劉旭峰， 張繼紅， 吳振奎

(1.西安工業(yè)大學(xué) 電信學(xué)院，陜西 西安 710021； 2.太陽能光熱與風(fēng)能自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引 言

當(dāng)今人類活動離不開穩(wěn)定的電力供應(yīng)，但一些偏遠(yuǎn)地區(qū)或海上孤島由于架線成本高等原因還未聯(lián)網(wǎng)通電。隨著石化能源的不斷枯竭，成本不斷上漲。目前新能源如風(fēng)力、光伏等和傳統(tǒng)能源相結(jié)合的微電網(wǎng)系統(tǒng)是一個解決孤島供電的較好方法。隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來技術(shù)不斷成熟、成本大幅下降，因此在偏遠(yuǎn)地區(qū)建立微電網(wǎng)系統(tǒng)具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保意義[1]。

微電網(wǎng)是一種為特定區(qū)域提供電能的低壓電力系統(tǒng)。因光伏、風(fēng)能等自然能源的隨機(jī)波動性，不能輸出穩(wěn)定的功率來匹配負(fù)載，這種功率不平衡會導(dǎo)致系統(tǒng)頻率波動。由于電力電子裝置的時(shí)間常數(shù)和慣性都比較小，使系統(tǒng)頻率波動更加敏感。并網(wǎng)模式下，主網(wǎng)通過調(diào)節(jié)功率波動保持系統(tǒng)穩(wěn)定，孤島模式下對于系統(tǒng)頻率的波動控制比較復(fù)雜，其研究變得尤為重要。

已有多種研究微電網(wǎng)中頻率波動問題的方法，例如：增加轉(zhuǎn)動慣量來提高微電網(wǎng)系統(tǒng)慣性，以穩(wěn)定系統(tǒng)頻率；在微網(wǎng)中加入燃?xì)廨啓C(jī)[2]；利用變風(fēng)速風(fēng)力機(jī)來改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的[3]。然而這些方法的共同缺點(diǎn)是動態(tài)響應(yīng)速度較慢[4]。

蓄電池儲能系統(tǒng)因其能量密度大被用于調(diào)節(jié)微電網(wǎng)系統(tǒng)功率平衡，為優(yōu)化蓄電池儲能系統(tǒng)對頻率波動的調(diào)節(jié)方法，文獻(xiàn)[5]介紹了一種充電狀態(tài)調(diào)節(jié)方法，文獻(xiàn)[6]介紹了一種電池SOC檢測下的系統(tǒng)控制方法，然而仍存在兩個未能解決的問題，其一是頻繁的充放電會使得電池壽命縮短，其二是蓄電池的功率密度相比較SMES小，其功率交換速度較慢，調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率的響應(yīng)時(shí)間會較長。已有文獻(xiàn)研究了不同領(lǐng)域里SMES和蓄電池結(jié)合的混合儲能系統(tǒng)，例如補(bǔ)償鐵路系統(tǒng)中的負(fù)載波動[7]，改善風(fēng)電單元中發(fā)電質(zhì)量[8]，在電動汽車中增加蓄電池壽命[9]等。在微電網(wǎng)中對系統(tǒng)頻率的控制方面，SMES還未見應(yīng)用。本文提出一種基于下垂控制的混合儲能系統(tǒng)對頻率波動的控制方法。

下垂控制是一種微電網(wǎng)中常見的控制策略，文獻(xiàn)[10]介紹了一種在穩(wěn)定約束條件下的下垂因子選取方法，用下垂控制來達(dá)到系統(tǒng)功率平衡。文獻(xiàn)[11]在蓄電池儲能單元中采用了下垂控制，本文將下垂控制策略用于SMES和蓄電池結(jié)合的儲能系統(tǒng)中，以控制系統(tǒng)頻率。

微電網(wǎng)中下垂因子控制系數(shù)的取值確定也是十分重要的，文獻(xiàn)[12-14]提出一種選擇下垂因子系數(shù)的方法，并驗(yàn)證了下垂因子系數(shù)對于系統(tǒng)頻率的決定性影響。文獻(xiàn)[14]提出了一種優(yōu)化的下垂因子取值方法，是常系數(shù)因子。本文提出的混合儲能系統(tǒng)中，SMES 在短時(shí)大功率波動中發(fā)揮主要作用，蓄電池在長時(shí)小功率波動中發(fā)揮主要作用，這就需要兩者的下垂因子隨時(shí)間變化，相互協(xié)調(diào)，所以本文提出動態(tài)下垂因子系數(shù)法。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)處于孤島模式，母線電壓400 V,SMES和蓄電池混合儲能系統(tǒng)通過DC/AC變換后接入交流母線，儲能單元建模方法與文獻(xiàn)[15]相同，大小數(shù)值如表1所示。

圖1 微電網(wǎng)孤島模式下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

名稱數(shù)值名稱數(shù)值光伏單元額定功率/kW20蓄電池最大放電電流/A30風(fēng)機(jī)單元額定功率/kW40蓄電池最大能量/kWh230微燃機(jī)額定功率/kW50SMES電感/H1.5蓄電池容量/Ah60SMES最大電流/A250蓄電池組端電壓/V48SMES最大功率(0.1 s內(nèi)放電)/kW202

2 控制策略

2.1 混合儲能系統(tǒng)微電網(wǎng)頻率控制方法

電力系統(tǒng)中的發(fā)電功率要和用電功率匹配，任一方面的功率變化都會導(dǎo)致系統(tǒng)頻率波動。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，短時(shí)功率波動(從幾秒到幾分鐘)常用轉(zhuǎn)動動能(如內(nèi)燃機(jī))來補(bǔ)償，假設(shè)Hi是i發(fā)電單元的慣性常數(shù)，描述系統(tǒng)頻率與功率波動的關(guān)系方程式為：

(1)

式中：∑Hi是具有轉(zhuǎn)動慣量的發(fā)電單元慣量系數(shù)的和;f0是系統(tǒng)設(shè)定頻率;PGi是i發(fā)電單元的輸出有功功率;PLi是負(fù)荷i的需求有功功率。

孤島模式下的微電網(wǎng)系統(tǒng)，因系統(tǒng)慣性小，很容易由功率波動引起系統(tǒng)頻率振蕩。式(2)是含SMES和蓄電池的混合儲能裝置在微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率和功率的關(guān)系式，其中HHESS是混合儲能系統(tǒng)的等效慣性常數(shù)。

(2)

本文在混合儲能單元中采用下垂控制策略，故由式(2)可得：

(3)

式中：DSMES和DBATT是SMES與蓄電池組各自的下垂控制因子;ΔPSMES和ΔPBATT分別是SMES和蓄電池功率變化量。

2.2 能量存儲單元的下垂控制

下垂控制對調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有高效快速性，本文在混合儲能系統(tǒng)中采用下垂控制策略控制儲能單元的充放電，并提出動態(tài)下垂因子系數(shù)方法，協(xié)調(diào)控制兩個儲能單元的功率交換。

如圖2所示，下垂控制可分為三個區(qū)間，當(dāng)頻率波動值小于0.015 Hz時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)是穩(wěn)定的。當(dāng)頻率值大于50.015 Hz時(shí)，儲能系統(tǒng)開始充電吸收過剩功率;當(dāng)頻率值小于49.985 Hz時(shí)，儲能系統(tǒng)開始放電補(bǔ)充功率。其下垂控制特性方程式為：

(4)

(5)

圖2 混合儲能系統(tǒng)下垂曲線特性

因?yàn)镾MES比蓄電池的功率密度大，充放電速度快，故設(shè)計(jì)SMES在頻率波動發(fā)生開始時(shí)充放電，承擔(dān)短時(shí)功率波動的主要單元，蓄電池調(diào)節(jié)長時(shí)功率波動，既能發(fā)揮SMES的響應(yīng)的快速性又能保護(hù)蓄電池壽命，這就需要設(shè)置兩個儲能單元的充放電先后時(shí)間和動態(tài)下垂控制因子系數(shù)。式(4)、式(5)可表示為式(6)、式(7)：

(6)

(7)

下垂因子系數(shù)隨時(shí)間變化，其系數(shù)確定方法在下文介紹。

3 下垂因子系數(shù)的確定

下垂控制的一個優(yōu)點(diǎn)是不同特性的控制單元可以協(xié)調(diào)參與控制系統(tǒng)穩(wěn)定。而確定最優(yōu)的下垂因子系數(shù)卻是一個難點(diǎn)，通常存在一個下垂因子取值范圍令系統(tǒng)穩(wěn)定，本文采用文獻(xiàn)[16]介紹的在頻率控制中確定下垂因子系數(shù)的方法，確定出了穩(wěn)定范圍。

在本文混合儲能控制系統(tǒng)中，SMES和蓄電池是互補(bǔ)控制的，下垂因子也是隨著時(shí)間長短和功率關(guān)心動態(tài)變化的，系統(tǒng)頻率和下垂因子的關(guān)系可由下式表示：

(8)

圖3 SMES與蓄電池下垂因子變化

圖3是兩個儲能單元的在下垂控制下的協(xié)調(diào)時(shí)間與下垂因子系數(shù)設(shè)置。

在0 s～1 s時(shí)SMES下垂因子系數(shù)設(shè)置為291.5，使其迅速充放電以補(bǔ)償短時(shí)功率差額，維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，在1 s～10 s時(shí)，下垂因子系數(shù)從291.5線性下降到82，下降斜率為23.28。蓄電池單元下垂因子是從26.3逐漸增大的，在t3時(shí)刻達(dá)到最大值36.1，在長時(shí)功率波動中起主要作用，發(fā)揮了其能量密度大的優(yōu)勢。這樣協(xié)調(diào)互補(bǔ)的混合儲能系統(tǒng)，不僅加快了頻率調(diào)節(jié)的快速性，也延長了蓄電池的使用壽命。

4 仿真驗(yàn)證

在PSCAD/EMTDC中建立如圖1所示的控制系統(tǒng)模型，設(shè)定系統(tǒng)總功率變化量如圖4所示，分別仿真驗(yàn)證四種不同條件下系統(tǒng)頻率的動態(tài)響應(yīng)，分別為：①系統(tǒng)無儲能系統(tǒng)；②只含有蓄電池的儲能控制系統(tǒng)；③混合儲能系統(tǒng)，下垂因子為常系數(shù)；④混合儲能系統(tǒng)，變系數(shù)下垂因子控制系統(tǒng)，其各自的頻率響應(yīng)特性曲線如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)功率變化曲線

圖5 不同條件下的頻率震蕩曲線

由圖5可知，在混合儲能控制系統(tǒng)里，變系數(shù)下垂因子控制方法下頻率振蕩幅值最小，驗(yàn)證了本文所提方法的可行性和有效性。

5 結(jié)束語

本文在混合儲能的孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)中，提出一種采用動態(tài)下垂控制因子，以控制系統(tǒng)頻率波動為目標(biāo)的控制方法。有效利用了SMES的功率密度大，在短時(shí)功率波動下快速調(diào)節(jié)功率平衡，在長時(shí)功率波動下利用蓄電池能量密度大的特點(diǎn)，提高了系統(tǒng)在控制頻率波動時(shí)的快速性，同時(shí)也避免了蓄電池的頻繁充放電，延長了其使用壽命。通過PSCAD/EMTDC仿真，驗(yàn)證了其方法的可行性和有效性。