張晨晨, 張鴻鵠, 胡超

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司,安徽 合肥 230000; 2.合肥工業(yè)大學(xué),安徽 合肥 230009)

微電網(wǎng)中分布式發(fā)電的荷電狀態(tài)控制策略

張晨晨1, 張鴻鵠1, 胡超2

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司,安徽 合肥 230000; 2.合肥工業(yè)大學(xué),安徽 合肥 230009)

微電網(wǎng)中分布式發(fā)電(DG)需要搭配儲(chǔ)能模塊滿足持續(xù)的供電需求，如何對(duì)儲(chǔ)能模塊的SOC進(jìn)行控制就非常重要。在傳統(tǒng)下垂控制的基礎(chǔ)上，增加了基于比例積分(PI)調(diào)節(jié)器的荷電狀態(tài)(SOC)控制環(huán)節(jié)，并在建立小信號(hào)模型的基礎(chǔ)上，通過極點(diǎn)配置的方式設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)器參數(shù)，使得系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，最后通過仿真驗(yàn)證了控制策略的正確性和可行性。

微電網(wǎng)；儲(chǔ)能；分布式發(fā)電；荷電狀態(tài)；極點(diǎn)配置

0 引 言

隨著能源和環(huán)境問題越來越突出，基于光伏、風(fēng)能等各種清潔能源的分布式發(fā)電DG得到了廣泛的發(fā)展，然而傳統(tǒng)的DG大多具有間歇性，不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，隨著電網(wǎng)滲透率的不斷提升，給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來一系列問題。近年來一種由分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)荷和保護(hù)裝置匯集而成的微電網(wǎng)[1-3]已經(jīng)成為DG與電網(wǎng)連接的有效模式。通過增加儲(chǔ)能裝置，使得微電網(wǎng)不再是傳統(tǒng)DG的單向功率源，而是具有了能量緩沖的能力。通過設(shè)計(jì)合適的控制策略，微電網(wǎng)可以作為電力系統(tǒng)中的具有獨(dú)立運(yùn)行能力的子模塊，孤島狀態(tài)下，微電網(wǎng)可以作為電源為內(nèi)部負(fù)荷供電，并網(wǎng)狀態(tài)下，微電網(wǎng)又可以參與電力系統(tǒng)調(diào)度，增加電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

微電網(wǎng)中的DG作為可控電源，需要搭配儲(chǔ)能單元ESU，常用的是鉛酸或鋰電的蓄電池組[4-5]。DG單元通常采用下垂控制算法，其基本思想是，逆變器檢測(cè)自身輸出功率，作為反饋量調(diào)整輸出電壓和頻率指令，并通過閉環(huán)控制對(duì)指令進(jìn)行跟隨[6-7]。通過下垂控制，孤島運(yùn)行時(shí)DG能夠均分負(fù)荷，而在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)則具備傳統(tǒng)DG電流源的特點(diǎn)，能夠與電網(wǎng)之間交換指令功率，具有更大的自由度，因此本文也采用下垂控制作為DG的控制策略。

微電網(wǎng)中的DG作為可控電源，需要搭配儲(chǔ)能單元ESU，針對(duì)ESU的SOC進(jìn)行控制，提高微電網(wǎng)的運(yùn)行效率及與大電網(wǎng)之間相互協(xié)調(diào)作用，是微網(wǎng)研究的熱點(diǎn)[8-9]。當(dāng)DG處于孤島模式時(shí)，此時(shí)DG始終處于放電模式，SOC控制的目的通常在于使各單元SOC更加快速穩(wěn)定的趨于統(tǒng)一，以提高整個(gè)微網(wǎng)帶負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間[10]，而在并網(wǎng)狀態(tài)下，DG需要具備調(diào)峰填谷的效果，當(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)荷較低時(shí)，DG吸收電網(wǎng)功率，反之電力系統(tǒng)負(fù)荷較大時(shí)釋放功率，該功能主要由微網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)EMS進(jìn)行調(diào)度，即EMS向各臺(tái)DG發(fā)送SOC指令值，DG接到指令信號(hào)后調(diào)整自身運(yùn)行工況使自身SOC跟蹤指令要求。

本文針對(duì)并網(wǎng)狀態(tài)下DG的SOC控制方法進(jìn)行了深入研究。首先分析了DG中儲(chǔ)能單元，下垂控制算法及逆變器閉環(huán)控制的數(shù)學(xué)模型，并通過小信號(hào)分析給出了采用比例積分調(diào)節(jié)器的SOC控制的參數(shù)選擇，能夠有效的使得系統(tǒng)對(duì)SOC指令實(shí)現(xiàn)無靜差跟隨。最后通過仿真驗(yàn)證了本文提出的控制策略的良好性能。

1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

本文提出的微電網(wǎng)具有如下結(jié)構(gòu)，如圖1所示。每個(gè)DG單元均包含儲(chǔ)能單元，三相變流器以及LC濾波器，下垂控制算法通過檢測(cè)輸出功率，并生成指令電壓。儲(chǔ)能單元需要根據(jù)運(yùn)行工況及電網(wǎng)狀態(tài)動(dòng)態(tài)改變自身SOC，提高電力系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。

圖1 DG單元結(jié)構(gòu)

1.1 儲(chǔ)能單元模型

圖2 儲(chǔ)能單元模型

蓄電池具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電化學(xué)單元，其等效電路模型也居于多種形式。為簡(jiǎn)化控制算法，易于擴(kuò)展，本文采用Rint模型作為單個(gè)電池單元形式，其基本電路為戴維南電路等效結(jié)構(gòu)，為受控電壓源與輸出阻抗的串聯(lián)形式，電池組數(shù)學(xué)模型則可用單個(gè)模型電池等效串并聯(lián)獲得，如圖2所示。

電池模型中輸出阻抗為純阻性電阻Rbat，ibat為電池輸出電流，受控電壓源電壓Ebat與電池SOC之間存在非線性關(guān)系，如圖3所示。

圖3 Ebat與SOC關(guān)系曲線

根據(jù)文獻(xiàn)[11]給出的控制算法，通過數(shù)學(xué)模型對(duì)圖3中的關(guān)系進(jìn)行曲線模擬，有：

(1)

其中E0為電池空載電壓，K、A、B為電池模擬參數(shù)，需要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得，SOC采用下式進(jìn)行估計(jì)，為:

(2)

其中SOC0為初始荷電狀態(tài)，Qbat為電池容量，ibat為輸出電流。

1.2 下垂控制

下垂控制中，逆變器輸出電壓、頻率與檢測(cè)功率之間存在如下關(guān)系：

ω=ω0+m(Pref-P)

(3)

U=U0+n(Qref-Q)

(4)

其中Pref、Qref分別為同步電機(jī)的有功給定，P、Q分別為DG的檢測(cè)有功和無功輸出，ω0U0分別為空載頻率和空載電壓，m、n分別為有功和無功下垂系數(shù)。P、Q根據(jù)DG的實(shí)際輸出Po、Qo經(jīng)過一階低通濾波器獲得，有:

(5)

其中T為低通濾波器的慣性時(shí)間常數(shù)，若電網(wǎng)電壓和頻率與逆變器空載電壓和頻率相同，則可得到DG穩(wěn)態(tài)下輸出功率為P=Pref，Q=Qref。因此，并網(wǎng)狀態(tài)下DG可以認(rèn)為是一個(gè)可控功率源。本文將SOC作為控制量引入下垂算法，采用基于比例積分調(diào)節(jié)器的SOC控制模塊，其控制方程如下：

Pref=kp(SOCref-SOC)+ki∫(SOCref-SOC)

(6)

其中SOCref為SOC指令值，kp和ki分別為SOC控制的比例系數(shù)和積分系數(shù)。綜合式(3)(4)(5)(6)，并考慮到θ= ∫ω，即可得到逆變器的電壓指令U∠θ。圖4給出了基于上述思想的DG并網(wǎng)控制策略。

圖4 DG控制策略

圖5 DG等效模型

在獲得指令電壓后，通過電壓雙閉環(huán)控制以及SVPWM調(diào)制，使得輸出電壓跟隨指令值。由于電壓控制部分響應(yīng)速度遠(yuǎn)大于功率控制部分，因此DG輸出端可視為U∠θ的三相恒壓源。其并網(wǎng)狀態(tài)下的等效模型如圖5所示。

其中U為DG端口線電壓有效值，V為電網(wǎng)線電壓有效值，Δθ為DG與電網(wǎng)間相角差，X為線路阻抗并近似為純感性，從而得到DG輸出功率與相角差之間的近似關(guān)系為:

(7)

2 基于PI調(diào)節(jié)器的SOC控制策略分析

通過上述分析得到整個(gè)DG系統(tǒng)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)模型，可以建立系統(tǒng)的SOC控制框圖，如圖6所示，由于SOC僅取決于P的變化，可忽略無功控制過程，將U認(rèn)為是恒定值。

圖6 SOC控制框圖

可以得到系統(tǒng)閉環(huán)特征方程如下:

Ts4+s3+mA(1+Tkp)s2+

mAB(Tki+kp)s+kimAB=0

(8)

圖7 系統(tǒng)根軌跡圖

圖8 指定參數(shù)下SOC指令的單位階躍響應(yīng)

對(duì)于高階系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)性能及穩(wěn)定性主要取決于主導(dǎo)極點(diǎn)，通過選擇合適的參數(shù)將主導(dǎo)極點(diǎn)配置為s1,2=-1±j，阻尼比為0.707；將非主導(dǎo)極點(diǎn)配置為s3,4=-30±j40，阻尼比0.8。圖8所示為該參數(shù)下SOC指令的單位階躍響應(yīng)。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證算法有效性，根據(jù)圖1搭建單機(jī)DG并網(wǎng)的仿真平臺(tái)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 基于儲(chǔ)能變流器的DG參數(shù)

初始狀態(tài)下SOC為50%，0.1秒時(shí)SOC指令階躍10%，圖9(a)(b)分別為某一具體參數(shù)下，SOC調(diào)節(jié)器及T,m變化下系統(tǒng)的響應(yīng)波形，從上到下依次為SOC，輸出功率P以及DG頻率ω。通過比較發(fā)現(xiàn)，kp、ki主要影響SOC控制效果，T、m則主要影響DG輸出功率P和輸出頻率ω?？偟膩碚f，較大的kp、ki有利于提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，降低SOC調(diào)節(jié)時(shí)間，但DG越容易出現(xiàn)過載，ω越偏離額定頻率ω0。T、m對(duì)SOC控制的效果基本沒有影響，但T越大、m越大DG輸出功率越容易發(fā)生震蕩，這主要是由于非主導(dǎo)極點(diǎn)偏離實(shí)軸導(dǎo)致。

圖9 不同參數(shù)下SOC指令階躍時(shí)DG波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)微網(wǎng)中DG的SOC控制問題，提出了一種基于PI調(diào)節(jié)器的控制算法。通過分析下垂控制和SOC控制算法得到系統(tǒng)的小信號(hào)模型，并從極點(diǎn)配置的角度設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使得系統(tǒng)能夠同時(shí)具備穩(wěn)定性和良好的動(dòng)態(tài)性能，最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出算法的有效性。

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Control Strategy of Charge State of Distributed Generation in the Micro Grid

Zhang Chenchen1, Zhang Honggu1, Hu Chao2

(1. State Grid Anhui Provincial Electric Power Company, Hefei Anhui 230000 China；2. Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009,China)

Distributed generation (DG) in micro grid needs to provide the energy storage module to meet the demand for continuing power supply, how to control SOC in the energy storage module is very important. To solve this issue, on the basis of the traditional droop control, a control unit for state of charge (SOC) based on proportional integral (PI) regulator is added. On the basis of the establishment of small-signal model, the regulator parameters are designed via pole assignment to enable the system presenting sound dynamic performance. Finally, the simulation shows the correctness and feasibility of the control strategy.

micro grid；energy storage；distributed generation；state of charge；pole assignment

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.015

TM91

A

1000-3886(2016)05-0044-03

張晨晨(1988-),男，安徽安慶人，大學(xué)，技師，電氣工程及其自動(dòng)化。 張鴻鵠(1980-)男，安徽巢湖人，本科，發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專業(yè)，工程師，高級(jí)技師，有多年繼電保護(hù)和電氣試驗(yàn)工作經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)從事超高壓變電站運(yùn)維工作。 胡超(1985-)男，安徽巢湖人，博士生，電氣工程專業(yè)。

定稿日期: 2016-04-12