韓洲，任永峰，劉海濤，布赫，陳建

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學電力學院，內(nèi)蒙古呼和浩特010080；2.內(nèi)蒙古電力科學研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051)

基于復合儲能的微網(wǎng)運行特性分析

韓洲1，任永峰1，劉海濤2，布赫1，陳建1

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學電力學院，內(nèi)蒙古呼和浩特010080；2.內(nèi)蒙古電力科學研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051)

微網(wǎng)中含有分布式電源的發(fā)電形式具有強隨機性和間歇性，而且負荷的變換也具有隨機性。為了維持微網(wǎng)內(nèi)部的能量平衡，儲能單元需要頻繁地吸收和釋放功率，這對傳統(tǒng)的蓄電池儲能帶來了非常嚴重的負面影響。結(jié)合超級電容和蓄電池特性互補的優(yōu)點，采用了超級電容和蓄電池相結(jié)合的儲能方式。通過對比分析復合儲能和傳統(tǒng)蓄電池儲能在微網(wǎng)并網(wǎng)運行和孤網(wǎng)運行時微網(wǎng)內(nèi)部功率的變化情況，證明了復合儲能的有效性和實用性。

微網(wǎng)；分布式電源；超級電容；蓄電池；復合儲能

本文以內(nèi)蒙古電力科學院的示范性工程——智能微電網(wǎng)為基礎，主要研究在復合儲能和常規(guī)蓄電池儲能下，微網(wǎng)并網(wǎng)運行和孤網(wǎng)運行投切模擬負載時，母線功率變換的情況。通過對比分析，復合儲能能夠有效、快速地補償和吸收功率的缺額，改善電能質(zhì)量，使電能質(zhì)量符合國家并網(wǎng)標準。

1 復合儲能的控制策略

儲能對于實現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)部能量的瞬時平衡、維持微網(wǎng)的穩(wěn)定運行具有非常重要的作用。由于儲能單元能夠起到削峰填谷和運行模式無縫切換的功能，因此儲能VSC的控制策略非常關(guān)鍵。

本文分別由電網(wǎng)側(cè)、濾波電感和電容側(cè)提取了電壓和電流的測量值，可以提高儲能逆變器的動態(tài)響應性和接受微網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)的調(diào)度。

圖1 儲能逆變器控制圖

2 微網(wǎng)的控制策略

微電網(wǎng)系統(tǒng)可以運行于并網(wǎng)和孤島兩種模式，在并網(wǎng)和孤島兩種運行狀態(tài)下的微電源控制策略是不同的。通常有三種控制方式：并網(wǎng)狀態(tài)下的P/Q控制，孤島狀態(tài)下的U/f控制和Droop(下垂)控制[2]。本文主要介紹并網(wǎng)狀態(tài)下的P/Q控制和孤島狀態(tài)下的U/f控制。

2.1 微網(wǎng)的P/Q控制策略

微網(wǎng)在并網(wǎng)運行時，對微電源的控制實際上就是對并網(wǎng)逆變器的控制。由于頻率和電壓由大電網(wǎng)支撐，各微電源不參與頻率和電壓調(diào)節(jié)。通常采用P/Q控制(圖2)，其控制目的是使微電源輸出的有功和無功實時跟蹤其參考信號[3-4]。

圖2 并網(wǎng)PQ控制圖

并網(wǎng)母線電壓可以表示為：

將式(1)變換到旋轉(zhuǎn)dq0坐標系，則可表示為：

式中：為線路電壓電流的角頻率，并網(wǎng)運行時由電網(wǎng)頻率決定，孤島運行時由下垂控制或U/f控制的微電源決定[5]。

在dq0旋轉(zhuǎn)坐標系中選擇參考軸，則逆變器的輸出功率可以表示為：

由此可以得到電流內(nèi)環(huán)dq0參考值：

變換得到：

2.2 微網(wǎng)的U/f控制策略

微網(wǎng)在孤島運行時，首先保證網(wǎng)內(nèi)的電壓和頻率滿足負荷的要求；其次由于孤島容量有限，一旦出現(xiàn)功率缺額，需切除次要負荷以確保重要負荷的工作，因此U/f控制必須能夠響應跟蹤負荷投切，并具有一定的動態(tài)響應性能[6-7]。孤網(wǎng)U/f控制如圖3所示。

雙環(huán)控制在旋轉(zhuǎn)dq0坐標系的控制框圖如圖4所示。

圖3 孤網(wǎng)U/f控制圖

圖4 雙環(huán)控制圖

電壓外環(huán)控制器主要用于維持電壓和頻率恒定，一般動態(tài)響應較慢，同時產(chǎn)生電流內(nèi)環(huán)參考信號；電流內(nèi)環(huán)控制器主要用于微量調(diào)節(jié)，用于提高逆變器輸出的電能質(zhì)量，一般動態(tài)響應較快。

在dq0坐標系下逆變器系統(tǒng)為強耦合系統(tǒng)，需要在控制系統(tǒng)中引入電流前饋解耦控制，從而實現(xiàn)dq0軸間的解耦控制[8]。實現(xiàn)電流環(huán)前饋dq解耦控制的方程為：

所以有：

3 實驗對比分析

本實驗平臺是基于CSCP-3000的基礎上開發(fā)的，能夠?qū)︼L速、光照強度、內(nèi)部的功率、電壓、電流等變化情況進行實時監(jiān)測。風機參數(shù)：工作風速3～25 m/s，額定風速10 m/s，額定功率10 kW。光伏發(fā)電單元的主要參數(shù)：峰值功率260 W，峰值電壓31 V，組件效率16.2%。能量型鋰電池儲能參數(shù)：標稱容量40 Ah，額定電壓3.2 V，充電截止電壓3.6 V，放電截止電壓2.0 V。鉛酸電池參數(shù)：額定電壓12 V，額定容量45 Ah，循環(huán)次數(shù)1 000次。超級電容的主要參數(shù)：額定電壓2.7 V，電容量1 200 F，最大持續(xù)電流81 A，最大峰值電流95.5 A，漏電流2.7 A，峰值電壓2.8 V，循環(huán)次數(shù)50萬次。

3.1 微網(wǎng)并網(wǎng)運行

本文通過采集某一天的風速和光照強度，基于CSGC-3000平臺，模擬加入復合儲能與只有蓄電池兩種情況下的實驗。

風力發(fā)電的出力情況如圖5所示，其中藍色曲線為只加入蓄電池情況下風力發(fā)電機的輸出功率變化情況，綠色曲線為加入復合儲能時風力發(fā)電機的輸出功率情況。可以看出當采用復合儲能時，能夠利用超級電容和蓄電池互補特性，很好地抑制風機輸出功率的波動。

光伏發(fā)電的出力情況如圖6所示。

圖5 風力發(fā)電機的輸出功率

圖6 光伏發(fā)電的功率變化曲線

在上述風速和光照強度下，分別對微網(wǎng)在并網(wǎng)時，通過投切復合儲能，來驗證其在微網(wǎng)中的作用，如圖7、圖8所示。

圖7 超級電容的功率變化曲線

圖8微網(wǎng)中的功率曲線

圖8 中，在微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，綠色曲線為加入復合儲能時的功率波動情況，藍色曲線表示只有蓄電池時的功率波動情況。說明加入復合儲能后，利用超級電容的快速充放電特性，抑制風機瞬時功率的波動，利用蓄電池能量密度大的特性調(diào)節(jié)微網(wǎng)內(nèi)部的功率平衡問題，能夠很好地抑制整個微網(wǎng)內(nèi)部的功率波動情況，維持微網(wǎng)內(nèi)部功率平衡。

3.2 微網(wǎng)孤網(wǎng)運行

孤網(wǎng)運行時，由光儲混合單元工作于U/f控制模式，建立并維持微網(wǎng)內(nèi)部的電壓與頻率，當穩(wěn)定運行2 min后投入風機與相應的模擬負載。通過錄波器分析母線上電壓和電流的波動情況。

當孤網(wǎng)運行時，不帶復合儲能觀察到的電流、電壓波形如圖9所示。電壓和電流的波形都存在一定程度的失真，電流波形的失真度嚴重。這是因為只含有蓄電池儲能時，投入風機后，風機的隨動性和整個微網(wǎng)系統(tǒng)中含有較強的感性負荷。

圖9 孤網(wǎng)運行時不帶復合儲能母線上的電壓電流

當孤網(wǎng)運行時，投入復合儲能后的實驗波形如圖10所示，可以看出電壓和電流的波形得到了明顯的改善。這是因為復合儲能可以充分利用蓄電池和超級電容特性互補的優(yōu)點，即利用超級電容充放電速率快來補償風機出力的隨動性，利用蓄電池的能量密度大來補償微網(wǎng)內(nèi)部的功率缺額，使微網(wǎng)孤網(wǎng)運行時內(nèi)部的功率達到平衡狀態(tài)。

圖10 孤網(wǎng)運行時帶復合儲能母線上的電壓電流

4 總結(jié)

微網(wǎng)是可再生能源分布式發(fā)電高效利用的有效載體，儲能通過功率變換裝置，可以作為組網(wǎng)電源，是微網(wǎng)穩(wěn)定運行和優(yōu)化控制的重要環(huán)節(jié)。

本文的復合儲能采用了電流、電壓雙環(huán)控制策略，能夠提高復合儲能的穩(wěn)定性和快速性。在微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，通過CSGC-3000分析了并網(wǎng)PQ控制下，投入復合儲能能夠很好地抑制微網(wǎng)中的功率波動情況。在孤網(wǎng)運行時，在U/f控制下，投入復合儲能能夠改善微網(wǎng)中的電能質(zhì)量。最后通過錄波器提取了系統(tǒng)的電壓、電流波形，驗證了復合儲能在微網(wǎng)中的重要性。本文所采用的參數(shù)均為內(nèi)蒙古電力科學院智能電網(wǎng)所提供的實際參數(shù)。

[1]GAO L J,DOUGAL R A,LIU S Y.Power enhancement of an actively controlled battery/ultracapacitor hybrid[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2005,20:236-243.

[2]張建華，蘇玲，陳勇，等.微網(wǎng)的能量管理及其控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(7)：25-28.

[3]呂志鵬，羅安，榮飛，等.電網(wǎng)電壓不平衡條件下微網(wǎng)PQ控制策略研究[J].電力電子技術(shù)，2010，44(6)：71-74.

[4]YAZDANI A,IRAVANI R.A unified dynamic model and control for the voltage sourced converter under unbalanced grid conditions[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2006,21(3):1620-1629.

[5]馬力.混合系統(tǒng)微網(wǎng)控制策略分析[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報，2010，22(6)：105-108.

[6]PECAS L J A,MOREIRA C L,MADUREIRA A G,et al.Control strategies for microgrids emergency operation[C]//IEEE International Conference on Future Power Systems.Amsterdam,Netherlands:IEEE,2005.

[7]李福東，吳敏.微網(wǎng)孤島模式下負荷分配的改進控制策略[J].中國電機工程學報，2011，31(13)：19-25.

[8]ZHANG X，LIU J J，LIU T，et al.A novel power distribution strategy for parallel inverters in islanded mode microgrid[C]//Twenty-Fifth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC).USA:IEEE，2010:2116-2120.

Analysis of micro-network operation characteristics based on composite energy storage

HAN Zhou1,REN Yong-feng1,LIU Hai-tao2,BU He1,CHEN Jian1

Micro-network containing distributed power generation was with strong randomicity and intermittent,and load transform also had intermittent.In order to maintain energy balance within the micro-nets,Energy storage unit needed frequent absorption and release of power.Very serious negative effect for the traditional battery energy storage was brought.Based on super capacitor and battery characteristics of complementary advantages,the combination of the super capacitor and the battery energy storage were adopted.Analysis of micro-network parallel operation and the isolated network operation into the simulated load was done,by comparing the compound of energy storage and the traditional battery energy storage power within the micro changes,the validity and practicability of composite energy storage was proved.

micro–network;distributed power supply;super capacitor;battery;composite energy storage

TM 91

A

1002-087 X(2015)03-0539-04

2014-08-25

教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-11-1018)；教育部科學技術(shù)研究重點項目(210037)；內(nèi)蒙古自然科學博士基金項目(2011BS0903)

韓洲(1987—)，男，山東省人，碩士研究生，主要研究方向為微網(wǎng)及光伏并網(wǎng)。