楊建廷，李 嵐，牛浩明

(太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院, 山西 太原 030024)

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柴儲獨(dú)立供電系統(tǒng)的功率協(xié)調(diào)控制策略*

楊建廷，李 嵐，牛浩明

(太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院, 山西 太原 030024)

在利用柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)作為直接供電方式的一些地區(qū)，常規(guī)柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)會由于負(fù)荷輕重的不穩(wěn)定，而導(dǎo)致供電系統(tǒng)的工作狀態(tài)也會因此不停波動。鑒于此種情況，提出了一種相對有效的優(yōu)化方案，在發(fā)電系統(tǒng)中引入了儲能電池和功率控制裝置，用來協(xié)調(diào)控制整個(gè)供電系統(tǒng)的能量流動：在負(fù)載很輕時(shí)，儲能電池獨(dú)立逆變進(jìn)行供電；負(fù)載較重時(shí)，以發(fā)電機(jī)的輸出作為交流母線系統(tǒng)，儲能電池和柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電；當(dāng)儲能電池電量不足時(shí)，和用電負(fù)載一起作為系統(tǒng)的負(fù)載，發(fā)電機(jī)對其進(jìn)行充電，從而確保柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)能夠高效穩(wěn)定地工作。

柴油發(fā)電機(jī)； 功率控制； 聯(lián)合供電； 儲能電池； 交流母線

0 引 言

在一些偏遠(yuǎn)山村地區(qū)，由于遠(yuǎn)離大電網(wǎng)，如果專門配電輸送，則成本會相對較高，并且不合理，因此在當(dāng)?shù)?，?dú)立供電系統(tǒng)就成為最直接有效的供電方式。對于一些用電負(fù)荷不是特別大的場所，利用柴油發(fā)電機(jī)組直接發(fā)電基本上就能夠解決這些地區(qū)的供電問題。

但是由于常規(guī)的柴油機(jī)結(jié)構(gòu)比較單一，能量單向流向負(fù)載，在負(fù)荷不穩(wěn)定的情況下，柴油發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài)也會有相應(yīng)的波動，會導(dǎo)致整個(gè)供電系統(tǒng)電壓和頻率的不穩(wěn)定。雖然柴油發(fā)電機(jī)具有短暫的過流保護(hù)能力，但時(shí)間過長可能導(dǎo)致故障停機(jī)，會造成供電間斷。鑒于這種情況，本文提出了把儲能電池裝置加入到柴油發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)中，利用蓄電池的充放電功能來協(xié)調(diào)供電系統(tǒng)的能量流動，短暫解決系統(tǒng)的功率補(bǔ)充問題，改善供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。

1 柴油發(fā)電機(jī)模型及其調(diào)速模型

1.1 柴油發(fā)電機(jī)模型

柴油發(fā)電機(jī)主要分為兩部分：柴油機(jī)與同步發(fā)電機(jī)。在MATLAB中，同步發(fā)電機(jī)有專門的模塊，而柴油機(jī)則沒有，需要單獨(dú)建模。

柴油機(jī)本身結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，而且影響因素比較多，在建模過程中可以把柴油機(jī)分為四個(gè)部分：柴油機(jī)本體模型，柴油機(jī)燃燒及熱力環(huán)節(jié)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速采樣環(huán)節(jié)，柴油機(jī)油門執(zhí)行環(huán)節(jié)，如圖1所示。

圖1 柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

(1) 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器模型的建立。柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于發(fā)電機(jī)輸出電動勢的頻率，但是信號之間的轉(zhuǎn)換以及齒輪轉(zhuǎn)動都有一定的延時(shí)性。這與傳感器和柴油機(jī)的性能有很大的關(guān)系。經(jīng)考慮，其傳遞函數(shù)簡化為

(1)

式中：A(s)——傳感器輸出信號；

n(s)——實(shí)際轉(zhuǎn)速信號；

K1——比例系數(shù)；

t0——時(shí)間常數(shù)。

(2) 執(zhí)行器模型。執(zhí)行器根據(jù)調(diào)速器的輸出信號來調(diào)節(jié)柴油機(jī)油門的開合程度，從而控制進(jìn)油量?？捎靡浑A傳遞函數(shù)表示：

(2)

式中：α(s)——油門開合程度；

K2——比例系數(shù)；

t1——時(shí)間常數(shù)。

(3) 燃燒熱力環(huán)節(jié)。油門開合程度越大柴油機(jī)輸出力矩越大，傳遞函數(shù)為

(3)

式中：Md(s)——柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；

t3——時(shí)間常數(shù)；

K3——比例系數(shù)。

(4) 柴油機(jī)本體模型。由柴油機(jī)運(yùn)動學(xué)原理得方程：

(4)

式中：J——轉(zhuǎn)動慣量；

ω——角速度；

Md——輸出轉(zhuǎn)矩；

Ml——負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

經(jīng)過線性化并且忽略一些因素后可得柴油機(jī)模型的傳遞函數(shù)為

(5)

式中：Ta——時(shí)間常數(shù)；Tg——自穩(wěn)系數(shù)。

柴油發(fā)電機(jī)仿真模型結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 柴油發(fā)電機(jī)仿真模型

1.2 柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速模型

根據(jù)柴油機(jī)非線性的特點(diǎn)以及自身的一些特性，經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮喕?，本文設(shè)計(jì)所采用的柴油發(fā)電機(jī)組模型為一階慣性加純滯后形式，即：

(6)

式中：K——柴油發(fā)電機(jī)放大系數(shù)；

T0——等效時(shí)間常數(shù)；

τ——滯后時(shí)間。

根據(jù)前面的推導(dǎo)計(jì)算，將柴油發(fā)電機(jī)傳統(tǒng)PID控制與模糊自適應(yīng)算法結(jié)合起來，以柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差e和轉(zhuǎn)速偏差變化率ec作為輸入量，利用PID參數(shù)模糊自整定的原理，找出作為PID輸出量的ΔP、ΔI、ΔD與e、ec之間的模糊關(guān)系，實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)模糊自整定從而使系統(tǒng)被控對象能夠有相對較好的動、靜態(tài)性能。在MATLAB的Simulink中搭建的調(diào)速模糊控制系統(tǒng)如圖3所示。

2 混合供電系統(tǒng)的幾種工作狀態(tài)

基于傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)直接給負(fù)荷提供三相交流電。能量由發(fā)電機(jī)流動負(fù)荷，負(fù)荷的大小就是柴油機(jī)的輸出大小，因此無論負(fù)荷輕重，為了正常工作，柴油機(jī)輸出功率必須跟隨負(fù)荷變化。

圖3 模糊自適應(yīng)整定PID控制器子系統(tǒng)

為了使柴油發(fā)電機(jī)組能夠高效工作，并且盡量減少資源浪費(fèi)，將發(fā)電機(jī)組與儲能電池結(jié)合起來組成混合供電系統(tǒng)，通過合理控制能量，使作為能量載體的儲能電池既能夠輸出電能，充當(dāng)供電部分，又能夠吸收電能，充當(dāng)負(fù)載部分。因此，根據(jù)不同負(fù)荷工況，混合供電系統(tǒng)有以下幾種不同的工作狀態(tài)：

(1) 儲能電池單獨(dú)供電。在負(fù)荷比較輕，而且儲能電池電量充足的情況下，考慮到柴油機(jī)的工作效率，此時(shí)如果繼續(xù)讓發(fā)電機(jī)工作，非常不合理，因此停止發(fā)電機(jī)組的供電工作，儲能電池經(jīng)過逆變器輸出功率，獨(dú)立供電。功率流動如圖4所示。

圖4 儲能電池獨(dú)立供電

同時(shí)為了儲能電池的安全，防止過放而損壞，應(yīng)該實(shí)時(shí)監(jiān)測電池電量。若低于容量下限，則停止逆變供電，需要起動柴油發(fā)電機(jī)工作。

(2) 儲能電池作為負(fù)載。如果檢測到儲能電池的電量不是很充足，則應(yīng)起動柴油機(jī)工作，按照要求供電給負(fù)荷和儲能電池，同時(shí)要時(shí)刻檢測儲能電池的電量狀態(tài)，防止過充而對電池造成損壞，影響壽命。能量流動如圖5所示。

圖5 儲能電池作為負(fù)載

(3) 混合系統(tǒng)聯(lián)合供電。在負(fù)載比較重而儲能電池為滿狀態(tài)的情況下，可以考慮儲能電池經(jīng)過逆變器和發(fā)電機(jī)并聯(lián)起來一同供電，作為柴油機(jī)的額外補(bǔ)充電源，分擔(dān)柴油機(jī)不能滿足的負(fù)荷供電需求。功率流動如圖6所示。

圖6 儲能電池和發(fā)電機(jī)聯(lián)合供電

從上面介紹的混合供電模式可以看出，在不同的工作狀態(tài)中起主要作用的是功率控制器。不管是儲能電池單獨(dú)逆變提供交流電，還是在負(fù)載嚴(yán)重時(shí)，儲能電池和柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)提供交流電，所采用的都是逆變技術(shù)。雖然儲能系統(tǒng)作為負(fù)載時(shí)采用的是整流技術(shù)，但這都可由同一個(gè)功率控制器實(shí)現(xiàn)。

3 柴儲聯(lián)合供電系統(tǒng)的功率控制

3.1 系統(tǒng)功率控制

本文以逆變整流裝置為功率控制器，對流入儲能電池逆變器的有功和無功功率作解耦控制，進(jìn)而協(xié)調(diào)能量在系統(tǒng)內(nèi)的流動方向。把控制器的交流側(cè)看作研究對象，記ea、eb、ec和ia、ib、ic為三相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系相電壓和相電流的瞬時(shí)值；eα、eβ和iα、iβ為變換到兩相靜止坐標(biāo)系時(shí)，α、β兩相的瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流；ed、eq和id、iq為轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系時(shí)d、q軸上的電壓和電流分量。由于本文考慮的是系統(tǒng)的功率流動，所以采用等功率變換的原則進(jìn)行坐標(biāo)變換。

三相電壓和電流的瞬時(shí)值在兩相靜止坐標(biāo)系中的表達(dá)為

(7)

依據(jù)對三相電路瞬時(shí)功率的定義，把瞬時(shí)電壓值和瞬時(shí)電流值的點(diǎn)積結(jié)果作為瞬時(shí)有功功率值，而把瞬時(shí)電壓值叉積瞬時(shí)電流值的結(jié)果作為瞬時(shí)無功功率的值，計(jì)算之后得到的瞬時(shí)功率為

(8)

同樣地，兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，瞬時(shí)有功和無功功率表示為

(9)

由于是基于電壓定向模式，eq=0，則式(9)簡化后得

(10)

若不考慮電壓的波動，交流側(cè)的三相正弦電壓穩(wěn)定，即ed是一個(gè)不變定值。所以瞬時(shí)有功功率P和無功功率Q分別與交流側(cè)電流的d、q軸的有功、無功分量id、iq成正比。由此可見，電壓定向時(shí)，控制id、iq就能控制儲能電池的功率。

3.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以下考慮整個(gè)系統(tǒng)的能量流動。

忽略系統(tǒng)的能量損耗，整個(gè)系統(tǒng)的能量流動可表示為

PG+PB=PL

(11)

式中：PG——柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的輸出功率；

PB——儲能電池輸出功率；

PL——負(fù)荷功率。

(12)

當(dāng)儲能電池做獨(dú)立電源時(shí)，依據(jù)負(fù)荷的大小來輸出功率，即PB=PL。給定電流id*變?yōu)?/p>

(13)

根據(jù)上述給出的幾種系統(tǒng)工作狀態(tài)，結(jié)合具體的控制策略，系統(tǒng)控制框圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)控制框圖

控制系統(tǒng)主要包括兩部分：(1) 主功率電路部分；(2) 控制部分，又由坐標(biāo)變換、給定計(jì)算、PI控制器以及SVPWM觸發(fā)信號產(chǎn)生部分組成。

4 試驗(yàn)結(jié)果

本文所采用的柴油發(fā)電機(jī)主要參數(shù)如下：柴油機(jī)為4沖程，額定功率115kW，額定轉(zhuǎn)速1500r/min；同步發(fā)電機(jī)額定視在功率125kVA，額定電壓380V，額定頻率50Hz，功率因數(shù)0.8，極對數(shù)2，勵磁方式為相復(fù)勵。

以下是針對不同的負(fù)荷情況得出的試驗(yàn)結(jié)果。

負(fù)載不重時(shí)，儲能電池不需要輸出，有功電流是0。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，計(jì)算出儲能電池需要分?jǐn)偟墓β?，根?jù)公式算出給定有功電流。如圖8所示，在0.5s時(shí)，負(fù)載從100kW增加到120kW，得出有功電流由0變?yōu)?2.6A，蓄電池經(jīng)過逆變器和柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電，承擔(dān)輸出一定的功率，這期間會有一段調(diào)節(jié)過渡時(shí)間。

圖8 蓄電池逆變并聯(lián)供電時(shí)系統(tǒng)曲線圖

輕載時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)提供一部分能量滿足負(fù)載需要，剩余的可以對儲能電池進(jìn)行充電。如圖9所示，0～0.5s期間，負(fù)載功率為65kW，此時(shí)蓄電池吸收柴油機(jī)輸出的一部分能量給自身充電，給定的有功電流為92.1A，在0.5s時(shí)，突然增加負(fù)載到80kW，計(jì)算得出新的儲能電池給定有功電流52.6A。

圖9 儲能電池充電作為負(fù)載時(shí)系統(tǒng)曲線圖

若負(fù)荷很小，而儲能電池滿狀態(tài)，使其獨(dú)立逆變供電，柴油機(jī)不工作。如圖10所示，初始負(fù)載功率是5kW，有功電流給定為13.16A，當(dāng)增加到10kW時(shí)，有功電流給定變?yōu)?6.32A。

圖10 儲能電池單獨(dú)逆變時(shí)系統(tǒng)曲線圖

5 結(jié) 語

本文在常規(guī)柴油發(fā)電機(jī)組獨(dú)立供電系統(tǒng)中引入儲能電池，提出了柴油發(fā)電機(jī)和儲能電池的協(xié)調(diào)控制方法。結(jié)果表明：通過將儲能電池加入到柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，利用儲能電池能夠充放電的特性，實(shí)現(xiàn)其作為可控的輔助功率的功能：(1) 重載時(shí)通過逆變器作為供電源，實(shí)現(xiàn)和發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電，分?jǐn)偘l(fā)電機(jī)的一部分負(fù)荷，減小發(fā)電機(jī)的工作壓力；(2) 輕載時(shí)，儲能電池和負(fù)荷一起作為發(fā)電機(jī)的共同負(fù)載，吸收發(fā)電機(jī)提供的多余部分能量，減少能量浪費(fèi)。

總之，將柴油發(fā)電機(jī)與儲能電池結(jié)合起來既可以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的高效工作，同時(shí)也可以減少能量資源浪費(fèi)，還能防止柴油機(jī)重載時(shí)由于長時(shí)間過流引起供電系統(tǒng)的崩潰，改善系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

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Power Coordination Control Strategy for Diesel Power Storage Independent Power Supply System*

YANGJianting，LILan，NIUHaoming

(College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

In the use of diesel generator system as some areas of direct power supply mode, conventional diesel power generation system due to the severity of the load was not stable, resulting in power system state would therefore stop fluctuations. In view of this situation, a relatively effective optimization scheme in power system was introduced in the energy storage system and a power control device, the flow of energy to the coordinated control of the power supply system：when the load was light, the energy storage system of inverter power supply; the load was heavy, with the output of the generator as the communication bus system, storage batteries and diesel generators parallel power supply; when the storage battery was low, and the electric load as the load of the system, the generator to charge, so as to ensure that the diesel engine power system could stable and efficient work.

diesel generator; power control; combied power supply; energy storage inverter; AC bus

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20140322-22)

楊建廷(1991—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榻涣麟姍C(jī)傳動技術(shù)。 李 嵐(1962—)，女，博士研究生，教授，研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼儞Q技術(shù)、新能源發(fā)電控制技術(shù)。 牛浩明(1992—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電控制技術(shù)。

TM 314

A

1673-6540(2016)11- 0028- 06

2016-04-07