劉特，滕青芳，路小娟，王文生

（蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，蘭州730070）

基于躍變電流的微電網(wǎng)蓄電池出力控制

劉特，滕青芳，路小娟，王文生

（蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，蘭州730070）

獨(dú)立微電網(wǎng)中通常包括微型燃?xì)廨啓C(jī)、光伏、風(fēng)力發(fā)電和儲能裝置等。針對儲能裝置放電大小和出力多少的控制問題，該文提出一種利用突加負(fù)載引起的母線電流躍變來估計(jì)微電網(wǎng)中有功缺額的方法。將所得有功缺額作為儲能PQ控制的參考值，實(shí)時(shí)調(diào)整儲能輸出，從而保證微電網(wǎng)供需平衡。利用Matlab/Simulink搭建了一個由4種微電源組成的微電網(wǎng)模型，以驗(yàn)證控制策略可行性。仿真結(jié)果表明，文中提出的方法可以有效地維持微電網(wǎng)的功率平衡。

獨(dú)立微電網(wǎng)；儲能裝置；躍變電流；PQ控制

微電網(wǎng)是以分布式發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)，以靠近分散型能源或用戶的小型電站為主體，結(jié)合終端用戶電能質(zhì)量管理和能源梯級利用技術(shù)形成的小型模塊化、分散式的供能網(wǎng)絡(luò)[1]。微電網(wǎng)中的電源多為含有變換器的微電源，包括微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、光伏和風(fēng)力發(fā)電以及超級電容、飛輪、蓄電池等儲能裝置[2-4]。

儲能是微電網(wǎng)中十分重要的環(huán)節(jié)之一，能提高微電網(wǎng)電能質(zhì)量、增加系統(tǒng)穩(wěn)定性、提高微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益和承擔(dān)電力調(diào)峰。隨著新能源的快速發(fā)展，其在微電網(wǎng)中將得到更加廣泛的應(yīng)用[5-6]。

微電網(wǎng)的首要目標(biāo)是穩(wěn)定運(yùn)行，這是微電網(wǎng)技術(shù)可行的基礎(chǔ)。在微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行情況下，儲能單元的輸出功率隨系統(tǒng)頻率和電壓波動，此時(shí)考慮的首要問題是系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，而不是經(jīng)濟(jì)性[6-7]。

文獻(xiàn)[6]以儲能裝置為主電源，建立并維持系統(tǒng)電壓及頻率。獨(dú)立微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，儲能裝置不能作為長時(shí)間供電單元[5]。文獻(xiàn)[8-9]采用的下垂控制對蓄電池控制，雖然可以較好地平抑波動，但是輸出功率是自調(diào)節(jié)，易超出放電上限。同樣是長時(shí)間供電。文獻(xiàn)[10]采用串聯(lián)和并聯(lián)方式把儲能裝置接入系統(tǒng)，也存在輸出功率不可控和長時(shí)間供電現(xiàn)象。鑒于以上情況，本文提出了一種基于瞬時(shí)電流躍變值估計(jì)突加負(fù)載有功功率值的方法，估計(jì)值作為PQ控制參考值，對蓄電池組進(jìn)行出力調(diào)節(jié)。

1 蓄電池及特性

獨(dú)立微電網(wǎng)模型如圖1所示。采用主從控制模式，微型燃?xì)廨啓C(jī)作為主要支撐電源，其逆變器采用V/f控制；風(fēng)能、光伏和蓄電池組作為從電源，逆變器采用PQ控制。為了簡化模型，突出重點(diǎn)，設(shè)光伏和風(fēng)能的輸出功率不變，當(dāng)突加負(fù)載時(shí)，由于微型燃?xì)廨啓C(jī)不能及時(shí)補(bǔ)償突加負(fù)載產(chǎn)生的有功缺額，此時(shí)通過突加負(fù)載有功缺額估計(jì)模塊可得所需有功功率，作為蓄電池組逆變器PQ控制有功參考輸入值，以補(bǔ)充微電網(wǎng)中的有功缺額。

圖1 獨(dú)立微電網(wǎng)模型Fig.1Model of independent micro-grid

蓄電池是目前微電網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛、最有前途的儲能方式之一。盡管鉛酸蓄電池還有不少缺點(diǎn)，但是目前能夠商業(yè)化運(yùn)用的主要還是鉛酸蓄電池，它具有幾個比較顯著的優(yōu)點(diǎn)：成本低廉、原材料豐富、制造技術(shù)成熟、能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)[5]。所以本文只討論鉛酸蓄電池作為儲能裝置。

蓄電池的充電時(shí)間長，充放電次數(shù)僅數(shù)百次，因此限制了使用壽命，維修費(fèi)用高。在微電網(wǎng)中，放電電流大小和溫度對蓄電池組的出力有較大的影響，因此要考慮對電池的保護(hù)。

（1）放電電流。鉛酸電池的放電電流要控制在低于2 C，而實(shí)際應(yīng)用中，通常理論放電電流大約0.5 C。過大的放電電流會導(dǎo)致電池極化現(xiàn)象嚴(yán)重，電壓和容量快速下降，不符合放電要求。

（2）電池溫度。大電流放電會導(dǎo)致電池的電解液溫度升高，其結(jié)果使板柵抗張強(qiáng)度變小?；钚晕镔|(zhì)脫落，當(dāng)腐蝕產(chǎn)物變得很厚或板柵變得相當(dāng)薄時(shí)，板柵電阻增大，使電池容量下降，直至蓄電池失效。在大于40℃，溫度升高10℃，蓄電池的壽命是原來的1/2[11]。

根據(jù)以上兩個限制可知：需要對蓄電池組的放電電流大小進(jìn)行限制，在可放電狀態(tài)下，可認(rèn)為電壓恒定，所以要控制電池的輸出功率。文獻(xiàn)[7-9，12-13]尚未考慮這部分影響，文獻(xiàn)[14]也只考慮了剩余容量問題。

2 獨(dú)立微電網(wǎng)運(yùn)行控制方案

微電網(wǎng)中的微電源以逆變型為主，不具備傳統(tǒng)電網(wǎng)較大的系統(tǒng)慣性和較好的抗擾動能力，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的間歇性變化及負(fù)荷的隨機(jī)投切會造成整個系統(tǒng)的電壓、頻率的波動，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，由于微電網(wǎng)線路的R/X參數(shù)值較大，系統(tǒng)有功和無功不能充分解耦，使得傳統(tǒng)的下垂控制效果不佳。

2.1 微型燃?xì)廨啓C(jī)V/f逆變控制

V/f控制法的電壓源型換流器為微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行提供頻率和電壓支撐，維持所接入節(jié)點(diǎn)的電壓和頻率恒定，輸出有功功率和無功功率由下垂特性、微電源容量和負(fù)荷共同決定。

V/f控制方法是利用逆變器的反饋電壓調(diào)節(jié)交流側(cè)電壓以保證輸出電壓的穩(wěn)定，一般采用電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方法。電壓外環(huán)可以保證輸出電壓的穩(wěn)定，電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成電流隨動系統(tǒng)可提高抵御擾動的能力。

V/f控制模型如圖2所示。參考頻率50 Hz。電壓環(huán)采用PI控制，輸入為dq軸分量的參考電壓udref、uqref和負(fù)載電壓ud、uq。為了穩(wěn)定負(fù)載電壓，減小或消除負(fù)載電壓穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，電流內(nèi)環(huán)采用比例控制P，電壓環(huán)輸出的idref和iqref作為電流內(nèi)環(huán)的參考輸入，濾波電容電流轉(zhuǎn)換值id和iq作為反饋電流值，Vd和Vq是電流環(huán)控制輸出的電壓。

圖2 V/f控制模型Fig.2Model of V/f control

根據(jù)選取的狀態(tài)變量不同，雙環(huán)控制方法可以分為電感電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)和電容電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)兩種。本文采用電容電流內(nèi)環(huán)，系統(tǒng)抗干擾能力更強(qiáng)，具有更好的外特性[15]。

2.2 其他微電源PQ逆變控制

光伏和風(fēng)力發(fā)電等新能源微電源，其輸出功率值受外界環(huán)境的影響很大，發(fā)電具有較明顯的間歇性，若是保證恒功率輸出，則必須配備較大容量的儲能設(shè)備，如此將大大增加成本，所以此類型微電源的控制目標(biāo)應(yīng)該是盡量保證可再生能源的最大利用率，所以一般采用參考輸入跟隨最大功率值的PQ控制策略。

PQ控制模型如圖3所示，控制器主要由功率控制器和電流控制組成。Pref和Qref分別為有功和無功功率參考值，功率控制器的輸出電流iLdref、iLqref作為電流環(huán)的參考輸入。經(jīng)電流內(nèi)環(huán)控制，以微電網(wǎng)實(shí)際電流變換值iLd、iLq作為內(nèi)環(huán)反饋，實(shí)現(xiàn)有功電流跟隨參考電流。軟件鎖相環(huán)SPLL（software phase-locked loop）保證了PQ控制的微電源跟蹤微電網(wǎng)的頻率。

圖3 PQ控制模型Fig.3Model of PQ control

設(shè)逆變器輸出電流為iLn，則經(jīng)過dq變換后得iLd、iLq。因?yàn)檗D(zhuǎn)換后uq=0，所以逆變器輸出電流參考值為

式（1）把對逆變器輸出功率控制轉(zhuǎn)化成對電流的控制問題。只要實(shí)現(xiàn)對參考電流iLdref的跟蹤，就實(shí)現(xiàn)了對參考有功功率的跟蹤。其中有功功率P由iLd決定，無功功率Q由iLq決定，如此實(shí)現(xiàn)了三相組網(wǎng)的有功和無功功率的解耦。

3 突加負(fù)載功率估計(jì)

3.1 突加功率估計(jì)原理

微電網(wǎng)由于容量小，慣性不足，獨(dú)立運(yùn)行時(shí)可再生能源出力和負(fù)荷的不可預(yù)測性、多變性會引起較大波動。當(dāng)有負(fù)載接入時(shí)，除了頻率有變動外，電流也會在極短時(shí)間內(nèi)突變。因?yàn)橹髂孀兤魈峁╇妷褐?，所以電壓波動很小，因此可通過測量主逆變器的濾波后輸出電流躍變值估計(jì)突加負(fù)載功率大小。三相有功功率為

式中：I為微電網(wǎng)相電流有效值；U為微電網(wǎng)相電壓有效值；cos φ為功率因數(shù)。因?yàn)榧迂?fù)載時(shí)電壓波動很小，可以認(rèn)為電壓恒定，設(shè)負(fù)載有功功率變化值為ΔP，電流躍變前系統(tǒng)的有功功率為Py，則有

式中：ΔIy為躍變引起的相電流增加值；Iy為躍變前相電流幅值。所以由式（3）得采樣后估計(jì)功率為

式中：ΔPg表示突加負(fù)載有功功率變化估計(jì)值；ΔIg表示采樣獲得的相電流增加值。

3.2 突加負(fù)載有功功率變化估計(jì)

突加負(fù)載有功功率估計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 功率估計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.4Structure of power estimator

信號采集是獲得一個采樣周期內(nèi)相電流差值ΔIk，信號除雜是除去小于門限電流差值ΔIm信號，降低系統(tǒng)小干擾波動和投入更多新電源時(shí)產(chǎn)生的電流躍變值，信號計(jì)算是計(jì)算有功差額ΔPg，并選取三相中同一時(shí)刻ΔIg/Ib值最大估計(jì)有功功率。信號保持是保持蓄電池組輸出功率時(shí)間長短。

因?yàn)闃O短時(shí)間內(nèi)電流突變，所以可知選取合適的采樣周期，一個采樣周期內(nèi)相電流增加值ΔIk在躍變階段值要遠(yuǎn)大于穩(wěn)定階段值，把ΔIk簡稱相電流差值，如圖5所示。

圖5 b相電流差值Fig.5Current difference of phase b

因?yàn)榧尤胴?fù)載時(shí)功率是瞬時(shí)平衡的，所以電流瞬時(shí)增大，在不同時(shí)刻加負(fù)載，三相電流各相躍變值不同，但是增加倍數(shù)相同。

在獲取電流躍變值時(shí)，可能會有小干擾導(dǎo)致微電網(wǎng)產(chǎn)生小的波動，為了減少小干擾產(chǎn)生的電流差值ΔIk，導(dǎo)致蓄電池組頻繁的投切，所以要設(shè)定門限電流差值ΔIm，以除去干擾。選取的采樣周期不同，則ΔIk、ΔIm值也不同，采樣周期越小，估計(jì)值誤差越小。而ΔIm值選取越大，抗干擾越強(qiáng)，電池組對小波動越不靈敏，投切次數(shù)越少，但是負(fù)載功率估計(jì)的誤差值越大，所以要選取合適的電流差門限值，本文選取的采樣周期為1×10-5s，則設(shè)定ΔIm=1.03 A。獲取電流躍變值算式為

式中：M表示ΔIk>ΔIm的個數(shù)；當(dāng)ΔIk>ΔIm時(shí)，設(shè)定k=0，開始累加電流差值ΔIk；當(dāng)ΔIk≤ΔIm時(shí)，停止累加，獲得此時(shí)的總電流差值。

為了保護(hù)蓄電池，其輸出電流不能過大，即輸出功率有上限。為了進(jìn)一步濾除小擾動已產(chǎn)生的估計(jì)功率，因此輸出功率也不能太小，則要設(shè)置蓄電池組出力上下限ΔPmax和ΔPmin。只有滿足ΔPmin≤ΔPg≤ΔPmax時(shí)，蓄電池組才進(jìn)行出力。

4 仿真分析

為了驗(yàn)證上述方法可行性，搭建了基于Matlab/ Simulink的仿真模型，為了簡化模型，突出研究重點(diǎn)，V/f控制的逆變器前采用穩(wěn)定的電壓源，來代替經(jīng)過整流的微型燃?xì)廨啓C(jī)的輸出。另外并入兩個以PQ控制的光伏和風(fēng)能微電源并設(shè)為恒功率輸出，以電壓源代替整流后的微電源。蓄電池組也采用PQ控制，用Simulink中已有的電池模型。

獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，設(shè)初始值，光伏發(fā)電50 kW，風(fēng)力發(fā)電50 kW，靜態(tài)負(fù)荷150 kW，蓄電池組最大輸出功率50 kW，所以穩(wěn)定時(shí)微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出50 kW。在0.25 s時(shí)加入40 kW負(fù)載。運(yùn)行結(jié)果如圖6～圖8所示。

不管是加負(fù)載還是蓄電池組投入，圖6顯示電壓波形未受太大影響。圖7顯示微型燃?xì)廨啓C(jī)逆變輸出電流在加入負(fù)荷前后，通過估計(jì)模塊讓蓄電池組迅速出力的電流波形，在0.04 s時(shí)基本穩(wěn)定。圖8所示蓄電池組輸出功率響應(yīng)較快，大約0.04 s基本穩(wěn)定。在突加負(fù)載后，燃?xì)廨啓C(jī)輸出有一小段波動，基本保持輸出功率不變。表1是根據(jù)b相電流增加值ΔIb估計(jì)突加負(fù)載有功功率。由于采樣產(chǎn)生的誤差，估計(jì)值偏小，所以選取三相中估計(jì)功率最大的相作為最終估計(jì)值。本文在0.25 s時(shí)加入負(fù)載，b相電流估計(jì)最接近真實(shí)值。由仿真結(jié)果可知，此種測量估計(jì)方法速度快，對于突加功率越大的負(fù)載估計(jì)誤差越小，這與門限值設(shè)定有關(guān)。

圖6 微電網(wǎng)相電壓Fig.6Phase voltages of micro-grid

圖7 微型燃?xì)廨啓C(jī)逆變器輸出電流Fig.7Inverter’s output current of microturbines

圖8 有功功率Fig.8Active power

表1b相電流及估計(jì)的有功功率Tab.1Current of phase b and estimation of active power

5 結(jié)語

本文提出了一種基于瞬時(shí)電流躍變值估計(jì)負(fù)載有功功率變化值的方法，把得到的最終有功功率值作為PQ控制的P參考值，來控制蓄電池組出力。通過對突加負(fù)載有功功率估計(jì)，可以保證出力頻繁程度和多少在可控范圍內(nèi)，保證蓄電池組的放電電流大小在規(guī)定范圍內(nèi)，以保護(hù)蓄電池。所選的采樣周期和門限電流差值ΔIm根據(jù)不同系統(tǒng)需不同設(shè)置。此方法估計(jì)值可給微電網(wǎng)上層控制器，作為整個系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度使用，為提高微電網(wǎng)中儲能設(shè)備的利用率提供了一定的參考。下一步要做的是微型燃?xì)廨啓C(jī)增加輸出時(shí)蓄電池組退出方法，以保證微電網(wǎng)穩(wěn)定。

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Controlling Output of Batteries Based on Jump Current in Micro-grid

LIU Te，TENG Qingfang，LU Xiaojuan，WANG Wensheng
（School of Automation and Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China）

Independent micro-grid usually includes microturbines，PV，wind power and energy storage devices.For controlling the amount of discharge and output of energy storage devices，the method is presented that the active power vacancy is estimated by the current jump in the bus caused by sudden loads in micro-grid.Owning to active power vacancy regarded as the reference value of PQ control in energy storages，the output of energy storages is real-time adjusted and the balance of supply and demand is ensured in micro-grid.A model of micro-grid including four micro-powers is built by Matlab/Simulink，thus verifying the feasibility of the control strategy.Simulation results show that the proposed method is effective in maintaining the power balance in micro-grid.

independent micro-grid；energy storage device；jump current；PQ control

TM727

A

1003-8930（2015）12-0052-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.12.10

劉特（1987—）男，碩士研究生，研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)控制及其能量管理。Email：923499863@qq.com

2014-04-24；

2015-04-14

甘肅省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（1208RJZA180）

滕青芳（1964—）女，博士，教授，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c工程、電氣控制工程。Email：tengqf@mail.lzjtu.cn

路小娟（1975—）女，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)闇y控技術(shù)。Email：luxj@mail.lzjtu.cn