

蓄電池與超級(jí)電容通過各自的DC/DC變換器連接到直流母線上，再通過統(tǒng)一的DC/AC變換器連接到交流母線上，光伏發(fā)電系統(tǒng)通過DC/AC變換器直接與交流母線相連，再與負(fù)荷相連組成整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)。當(dāng)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，缺乏大電網(wǎng)供電，可能有負(fù)荷無法滿足，則需要切除負(fù)荷。為使微電網(wǎng)保持足夠的靈活性和可靠性，將微電網(wǎng)中的負(fù)荷分為重要負(fù)荷和次要負(fù)荷（可中斷負(fù)荷）。

忽略系統(tǒng)各部分的能量損耗，由能量守恒可得上述系統(tǒng)各進(jìn)線功率之間的關(guān)系式如下：

其中，Pbat為蓄電池功率；Psc為超級(jí)電容功率；Ppv為光伏系統(tǒng)功率；Pload為負(fù)荷功率；Pnet-load為微電網(wǎng)孤島凈負(fù)荷功率（微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，凈負(fù)荷功率等于微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷需求功率減去可再生能源的輸出功率）。

1.2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)

蓄電池屬于能量型儲(chǔ)能裝置，輸出功率變化范圍小、變化速率慢，且充放電循環(huán)次數(shù)少（如鉛酸蓄電池的滿充放電循環(huán)次數(shù)僅為 600～1000 次［16］）；超級(jí)電容屬于功率型儲(chǔ)能裝置，輸出功率變化范圍大、變化速率快，且充放電循環(huán)次數(shù)多［17-18］。

本文采用的蓄電池模型由一個(gè)受控電壓源和常值內(nèi)阻串聯(lián)組成［19-21］，在此模型中將蓄電池的充放電狀態(tài)作為狀態(tài)變量，蓄電池的參數(shù)均是根據(jù)放電特性曲線得到，并且也完全適用于充電特性。

受控源端電壓的表達(dá)式為：

其中，Ubat為蓄電池的空載電壓（V）；Ubat0為蓄電池的恒定電壓（V）；Ibat為蓄電池的出口電流（A）；K 為極化電壓（V）；Q 為蓄電池的容量（A·h）；A為指數(shù)區(qū)域幅值（V）；B 為指數(shù)區(qū)域時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)（A/h）。

超級(jí)電容模型由一個(gè)受控電壓源和常值電容并聯(lián)組成。受控源端電壓的表達(dá)式為：

其中，Usc為超級(jí)電容的端電壓（V）；Usc0為超級(jí)電容的初始電壓（V）；Isc為超級(jí)電容的出口電流（A）；C 為超級(jí)電容的電容值（F）；R為超級(jí)電容的內(nèi)阻（Ω）。

2 光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)孤島運(yùn)行的自適應(yīng)控制

2.1 微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)能單元的功率變換器控制方式

光伏發(fā)電單元并網(wǎng)逆變器有單級(jí)式和雙級(jí)式2種模型，均通過逆變控制實(shí)現(xiàn)光伏陣列的功率控制及輸出?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)的雙級(jí)式變流器主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。前級(jí)DC/DC模塊允許能量的雙向流動(dòng)，為減小開關(guān)損耗，這里采用獨(dú)立PWM控制方式，即當(dāng)下橋臂進(jìn)行PWM、上橋臂關(guān)斷時(shí)，電路處于Boost放電狀態(tài)；當(dāng)上橋臂進(jìn)行PWM、下橋臂關(guān)斷時(shí)，電路處于Buck充電狀態(tài)。后級(jí)DC/AC為三相電壓源型雙向變流器，最后經(jīng)LCL濾波器與負(fù)荷相連。

DC/DC模塊和DC/AC模塊通過直流母線電容解耦，2級(jí)模塊之間的功率變化將直接導(dǎo)致直流母線電容電壓出現(xiàn)波動(dòng)，其電容電壓動(dòng)態(tài)方程為：

其中，udc、io和idc分別為直流母線電壓、直流側(cè)輸出電流及DC/AC側(cè)輸入電流，如圖2所示。

忽略變流器損耗，直流側(cè)輸出功率為：

圖2 雙級(jí)變流器主電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Main circuit of two-stage converter

其中，pdc、ubat、ibat、usc和 isc分別為直流側(cè)功率、蓄電池端電壓、蓄電池輸出電流、超級(jí)電容端電壓及超級(jí)電容輸出電流。

微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)要保證微電網(wǎng)系統(tǒng)的功率動(dòng)態(tài)平衡和系統(tǒng)電壓質(zhì)量滿足負(fù)荷要求。各分布式電源的控制及配合應(yīng)實(shí)現(xiàn)2個(gè)主要控制目標(biāo)：

a.分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率控制；

b.微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓控制。

鑒于超級(jí)電容的快速響應(yīng)能力和蓄電池的能量?jī)?chǔ)備容量，微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行時(shí)不同儲(chǔ)能設(shè)備應(yīng)具有不同的控制策略并補(bǔ)償相應(yīng)的系統(tǒng)凈負(fù)荷功率缺額?；陔p級(jí)式變流器蓄電池和超級(jí)電容等儲(chǔ)能裝置孤島運(yùn)行時(shí)，蓄電池DC/DC變換器采用功率控制，對(duì)系統(tǒng)功率輸出進(jìn)行控制，超級(jí)電容DC/DC變換器控制直流母線電壓。蓄電池和超級(jí)電容通過各自的DC/DC功率變換單元并聯(lián)到直流母線上，再通過DC/AC功率變換單元連接到交流母線上。

蓄電池的電流參考值ibat_ref可根據(jù)功率參考指令直接得到，其變流器功率控制框圖如圖3所示。蓄電池DC/DC模塊在ibat_ref為正時(shí)工作于Boost放電狀態(tài)，在ibat_ref為負(fù)時(shí)運(yùn)行在Buck充電模式。

圖3 蓄電池DC/DC模塊控制框圖Fig.3 Block diagram of DC /DC module control for battery

超級(jí)電容的電流參考值isc_ref可根據(jù)直流側(cè)母線電壓指令直接得到，其DC/DC電壓控制框圖見圖4。超級(jí)電容DC/DC支路的第一個(gè)PI控制環(huán)為無差調(diào)節(jié)，理想情況isc_ref等于0，即在直流側(cè)母線電壓穩(wěn)定后，超級(jí)電容器既不輸出功率也不吸收功率。

圖4 超級(jí)電容DC/DC模塊控制框圖Fig.4 Block diagram of DC /DC module control for supercapacitor

2.2 微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)混合儲(chǔ)能的自適應(yīng)控制策略

當(dāng)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，由于缺少外部大電網(wǎng)的電壓和頻率支撐，就需要微電網(wǎng)自身保持其內(nèi)部電能的供求平衡，還需要保證電壓和頻率的質(zhì)量。常規(guī)的微電網(wǎng)控制方式分為主從控制和對(duì)等控制。以主從控制為例，其意味著微電網(wǎng)中多個(gè)分布式電源只有1個(gè)或者多個(gè)分布式電源作為主控單元，采用U/f控制方式，其余的分布式電源均為從控單元，從控的分布式電源的并網(wǎng)控制都采用PQ控制。例如圖2所示的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)主電路中超級(jí)電容采用U/f控制策略，蓄電池采用PQ控制策略。這種控制方式需要采集負(fù)荷的實(shí)時(shí)狀態(tài)，計(jì)算出微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)的凈負(fù)荷，進(jìn)而決定采用PQ控制的儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率輸出。在微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算和傳輸過程會(huì)造成一定的延時(shí)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)這種控制方式也十分依賴通信設(shè)備，一旦發(fā)生通信異常情況，微電網(wǎng)的控制可能會(huì)失靈，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。

為避免這種情況的發(fā)生，本文提出了一種新型超級(jí)電容與蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率自適應(yīng)控制策略。這種自適應(yīng)控制策略是在由圖3和圖4蓄電池和超級(jí)電容器組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行上層的功率控制?？刂瓶驁D如圖5所示。

當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)孤島運(yùn)行時(shí)，如果功率需求發(fā)生變化，超級(jí)電容器優(yōu)先動(dòng)作補(bǔ)償功率缺額，則此時(shí)系統(tǒng)的功率缺額為Psc，如此便不需計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)的功率缺額，而是實(shí)時(shí)保持系統(tǒng)能量供求平衡。但由于超級(jí)電容本身能量密度較小，其輸出功率越大或輸出時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)，超級(jí)電容的能量越容易達(dá)到最大 /最小限值，所以超級(jí)電容不能長(zhǎng)時(shí)間對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率進(jìn)行控制，本文通過自適應(yīng)控制策略將暫時(shí)由超級(jí)電容承擔(dān)的負(fù)荷缺額逐步轉(zhuǎn)移給蓄電池，由蓄電池來承擔(dān)功率缺額的補(bǔ)償，即圖5中所示Pss。在這種控制策略下，蓄電池的功率變化更為平滑，不會(huì)像常規(guī)控制那樣造成蓄電池功率變化過快，并減少了蓄電池充放電次數(shù)。當(dāng)直流側(cè)母線電壓穩(wěn)定時(shí)，超級(jí)電容器不再輸出功率，此時(shí)微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)凈負(fù)荷的功率缺額由蓄電池全部補(bǔ)償，則微電網(wǎng)孤島凈負(fù)荷功率為：

圖5 超級(jí)電容與蓄電池功率控制框圖Fig.5 Block diagram of power control for supercapacitor and battery

如果蓄電池?zé)o法全部補(bǔ)償微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)的功率缺額，超級(jí)電容就需要承擔(dān)剩余的功率缺額，以保證系統(tǒng)的電能質(zhì)量要求和負(fù)荷的功率需求。如果功率缺額超出混合儲(chǔ)能系統(tǒng)所能承受的范圍，為保證主要負(fù)荷的正常工作，就需要切除部分或全部切除次要負(fù)荷以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5中超級(jí)電容功率Psc（系統(tǒng)功率缺額）與參考值Psc_ref（初始為0）做差即為微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)的瞬時(shí)功率缺額，再通過PI控制環(huán)調(diào)節(jié)得到系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的功率缺額Pss，如果Pss未超出蓄電池的功率限值，此時(shí)蓄電池輸出功率的參考值與Pss相等，如果Pss超出了蓄電池的功率限值，蓄電池輸出功率為上 /下限值。Pbat_ref為負(fù)表示充電，為正則表示放電。

微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)中超級(jí)電容輸出功率的參考值Psc_ref的大小取決于系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的功率缺額Pss與蓄電池輸出功率的參考值Pbat_ref，即：

當(dāng)Pbat_ref_min≤Pss≤Pbat_ref_max時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的功率缺額Pss未超出蓄電池輸出功率的上下限值，即系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的功率缺額由蓄電池全部供給，不存在剩余功率，超級(jí)電容不需要參與功率調(diào)節(jié)，即：

當(dāng) Pss＜Pbat_ref_min＜0 或者 Pss＞Pbat_ref_max＞0 時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的功率缺額Pss超出蓄電池輸出功率的上下限值，蓄電池?zé)o法再進(jìn)行充電或者放電，此時(shí)微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)存在剩余功率，需要超級(jí)電容參與功率調(diào)節(jié)，補(bǔ)償剩余功率，即：

Psc_ref為負(fù)表示充電，為正則表示放電。如果超級(jí)電容由于其儲(chǔ)能限制而不能滿足對(duì)功率缺額的補(bǔ)償，則必須采取相應(yīng)的切負(fù)荷措施。

3 PSCAD仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提出控制策略的正確性，根據(jù)圖1的微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，在PSCAD/EMTDC環(huán)境下搭建了一個(gè)含光伏發(fā)電系統(tǒng)和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（蓄電池與超級(jí)電容并聯(lián)）及不同負(fù)載的微電網(wǎng)孤島仿真平臺(tái)。其中光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)范圍為5～15 kW，假設(shè)實(shí)際微電網(wǎng)孤島中光伏和負(fù)荷的功率采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信時(shí)間為0.1 s。

蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率為20 kW，按照其滿容量且以最大功率輸出時(shí)持續(xù)時(shí)間不小于10 h的原則，確定其容量為400 A·h，額定電壓為500 V；超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率為20 kW，按照其滿容量且以最大功率輸出時(shí)持續(xù)時(shí)間不小于30 s的原則，確定其電容值為10 F，額定電壓為400 V。

下面通過不同算例對(duì)本文提出的微電網(wǎng)自適應(yīng)控制策略和常規(guī)的微電網(wǎng)控制策略進(jìn)行比較，以驗(yàn)證負(fù)荷需求功率和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率在各種變化情況下本文提出的控制策略的有效性。

算例1：保持光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率固定，在0.2s時(shí)系統(tǒng)三相對(duì)稱負(fù)荷需求功率驟降，凈負(fù)荷由12 kW驟降為4 kW，具體仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 算例1的仿真驗(yàn)證波形圖Fig.6 Simulative waveforms of case 1

通過對(duì)圖6中蓄電池輸出功率的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在負(fù)荷需求功率驟降時(shí)，在常規(guī)控制策略中蓄電池輸出功率變化劇烈，對(duì)蓄電池沖擊大；在自適應(yīng)控制策略下蓄電池輸出功率變化較平滑，對(duì)蓄電池起到保護(hù)作用。通過對(duì)孤島系統(tǒng)直流側(cè)母線電壓的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在負(fù)荷需求功率驟降時(shí)，具有自適應(yīng)控制策略的直流側(cè)母線電壓相對(duì)于常規(guī)控制策略的直流側(cè)母線電壓變化范圍小，恢復(fù)時(shí)間短，這有利于保證微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)運(yùn)行的電能質(zhì)量。

算例2：保持光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率固定，在0.2 s時(shí)系統(tǒng)三相對(duì)稱負(fù)荷需求功率發(fā)生短時(shí)變化后又恢復(fù)到原值，即凈負(fù)荷由-4 kW升高到6 kW又迅速降落到-4 kW，具體仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 算例2的仿真驗(yàn)證波形圖Fig.7 Simulative waveforms of case 2

通過對(duì)圖7中蓄電池輸出功率變化的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在負(fù)荷需求功率短時(shí)升高并迅速恢復(fù)到原值時(shí)，具有自適應(yīng)控制策略的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池輸出功率基本不變，對(duì)蓄電池沖擊??；而采用常規(guī)控制時(shí)蓄電池輸出功率分別在t1和t22次穿越零點(diǎn)，意味著瞬時(shí)出現(xiàn)了1次放電和充電的過程，對(duì)蓄電池沖擊大。通過對(duì)孤島系統(tǒng)直流側(cè)母線電壓的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在負(fù)荷需求功率短時(shí)升高并迅速恢復(fù)到原值時(shí)，與負(fù)荷驟降時(shí)結(jié)果相同，具有自適應(yīng)控制的直流側(cè)母線電壓變化范圍小，恢復(fù)時(shí)間短，有利于保證微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)運(yùn)行的電能質(zhì)量。

算例3：系統(tǒng)三相對(duì)稱負(fù)荷需求功率恒定，光伏電源出力分別在0.2 s和0.4 s時(shí)因光照強(qiáng)度的變化而發(fā)生變化，凈負(fù)荷在0.2 s時(shí)由6 kW降至-3 kW，在0.4 s時(shí)升高到2 kW，具體仿真結(jié)果如圖8所示。

通過對(duì)圖8中蓄電池輸出功率變化的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在負(fù)荷需求功率由6 kW降至-3 kW，運(yùn)行一段時(shí)間又升至2 kW時(shí)，具有自適應(yīng)控制策略的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中由于超級(jí)電容對(duì)功率缺額的短時(shí)支撐作用，使蓄電池輸出功率平滑地由6 kW過渡到2 kW，并未對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電；而采用常規(guī)控制的蓄電池輸出功率在t1和t2分別穿越零點(diǎn)，進(jìn)行了1次充放電，對(duì)蓄電池沖擊大，在實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)荷需求功率的這種短時(shí)突變會(huì)造成蓄電池頻繁充放電，影響蓄電池的使用壽命，破壞了系統(tǒng)全壽命周期經(jīng)濟(jì)性。通過對(duì)孤島系統(tǒng)直流側(cè)母線電壓的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在負(fù)荷需求功率由6 kW降至-3 kW，運(yùn)行一段時(shí)間又升至2 kW時(shí)，與負(fù)荷驟降時(shí)結(jié)果相同，具有自適應(yīng)控制的直流側(cè)母線電壓變化范圍小，恢復(fù)時(shí)間短，有利于保證微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)運(yùn)行的電能質(zhì)量。

圖8 算例3的仿真驗(yàn)證波形圖Fig.8 Simulative waveforms of case 3

算例4：保持光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率固定，在0.2 s時(shí)系統(tǒng)三相對(duì)稱負(fù)荷需求功率隨時(shí)間逐步增加，需求功率過零點(diǎn)之后發(fā)生一次跌落，凈負(fù)荷在-4 kW到12 kW之間變化，具體仿真結(jié)果見圖9。

通過對(duì)圖9中蓄電池輸出功率變化的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在凈負(fù)荷需求功率隨時(shí)間逐步增加并在過零點(diǎn)后發(fā)生一次跌落，在-4～12 kW間變化時(shí)，常規(guī)控制策略下的蓄電池輸出功率基本跟隨凈負(fù)荷需求功率的變化，會(huì)多次穿越零點(diǎn)進(jìn)行充放電；而自適應(yīng)功率控制是跟隨凈負(fù)荷需求功率的變化趨勢(shì)，只穿越一次零點(diǎn)，很好地保護(hù)了蓄電池。通過對(duì)孤島系統(tǒng)直流側(cè)母線電壓的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由于PI控制環(huán)的存在，這種功率缺額不斷緩慢變化的情況，導(dǎo)致自適應(yīng)控制下的直流側(cè)母線電壓恢復(fù)存在幾十毫秒的延遲，這是在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)的，但對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)而言卻避免了蓄電池的頻繁充放電，優(yōu)化了儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作過程，達(dá)到了更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

算例5：保持光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率固定，蓄電池運(yùn)行在滿功率輸出狀態(tài)（20 kW），在0.7 s時(shí)系統(tǒng)三相對(duì)稱負(fù)荷需求功率發(fā)生短時(shí)變化后又恢復(fù)到原值，即凈負(fù)荷由20 kW升高到25 kW又迅速降落到20 kW，具體仿真結(jié)果如圖10所示。

圖9 算例4的仿真驗(yàn)證波形圖Fig.9 Simulative waveforms of case 4

圖10 算例5的仿真驗(yàn)證波形圖Fig.10 Simulative waveforms of case 5

通過對(duì)圖10中蓄電池和超級(jí)電容輸出功率變化的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在0.7 s負(fù)荷需求功率短時(shí)升高并迅速恢復(fù)到原值，由于蓄電池運(yùn)行在滿功率狀態(tài)下，蓄電池輸出功率不變，由超級(jí)電容補(bǔ)償瞬時(shí)功率缺額，直流側(cè)母線電壓波動(dòng)在允許范圍內(nèi)，并在短時(shí)間內(nèi)能夠恢復(fù)到原值?？梢姡谛铍姵?zé)o法補(bǔ)償微電網(wǎng)孤島的瞬時(shí)功率缺額從而啟動(dòng)超級(jí)電容補(bǔ)償?shù)那闆r時(shí)，具有自適應(yīng)控制的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)然，超級(jí)電容不能長(zhǎng)時(shí)間輸出功率，需要配置相應(yīng)的保護(hù)措施以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

算例6：保持光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率固定，蓄電池和超級(jí)電容均運(yùn)行在滿功率輸出情況（20 kW），在0.4 s時(shí)系統(tǒng)三相對(duì)稱負(fù)荷需求功率增加，此時(shí)已經(jīng)超出了光伏發(fā)電系統(tǒng)和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)最大輸出范圍，必然導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定運(yùn)行，需要切除次要負(fù)荷，具體仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 算例6的仿真驗(yàn)證波形圖Fig.11 Simulative waveforms of case 6

通過對(duì)圖11中蓄電池和超級(jí)電容輸出功率變化的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在0.4 s負(fù)荷需求功率升高時(shí)，由于蓄電池和超級(jí)電容均運(yùn)行在滿功率狀態(tài)下，超出了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的承受范圍，功率缺額無法被補(bǔ)償，根據(jù)孤島檢測(cè)原理，系統(tǒng)電壓降低，微電網(wǎng)孤島運(yùn)行不穩(wěn)定，需切除次要負(fù)荷。在0.4s時(shí)直流側(cè)母線電壓驟降，超出系統(tǒng)允許運(yùn)行范圍，微電網(wǎng)孤島保護(hù)裝置啟動(dòng)，并在50 ms后切除次要負(fù)荷，蓄電池和超級(jí)電容輸出功率降低，微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)內(nèi)功率重新達(dá)到平衡狀態(tài)，直流側(cè)母線電壓恢復(fù)到750V，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

由上述仿真結(jié)果對(duì)比可知，本文提出的自適應(yīng)能量管理控制策略改善了系統(tǒng)運(yùn)行的電能質(zhì)量要求，也最大限度地滿足了負(fù)荷的功率需求，同時(shí)優(yōu)化了蓄電池的工作過程，延長(zhǎng)了蓄電池使用壽命。

4 結(jié)論

由于光伏、風(fēng)電等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率具有間歇性和隨機(jī)性等缺點(diǎn)，當(dāng)其在微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)中滲透率較大時(shí)，必將影響微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)需要配備輸出功率更為穩(wěn)定的儲(chǔ)能系統(tǒng)，以維持微電網(wǎng)孤島的穩(wěn)定運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)內(nèi)部能量的瞬時(shí)平衡。本文提出了一種新型超級(jí)電容與蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的自適應(yīng)功率控制策略，利用超級(jí)電容的高功率密度特性，大幅提高了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)功率的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，有效實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)的瞬時(shí)功率平衡。PSCAD/EMTDC仿真結(jié)果表明，所提控制策略能夠充分利用超級(jí)電容器功率密度高和循環(huán)壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)來補(bǔ)償可再生能源輸出功率和負(fù)荷功率的瞬時(shí)波動(dòng)，再逐步由蓄電池補(bǔ)償功率缺額，該控制策略優(yōu)化了蓄電池的工作過程，延長(zhǎng)了蓄電池使用壽命，并且不需要數(shù)據(jù)采集和通信環(huán)節(jié)，提高了微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，為光伏發(fā)電系統(tǒng)與混合儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效的微電網(wǎng)孤島運(yùn)行提供了技術(shù)支持。