馮天舒，劉　芳

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.中國(guó)電力建設(shè)工程咨詢有限公司，北京 100120))

基于復(fù)合儲(chǔ)能的微電網(wǎng)運(yùn)行的切換控制策略

馮天舒1，劉芳2

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.中國(guó)電力建設(shè)工程咨詢有限公司，北京 100120))

摘要：微電網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式配電網(wǎng)的一種有效形式，微電網(wǎng)技術(shù)能夠促進(jìn)分布式發(fā)電的大規(guī)模接入。針對(duì)微電網(wǎng)中并網(wǎng)模式和孤島模式之間的切換，提出一種含復(fù)合儲(chǔ)能裝置的微電網(wǎng)優(yōu)化控制策略。這種復(fù)合儲(chǔ)能的微電網(wǎng)優(yōu)化控制將超級(jí)電容器和蓄電池的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合到一起，用于由分布式電源作為主控式電源的微電網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)平滑切換的目標(biāo)。利用PSCAD/EMTDC軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明：在切換時(shí)間、頻率、電壓上，復(fù)合儲(chǔ)能均優(yōu)于蓄電池儲(chǔ)能。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；復(fù)合儲(chǔ)能；運(yùn)行模式；無(wú)縫切換；控制策略

微電網(wǎng)是一種將分布式電源、儲(chǔ)能裝置、負(fù)荷、變流器以及監(jiān)控保護(hù)裝置等有機(jī)整合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)。它可以充分發(fā)揮分布式發(fā)電在經(jīng)濟(jì)、節(jié)能及環(huán)保中的優(yōu)勢(shì)，協(xié)調(diào)與大電網(wǎng)的矛盾，具有較高的靈活性與可調(diào)度性。微電網(wǎng)中主要電源的輸出功率具有較大的波動(dòng)性和隨機(jī)性，利用儲(chǔ)能技術(shù)可以解決這些問題[1]。微電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能既有速度方面的要求，又有容量方面的要求，一種儲(chǔ)能元件很難同時(shí)滿足這些要求，因此，復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)需要深入研究。蓄電池由于技術(shù)成熟、能量密度大、價(jià)格低廉得到廣泛應(yīng)用，容易實(shí)現(xiàn)大容量?jī)?chǔ)能，為此蓄電池主要完成微電網(wǎng)中宏觀上的功率平衡作用。但是微電網(wǎng)中頻繁的充放電容易造成蓄電池溫度升高，嚴(yán)重影響蓄電池的壽命，且不能用于功率的快速補(bǔ)償；超級(jí)電容器充電功率大，速度快，使用壽命長(zhǎng)，可以完成穩(wěn)定頻率、電壓、補(bǔ)償隨時(shí)電壓變化等功能[2]。所以，蓄電池與超級(jí)電容器組成的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，具有容量密度高、功率密度大、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)[3]，對(duì)于平抑由分布式能源組成的微電網(wǎng)的功率平衡及安全穩(wěn)定運(yùn)行具有積極的意義。

近年來(lái)，許多國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者，在利用混合儲(chǔ)能平抑間隙式電源功率波動(dòng)方面進(jìn)行了卓有成效的研究。文獻(xiàn)[4]將鋰電池與超級(jí)電容器的組合形式應(yīng)用在獨(dú)立光伏電站，快速平衡系統(tǒng)瞬時(shí)功率，維持系統(tǒng)的可靠性；文獻(xiàn)[5]將鋰電池與超級(jí)電容器組成的復(fù)合儲(chǔ)能裝置應(yīng)用于并網(wǎng)光伏電站，優(yōu)化了光伏電站的輸出功率、降低儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行成本。文獻(xiàn)[6]利用超級(jí)電容器與蓄電池的組合，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性?；谏鲜鲅芯靠芍?，由超級(jí)電容器和蓄電池組成的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，在應(yīng)對(duì)由分布式新能源組成的微電網(wǎng)頻繁快速功率變化、無(wú)縫切換控制等方面具有良好的應(yīng)用前景，但目前在關(guān)于這方面研究應(yīng)用的文獻(xiàn)還不多。

本文在詳細(xì)分析了由風(fēng)電機(jī)組、光伏陣列組成的微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)儲(chǔ)能需求的基礎(chǔ)上，建立了風(fēng)電機(jī)組、光伏陣列及超級(jí)電容器和蓄電池組成的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)及控制模型。提出了適應(yīng)于微電網(wǎng)的復(fù)合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)及優(yōu)化控制策略，并進(jìn)行仿真研究，分析復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)運(yùn)行方式切換及平衡系統(tǒng)功率，提高系統(tǒng)可靠性等方面產(chǎn)生的成效。

1系統(tǒng)模型

本文采用的微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，交流母線電壓為 0.4 kV，通過升壓變壓器(T)經(jīng)公共連接點(diǎn)(PCC)接入10 kV 配電網(wǎng)(Distributed Network，DN)。系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(Wind Turbine，WT)、光伏陣列(Photovoltaic Array，PV)、蓄電池(Battery，BAT)、超級(jí)電容器(Super Capacitors，SC)及控制器組成。

圖1　微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖2　光伏電池等效模型

圖3　復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)等效模型

圖4　P/Q控制框圖

圖5　U/F控制框圖

圖6　微電網(wǎng)控制流程

1.1光伏電池的模型

光伏電池陣列由一定數(shù)量的單體電池經(jīng)串并聯(lián)構(gòu)成。它的輸出功率與光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等因素有關(guān)。單體光伏電池的等效電路如圖2所示。

圖2中，U，I 分別為光伏電池輸出電壓、電流；Iph為光生電流；ID，UD分別為電池P-N 結(jié)產(chǎn)生的擴(kuò)散電流和端電壓；Rs，Rsh分別為電池的串聯(lián)和并聯(lián)電阻。

1.2復(fù)合儲(chǔ)能裝置模型

由蓄電池和超級(jí)電容器組成的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)裝置等效電路如圖3所示。UB，RB分別為蓄電池的等效電壓和內(nèi)阻，L 為雙向DC/DC的電感；S1，S2，D1，D2分別為功率開關(guān)管；C為直流母線電容；USC，RSC分別為超級(jí)電容器等效電壓和內(nèi)阻。

超級(jí)電容器由于其容量大，充放電周期長(zhǎng)，可用一個(gè)理想電壓源和一個(gè)等效內(nèi)阻串聯(lián)來(lái)等效。超級(jí)電容器和蓄電池由儲(chǔ)能控制器控制經(jīng)雙向變換器(DC/DC)后接入直流母線。這種連接方式的優(yōu)點(diǎn)是可以使蓄電池、超級(jí)電容器工作在不同的電壓范圍，是兩者的容量配置與組合形式靈活可變。

在復(fù)合儲(chǔ)能的容量配置方面，蓄電池的容量應(yīng)能保證微電網(wǎng)中重要負(fù)荷的正常供電；超級(jí)電容器主要應(yīng)對(duì)切換瞬間的功率平衡，所配容量應(yīng)滿足微電網(wǎng)中所有負(fù)荷的功率要求。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型，參見文獻(xiàn)[7-8]。

2系統(tǒng)控制

2.1并網(wǎng)運(yùn)行控制策略

當(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)內(nèi)的功率缺額由配電網(wǎng)來(lái)平衡，頻率調(diào)整和電壓控制都由配電網(wǎng)來(lái)負(fù)責(zé)，網(wǎng)內(nèi)分布式發(fā)電(Distributed Generation，DG)逆變器均采用P/Q控制方式，控制流程如圖4所示。

圖4中，P、Q分別為逆變器輸出的有功功率和無(wú)功功率；Pref、Qref為中央控制器指定的有功功率和無(wú)功功率參考值；ud、uq、id、iq分別為逆變器端電壓、電流的d、q軸分量；usd、usq分別為控制器輸出電壓的d、q軸分量；idref、idref為逆變器電流的d、q軸分量參考值；uref為電壓參考值。

2.2孤島運(yùn)行控制策略

當(dāng)孤島運(yùn)行時(shí)，復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)采用U/F控制方式，為微電網(wǎng)提供頻率和電壓支持，并跟蹤負(fù)荷的變化，其余DG采用P/Q控制方式?？刂屏鞒倘鐖D5所示。

圖5中，ω為角頻率信號(hào)；θ為角度信號(hào)； f為工頻；udref、uqref為逆變器端電壓的d、q軸分量參考值。

2.3復(fù)合儲(chǔ)能控制策略

復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向DC/DG變換器采用Buck/Boost功率變換器形式，見圖3。這種結(jié)構(gòu)體積小、工作效率高。當(dāng)S1動(dòng)作，S2驅(qū)動(dòng)閉鎖時(shí)，變換器處于Buck模式；當(dāng)S1驅(qū)動(dòng)閉鎖，S2動(dòng)作時(shí)，變換器處于Boost模式。這種策略可以靈活多層次地設(shè)定蓄電池的充放電電流及其相互之間的轉(zhuǎn)換過程。

2.4無(wú)縫切換控制策略

當(dāng)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)模式、孤島模式或者在并網(wǎng)/孤島無(wú)縫切換模式的情況下，微電網(wǎng)最主要的任務(wù)就是保證微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的所有敏感負(fù)荷可靠正常的運(yùn)行；另一方面，在并網(wǎng)模式和孤島模式之間進(jìn)行無(wú)縫切換的過程中，微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷端的電壓幅值和相位不能發(fā)生較大的變化；同時(shí)在并網(wǎng)過程中不能產(chǎn)生很大的電流沖擊，導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。只要上述條件能夠得到保證，微電網(wǎng)就可以在并網(wǎng)模式和孤島模式之間成功地進(jìn)行無(wú)縫切換。

當(dāng)微電網(wǎng)在并網(wǎng)模式和孤島模式之間進(jìn)行無(wú)縫切換時(shí)，不僅需要保證控制策略的成功轉(zhuǎn)換，而且需要PCC點(diǎn)靜態(tài)開關(guān)的準(zhǔn)確配合。如果PCC點(diǎn)靜態(tài)開關(guān)配合不當(dāng)，很可能就會(huì)導(dǎo)致無(wú)縫切換的失敗。此外還需要依靠大電網(wǎng)狀態(tài)快速準(zhǔn)確的檢測(cè)，并網(wǎng)時(shí)電壓的同步檢測(cè)等諸多方面，只要有一方面配合不當(dāng)，很可能就會(huì)導(dǎo)致無(wú)縫切換的失敗。如果切換失敗，將導(dǎo)致很嚴(yán)重的后果。例如，當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)從并網(wǎng)模式向孤島模式轉(zhuǎn)換時(shí)，如果PCC點(diǎn)的靜態(tài)開關(guān)沒有正常關(guān)斷，就可能導(dǎo)致大電網(wǎng)的不良影響進(jìn)入微電網(wǎng)，如果沒有敏感負(fù)荷實(shí)時(shí)的保護(hù)，微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的敏感負(fù)荷就會(huì)全部損壞。

在并網(wǎng)運(yùn)行情況下，當(dāng)配電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不能滿足要求時(shí)，檢測(cè)公共耦合點(diǎn)(PCC)電壓、頻率，超出允許的范圍時(shí)，微電網(wǎng)需要與配電網(wǎng)快速斷開，轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行方式，儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制方式由P/Q控制轉(zhuǎn)變?yōu)閁/F控制方式，其余DG仍采用P/Q控制方式。此時(shí)，若網(wǎng)內(nèi)功率不能保持平衡，就要考慮切負(fù)荷或者切機(jī)；在主網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行后，需要將微電網(wǎng)與配電網(wǎng)重新連接。此時(shí)，為了避免互聯(lián)過程中對(duì)配電網(wǎng)造成較大的暫態(tài)沖擊，必須對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行同期，為此，檢測(cè)公共耦合點(diǎn)微網(wǎng)側(cè)及配電網(wǎng)側(cè)的電壓、頻率及相角，當(dāng)對(duì)應(yīng)量相差在允許的范圍之內(nèi)時(shí)，完成同期并列。之后，復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)由U/F控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)镻/Q控制方式，并恢復(fù)負(fù)荷或DG。微電網(wǎng)控制流程圖見圖6。

3仿真結(jié)果及分析

本文在PSCAD/EMTDC軟件平臺(tái)上搭建了微電網(wǎng)模型。仿真主要參數(shù)設(shè)置如下：光伏發(fā)電容量為15 kW，風(fēng)力發(fā)電為20 kW；蓄電池容量為100 A·h，額定電壓為240 V，額定放電率為0.3 C，超級(jí)電容器為10 F，額定電壓360 V；負(fù)荷功率為40+j10 kVA。

微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，所有DG均采用P/Q控制，在1 s時(shí)，配網(wǎng)發(fā)生故障，檢測(cè)到電壓或頻率越限，保護(hù)動(dòng)作，微電網(wǎng)與主配網(wǎng)斷開，由并網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤網(wǎng)運(yùn)行，儲(chǔ)能裝置控制方式由P/Q轉(zhuǎn)為U/F方式；在2 s時(shí)，配網(wǎng)故障消除，經(jīng)檢測(cè)，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)側(cè)電壓、頻率、相角差符合同期要求，保護(hù)動(dòng)作，微電網(wǎng)重新與配電網(wǎng)并列運(yùn)行，電氣量恢復(fù)到孤網(wǎng)運(yùn)行前的狀態(tài)。仿真結(jié)果分別見圖7、圖8。

圖7 微電網(wǎng)和配網(wǎng)頻率圖8 微電網(wǎng)和配網(wǎng)電壓

為了便于比較，圖7、圖8中分別給出單獨(dú)使用蓄電池儲(chǔ)能和使用復(fù)合儲(chǔ)能兩種情況下的結(jié)果。

由圖7可知，在1 s之前，并網(wǎng)運(yùn)行，蓄電池儲(chǔ)能和復(fù)合儲(chǔ)能情況下，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)的頻率都是50 Hz，在1s時(shí)，功率不再平衡，由于蓄電池輸出限制，頻率波動(dòng)較大；而復(fù)合儲(chǔ)能，由于超級(jí)電容器功率密度大，及時(shí)彌補(bǔ)功率差額，頻率波動(dòng)也在允許的范圍之內(nèi)。2 s后，轉(zhuǎn)入并網(wǎng)運(yùn)行，系統(tǒng)頻率逐漸恢復(fù)到50 Hz，復(fù)合儲(chǔ)能比蓄電池儲(chǔ)能情況所用時(shí)間更短。

由圖8可知，在1 s之前，并網(wǎng)運(yùn)行，蓄電池儲(chǔ)能和復(fù)合儲(chǔ)能情況下，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)的電壓近似為220 V，在1 s時(shí)，功率不再平衡，由于蓄電池輸出限制，電壓波動(dòng)較大；在復(fù)合儲(chǔ)能情況下，由于超級(jí)電容器功率密度大，及時(shí)彌補(bǔ)無(wú)功功率差額，使得孤網(wǎng)運(yùn)行期間，電壓波動(dòng)符合要求。2 s后，轉(zhuǎn)入并網(wǎng)運(yùn)行，電壓逐漸恢復(fù)到孤網(wǎng)運(yùn)行前水平，復(fù)合儲(chǔ)能情況下，恢復(fù)速度更快。

4結(jié)論

基于蓄電池與超級(jí)電容器的特性，建立微電網(wǎng)的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，提出微電網(wǎng)并網(wǎng)與孤島運(yùn)行方式平穩(wěn)切換的控制策略，通過仿真實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論：

1)復(fù)合儲(chǔ)能兼具能量型儲(chǔ)能及功率型儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)，且控制方式靈活、方便。對(duì)于實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)能量的瞬時(shí)平衡，維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用;

2)多層次的控制模式，在運(yùn)行方式切換前后，使微電網(wǎng)的頻率、電壓都能保持在允許的范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)平滑切換;

3)在線檢測(cè)頻率、電壓，切換時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊很小，保證電網(wǎng)電能質(zhì)量。

在下一步的研究中，將考慮超級(jí)電容器與蓄電池的容量?jī)?yōu)化配置及微電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的改善。

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Control Strategy for Operation Transfer of Micro-grid Based on Hybrid Energy Storage System

FENG Tian-shu1,LIU Fang2

(1.Electrical Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.China Power Coustruction Engineering Co.LTD.Beijing 100120)

Abstract：Micro-grid is to achieve an effective form of active distribution grid，micro-grid technology can facilitate access to large-scale distributed power generation.Switching micro-grid grid between pattern and island modes against proposed micro-grid energy storage device containing a compound of optimal control strategy.This composite storage optimization micro-grid control and advantages of the super-capacitor battery to come together for the distributed power as a master micro-grid power supply to achieve the goals micro-grid smooth handover.Using PSCAD /EMTDC software of the system，the results show that：the switching time，frequency，voltage，complex storage are superior battery energy storage.

Key words：Micro-grid；Hybrid Energy Shortage System；Operation Modes；Seamless Switching；Control Strategies

收稿日期：2016-03-22

作者簡(jiǎn)介：馮天舒(1992-)，男，吉林市松原市人，東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院在讀研究生，主要研究方向：分布式發(fā)電及微電網(wǎng)運(yùn)行與控制.

文章編號(hào)：1005-2992(2016)03-0011-05

中圖分類號(hào)：TM715

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A