張惠娟，脫少鑒，李 旭

(河北工業(yè)大學(xué)電磁場與電器可靠性省部共建國家重點實驗室培育基地，天津300130)

微網(wǎng)中蓄電池儲能系統(tǒng)的控制策略研究

張惠娟，脫少鑒，李 旭

(河北工業(yè)大學(xué)電磁場與電器可靠性省部共建國家重點實驗室培育基地，天津300130)

微網(wǎng)中太陽能等一次能源發(fā)電易受自然條件因素的影響，導(dǎo)致輸出功率很不穩(wěn)定，針對上述問題，對儲能系統(tǒng)作為微電網(wǎng)主要電源的主從控制策略進(jìn)行了研究。以發(fā)展技術(shù)成熟的蓄電池為儲能元件，主控儲能裝置采用恒壓恒頻控制算法，檢測電網(wǎng)電壓波動快速補償有功無功功率；次控儲能裝置采用恒功率控制算法，維持最大功率的輸出。搭建了微電網(wǎng)仿真模型，模擬微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤島運行模式轉(zhuǎn)換的過程，仿真結(jié)果驗證了該控制策略的有效性。

微電網(wǎng)；儲能系統(tǒng)；電壓頻率環(huán)；有功無功補償；恒功率控制

大電網(wǎng)一旦局部發(fā)生事故，很容易擴散造成大面積停電，加上偏遠(yuǎn)地區(qū)供電困難和能源危機等問題，學(xué)者們提出了投資小、供電可靠而且發(fā)電方式靈活的微電網(wǎng)技術(shù)[1]。儲能系統(tǒng)作為微電網(wǎng)必不可少的一部分，它的合理配置值得深入研究。

目前微電網(wǎng)中的儲能大部分只做輔助電源，而主要電源是太陽能等一次能源。但一次能源容易受天氣等不確定因素影響，在電網(wǎng)發(fā)生故障時會導(dǎo)致輸出功率很不穩(wěn)定，具有間歇性和波動性等問題。而儲能作為一種穩(wěn)定能源，它可以持續(xù)地為微電網(wǎng)提供電能。

本文以發(fā)展技術(shù)較成熟的蓄電池為儲能元件，主控儲能裝置采用恒壓恒頻(V/f)控制算法，檢測電網(wǎng)電壓波動快速補償有功無功功率；次控儲能裝置采用恒功率(PQ)控制算法，維持最大功率的輸出。建立系統(tǒng)仿真模型，并研究此算法的有效性。

1 蓄電池儲能系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)及功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作原理

儲能技術(shù)中蓄電池儲能系統(tǒng) (battery energy storage system，BESS)在微電網(wǎng)中應(yīng)用很廣泛，已成為經(jīng)濟發(fā)展的一個新熱點[2]。

蓄電池儲能系統(tǒng)由蓄電池和電力電子變流器組成，主要包括蓄電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(power conversion system，PCS)等三部分。功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)選擇使用電壓型三相橋式PWM變流器(簡稱PWM變流器)[3]。

PWM變流器可以實現(xiàn)能量的雙向流動，當(dāng)蓄電池從電網(wǎng)吸收電能時，PWM變流器運行于整流模式；當(dāng)蓄電池向電網(wǎng)釋放能量時，PWM變流器運行在逆變模式。下面通過建立模型電路分析其工作原理。

從圖1可知PWM變流器的直流側(cè)電容可等價為一個直流源，交流側(cè)電路由交流電動勢、網(wǎng)側(cè)電阻和網(wǎng)側(cè)電感等組成。分析時只考慮基波分量而忽略整流器諧波分量，且假設(shè)交流側(cè)為對稱且穩(wěn)定的三相交流電，可得矢量方程：

圖1 PWM變流器的等效電路

2 儲能系統(tǒng)的控制策略

2.1 儲能系統(tǒng)的構(gòu)成

系統(tǒng)主要的組成部分包括BESS、控制器、負(fù)荷、光伏電池及靜態(tài)開關(guān)(SB)。多個BESS子系統(tǒng)并聯(lián)構(gòu)成大型蓄電池儲能系統(tǒng)，BESS1作為系統(tǒng)的主控電源，在檢測到PCC點電壓、電流的變化后，進(jìn)行并網(wǎng)模式和孤島模式的轉(zhuǎn)換，其他BESS則一直保持PQ控制方式。大型儲能系統(tǒng)的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 大型儲能系統(tǒng)的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

每個BESS子系統(tǒng)由一個電池模塊(由一定數(shù)目的單個電池經(jīng)過串并聯(lián)構(gòu)成)和一個功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(由PWM變流器和濾波器構(gòu)成)組成，電池模塊直接連接在功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)直流母線側(cè)，經(jīng)過DC/AC變換，得到負(fù)載/電網(wǎng)需要的交流電后通過變壓器接在PCC上。

2.2 單個儲能裝置的并網(wǎng)模式(PQ控制)

PQ控制通過鎖相環(huán)SPLL采集逆變器出口電流和饋線電壓，經(jīng)過Park變化，把三相電壓電流轉(zhuǎn)化為軸的分量，進(jìn)行功率計算和電流控制，得到正弦調(diào)制信號，保證儲能輸出的有功和無功保持在恒定值[5]。圖3為PQ控制方法結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 PQ控制方法結(jié)構(gòu)框圖

PQ控制的關(guān)鍵在于對有功和無功功率進(jìn)行解耦，把對功率的控制轉(zhuǎn)變?yōu)閷﹄娏鞯目刂?，然后對電流進(jìn)行PI控制，從而控制逆變器的輸出。

由圖3知，母線上電壓可表示為：

式中：ω為母線電壓角頻率，并網(wǎng)時取決于配電網(wǎng)的電壓頻率，孤島時為微網(wǎng)電壓頻率。

由式(2)～式(4)就可以完成PQ的解耦控制。

2.3 單個儲能裝置孤島模式(V/f控制)

V/f控制方法適用于微電網(wǎng)孤島運行，通過控制主控儲能系統(tǒng)的變流器，以維持輸出的電壓和頻率在可調(diào)范圍內(nèi)，確保微網(wǎng)穩(wěn)定運行。圖4為V/f控制方法的結(jié)構(gòu)框圖。

圖4 V/f控制方法的結(jié)構(gòu)框圖

V/f控制的關(guān)鍵在于電壓電流雙環(huán)控制，外環(huán)是瞬時電壓環(huán)，采用比例積分控制(PI控制)來穩(wěn)定負(fù)載電壓；內(nèi)環(huán)是電容電流瞬時調(diào)節(jié)環(huán)，采用比例控制(P控制)來增強系統(tǒng)的抗干擾能力。

電壓電流雙環(huán)控制的原理是將系統(tǒng)濾波器輸出電壓與參考電壓進(jìn)行比較后，得到的誤差信號經(jīng)PI控制器，疊加電容補償單元后，同時引入微網(wǎng)電壓前饋補償項，疊加后的輸出值與實際電容電流進(jìn)行比較后，經(jīng)過P控制器后輸出可以驅(qū)動開關(guān)管的正弦調(diào)制信號。

3 仿真驗證

為了驗證提出控制策略的正確性和有效性，本節(jié)研究含有兩個儲能裝置的三相微網(wǎng)系統(tǒng)。微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型

BESS1作為主控電源，BESS2作為從屬電源，并網(wǎng)模式下BESS1和BESS2均采用PQ控制 (按照上級調(diào)度指令輸出恒定有功和無功功率)，當(dāng)微網(wǎng)脫離配電網(wǎng)時，BESS1切換為V/f控制，BESS2仍然保持PQ控制。假設(shè)光伏系統(tǒng)此時處于晚上(特殊情況)，既不發(fā)出電能，也不吸收電能。

微網(wǎng)的電壓等級為380 V，配電網(wǎng)用三相理想電壓源替代。直流側(cè)為蓄電池的串并聯(lián)組合模型，BESS1和BESS2端電壓均為800 V。BESS1和BESS2按照上級調(diào)度指令輸出有功和無功功率，其有功無功的給定由負(fù)荷而定。PWM載波頻率，仿真采樣時間為50 μs。

下面對微電網(wǎng)進(jìn)行仿真，仿真時間為6 s。

閉合K1、K2和K3，接入恒功率負(fù)載1、2、3，仿真過程為：

(1)0～2 s，微網(wǎng)處于并網(wǎng)運行，BESS1、BESS2都是PQ控制，2 s時微網(wǎng)孤島運行，BESS1由PQ切換到V/f，BESS2仍然是PQ控制；

(2)4 s時微電網(wǎng)重新并網(wǎng)，僅BESS1切換為PQ控制。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 微網(wǎng)系統(tǒng)仿真結(jié)果

由圖6分析得：

(1)2 s時，圖6(a)微網(wǎng)頻率在0.2 s內(nèi)波動較大，短暫調(diào)整后恢復(fù)到50 Hz左右；圖6(b)表示BESS1輸出的有功功率由3 500 W增加到6 000 W，無功功率由0增加到2 500 Var。V/f控制的BESS1可以為孤島模式運行提供穩(wěn)定的頻率支撐。

(2)4 s時，系統(tǒng)頻率在轉(zhuǎn)為并網(wǎng)模式時短時間內(nèi)下降，約0.2 s就恢復(fù)到50 Hz水平，頻率的變化在允許范圍內(nèi)。BESS1由V/f切換到PQ控制時輸出的有功從6 000 W減小到3 500 W，同時無功由2 500 Var減少到0，需要的功率缺額由配電網(wǎng)來補償。圖6(c)表示BESS2始終處于PQ控制，有功和無功給定不變，基本保持恒定，恒功率控制效果理想。

為了檢測PCC點電壓的波動情況，清楚地觀測電壓波形是否完整，將仿真時間稍作修改。設(shè)仿真時間為0.3 s。仿真過程為：0～0.1 s，微網(wǎng)并網(wǎng)，0.1 s時微電網(wǎng)脫網(wǎng)，0.2 s時微電網(wǎng)重新并網(wǎng)。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 PCC點電壓波形

由圖7可知，在0.1 s微網(wǎng)切換運行模式時相電壓幅值有了微小的變化，但是很快恢復(fù)到了正常水平，幅值在311 V左右趨于穩(wěn)定，波形基本為正弦波，PCC點電壓穩(wěn)定。

從以上的仿真結(jié)果可知，在微電網(wǎng)運行模式轉(zhuǎn)換時儲能系統(tǒng)BESS1可以通過改變有功和無功補償來實現(xiàn)整個微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，頻率和電壓變化也符合國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，控制效果理想。

4 結(jié)論

本文給出了大型蓄電池儲能系統(tǒng)的主從控制策略，主控儲能裝置采用電壓頻率環(huán)和有功無功補償相結(jié)合的恒壓恒頻控制算法，次控儲能裝置采用恒功率控制算法。這種控制策略在不穩(wěn)定電源如光伏電池不能為微網(wǎng)提供電能的前提下，蓄電池儲能系統(tǒng)也能在微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤島運行模式轉(zhuǎn)換時保證整個微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，頻率和電壓變化也在允許的范圍內(nèi)，控制效果理想，微網(wǎng)可以穩(wěn)定運行。

[1]王成山，李鵬.分布式發(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展和挑戰(zhàn)[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34(2)：10-12.

[2]黃曉東，郝木凱，陸志剛，等.微網(wǎng)系統(tǒng)中電池儲能系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究[J].可再生能源，2012，30(1)：38-41.

[3]智剛，梁京哲，金新民，等.蓄電池充放電裝置用三相PWM整流器的研究[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2008，11(3)：14-17.

[4]徐琳.微電網(wǎng)蓄電池儲能系統(tǒng)控制技術(shù)研究[D].濟南：山東大學(xué)，2012.

[5]田野.微網(wǎng)變流器控制關(guān)鍵技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

Study on control strategy of battery energy storage system in micro grid

Primary energy in micro-grid such as solar power is easily influenced by natural factors,which lead to the output power unstable.For the above problem,a master-slave control strategy in which storage system was main power of micro-grid was proposed.With technical mature battery as energy storage component,master energy storage adopted constant voltage and frequency control algorithm, which could detect voltage fluctuation and compensate power;secondary energy storage adopted constant power control algorithm,which could ensure to provide micro grid stable power.The simulation model of micro grid was built, and the switch process of interconnection and isolated net was simulated.The simulation proves the validity.

micro grid;energy storage system;frequency voltage loop;active reactive power compensation;constant power control

TM 727

A

1002-087 X(2016)06-1262-03

2015-12-05

張惠娟(1963—)，女，天津市人，博士，教授，主要研究方向為電力系統(tǒng)分析與預(yù)測。