吳鳴，呂志鵬，王鑫，楊萬里，周珊，劉曉娟

（1.國網(wǎng)上海能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，上海 200120；2.湖南大學(xué)國家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410082）

伴隨能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益突出，能源問題成為可持續(xù)發(fā)展亟待解決的難題。近年來，多能互補(bǔ)直流微網(wǎng)被認(rèn)為是解決能源相關(guān)問題的替代方案之一。多能互補(bǔ)直流微網(wǎng)無需對(duì)電壓相位、頻率進(jìn)行控制，其具有可控性與可靠性較高，能源利用率高、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)成本低、環(huán)境污染小與系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢[1-2]。當(dāng)前對(duì)多能互補(bǔ)直流微網(wǎng)的研究在全球范圍內(nèi)迅速開展。

目前，多能互補(bǔ)直流微網(wǎng)多采用直流母線分級(jí)式控制策略[3]，但分級(jí)式控制僅能保證微網(wǎng)電壓在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，母線電壓變化會(huì)影響各個(gè)微源的運(yùn)行方式，進(jìn)一步加劇直流母線波動(dòng)。文獻(xiàn)[4]提出一種無需儲(chǔ)能的光伏直流微網(wǎng)調(diào)壓策略，但其微網(wǎng)結(jié)構(gòu)單一，新能源利用率較低。文獻(xiàn)[5]提出混合能源微電網(wǎng)自主協(xié)調(diào)二段下垂控制策略，該控制策略可實(shí)現(xiàn)混合微網(wǎng)功率平衡，但未考慮不同微源本身慣量特性。目前關(guān)于多能互補(bǔ)微網(wǎng)研究主要以風(fēng)光儲(chǔ)型為主，對(duì)包含微型燃?xì)廨啓C(jī)等其他能源考慮較少，微網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為單一。文獻(xiàn)[6]提出了光伏微燃機(jī)混合微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略，但均在并網(wǎng)工況下進(jìn)行驗(yàn)證，未考慮微燃機(jī)慣量延遲特性；文獻(xiàn)[7]提出了以微燃機(jī)為主要協(xié)調(diào)單元的直流微網(wǎng)主從控制策略，同樣未考慮微燃機(jī)慣量延遲特性；文獻(xiàn)[8]提出超級(jí)電容與微燃機(jī)瞬時(shí)功率平衡控制，但該控制基于功率輸出預(yù)測，因此對(duì)系統(tǒng)本體參數(shù)精確度需求高、計(jì)算量大。

基于上述研究現(xiàn)狀，本文以含風(fēng)光氣儲(chǔ)四種能源的典型多能互補(bǔ)直流微網(wǎng)為背景，綜合考慮系統(tǒng)并離網(wǎng)等多種運(yùn)行工況，提出了考慮氣儲(chǔ)慣量互補(bǔ)的多能直流微網(wǎng)運(yùn)行控制策略。針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)微型燃?xì)廨啓C(jī)響應(yīng)具有大慣量延遲特性無法快速響應(yīng)負(fù)荷變化的問題，提出以儲(chǔ)能電池小慣量特性與微燃機(jī)進(jìn)行互補(bǔ)的控制方法。最后基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)搭建仿真模型，開展不同工況下多能互補(bǔ)直流微網(wǎng)的運(yùn)行特性研究，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提系統(tǒng)運(yùn)行策略與氣儲(chǔ)慣量互補(bǔ)控制方法的正確性和有效性。

1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

典型多能互補(bǔ)直流微網(wǎng)中的分布式能源主要包括微燃機(jī)、風(fēng)機(jī)和光伏陣列。而受環(huán)境等因素的影響，風(fēng)能和太陽能的出力均極具波動(dòng)性和間歇性。為改善整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)新能源動(dòng)態(tài)特性，可引入儲(chǔ)能電池與微燃機(jī)，充分發(fā)揮微燃機(jī)輸出功率可控的優(yōu)勢，并降低風(fēng)光與負(fù)荷不穩(wěn)定所帶來的負(fù)面影響。

1.1 多能互補(bǔ)直流微網(wǎng)系統(tǒng)

多能互補(bǔ)直流微網(wǎng)供電系統(tǒng)圖如圖1所示。系統(tǒng)總裝機(jī)容量135 kW，其中包括：一臺(tái)65 kW微型燃?xì)廨啓C(jī)、一臺(tái)30 kW異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)、峰值功率40 kW的光伏陣列及容量為100 kW·h儲(chǔ)能電池組。系統(tǒng)中負(fù)載每h最大用電為100 kW（交流負(fù)載60 kW、直流負(fù)載40 kW）。

圖1 多能互補(bǔ)直流微網(wǎng)供電系統(tǒng)圖Fig.1 Multi-energy complementary DC microgrid power supply system

配電網(wǎng)通過變比為10 kV/0.4 kV的變壓器與微網(wǎng)系統(tǒng)AC端口1相連，圖1中PG為配電網(wǎng)發(fā)出功率；Pmt為微燃機(jī)發(fā)出功率；Pw為風(fēng)機(jī)發(fā)出功率；Pac為負(fù)載功率；Pb為電池發(fā)出功率；Ppv為光伏陣列發(fā)出功率；Pdc為DC負(fù)載功率。

1.2 交直流端口拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

交流（AC）端口由三相變流器（voltage source converter，VSC）組成，直流端連接800 V直流母線，交流端連接電網(wǎng)、微燃機(jī)、風(fēng)機(jī)及AC負(fù)載。直流（DC）端口由雙向Buck-Boost變換器組成，一端連接800 V直流母線，另一端連接儲(chǔ)能電池、光伏陣列、DC負(fù)載。交直流端口拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 氣儲(chǔ)慣量互補(bǔ)控制策略

微燃機(jī)本身具有大慣量特征，其輸出功率響應(yīng)具有10 s左右延時(shí)[9]，離網(wǎng)時(shí)無法通過微燃機(jī)直接控制直流母線電壓，通常采用微燃機(jī)與儲(chǔ)能電池互補(bǔ)方式保證離網(wǎng)時(shí)各種運(yùn)行狀態(tài)的可靠供電。本文提出氣儲(chǔ)控制方法：用儲(chǔ)能電池控制直流母線電壓（C-Udc），微燃機(jī)控制儲(chǔ)能電池恒荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）的方式，微燃機(jī)可間接控制直流側(cè)母線電壓，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池小慣量與微燃機(jī)大慣量互補(bǔ)利用。

2.1 氣儲(chǔ)響應(yīng)特性分析

為簡化分析，本文忽略采樣周期延時(shí)與變換器損耗環(huán)節(jié)，將電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)與微燃機(jī)整體傳遞函數(shù)等效為一階慣量延遲環(huán)節(jié)。

儲(chǔ)能電池控制直流母線框圖如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)能電池控制直流母線電壓框圖Fig.3 Block diagram of battery control DC bus voltage

圖3中各變量計(jì)算公式如下：

式中：Ibus為直流母線中風(fēng)、光、交直流負(fù)載電流之和；G（1s）為外環(huán)PI環(huán)節(jié)；kdvp，kdvi分別為DC/DC變換器外環(huán)比例、積分參數(shù)；Gid（cs）為DC/DC變換器電流內(nèi)環(huán)等效延遲環(huán)節(jié)；Ti為內(nèi)環(huán)等效慣量參數(shù)；G（2s）為DC/DC變換器變比；G（3s）為直流電容等效環(huán)節(jié)。

根據(jù)圖3儲(chǔ)能電池C-Udc控制框圖，可推導(dǎo)出其閉環(huán)傳遞函數(shù)G（bs）為

通過單位階躍信號(hào)模擬負(fù)載突變，對(duì)儲(chǔ)能電池傳遞函數(shù)進(jìn)行分析，可以得到儲(chǔ)能電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性如圖4所示，c（t）為單位階躍信號(hào)下的儲(chǔ)能電池與微燃機(jī)響應(yīng)振幅。當(dāng)負(fù)載突變后儲(chǔ)能電池可在0.2 s內(nèi)快速響應(yīng)負(fù)載變化。

圖4 儲(chǔ)能電池與微燃機(jī)單位階躍響應(yīng)圖Fig.4 Battery and micro-turbine unit step response diagram

微燃機(jī)控制母線電壓框圖如圖5所示。

圖5 微燃機(jī)控制直流母線電壓框圖Fig.5 Block diagram of micro-turbine control DC bus voltage

圖5中各變量計(jì)算公式如下：

式中：Gm（ts）為微燃機(jī)等效慣量環(huán)節(jié)；Tmt為微燃機(jī)等效慣量參數(shù)；G（4s）為外環(huán)PI環(huán)節(jié)；kavp，kavi分別為外環(huán)比例、積分參數(shù)；Gia（cs）為電流內(nèi)環(huán)等效延遲環(huán)節(jié)；Ti為內(nèi)環(huán)等效慣量參數(shù)；G（5s）為VSC變換器增益；m為調(diào)制比，通常取1；G（3s）為直流電容傳遞函數(shù)。

根據(jù)圖5所示的微燃機(jī)C-Udc控制框圖，可得到微燃機(jī)對(duì)直流母線電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)Gmt（bs）為

如圖4所示，當(dāng)負(fù)載突變后，微燃機(jī)大受其慣量特性影響，其響應(yīng)負(fù)載變化時(shí)間10 s左右。因此若直接采用微燃機(jī)控制直流母線電壓方式，直流母線電壓會(huì)發(fā)生較大波動(dòng)造成系統(tǒng)崩潰。當(dāng)直流母線電壓僅受控于儲(chǔ)能電池單元時(shí)，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，但維持系統(tǒng)長期穩(wěn)定則對(duì)儲(chǔ)能單元的容量提出更高要求。而采用微燃機(jī)與儲(chǔ)能電池互補(bǔ)方式可大程度降低儲(chǔ)能電池規(guī)劃容量，進(jìn)而降低系統(tǒng)整體成本。

2.2 氣儲(chǔ)互補(bǔ)控制策略

2.2.1 儲(chǔ)能電池控制策略

在并網(wǎng)模式時(shí)，儲(chǔ)能電池外環(huán)采用恒定SOC控制方式，維持儲(chǔ)能電池SOC保持在60%（本文電池充放電范圍限制在30%～90%之內(nèi)，因此選擇中間值60%作為備用狀態(tài)），為離網(wǎng)狀態(tài)做準(zhǔn)備。外環(huán)ΔSOC通過PI與電流限幅器（限制充放電電流）產(chǎn)生參考電流信號(hào)idc_ref。最后經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)與PWM環(huán)節(jié)產(chǎn)生占空比調(diào)制信號(hào)D*。

在離網(wǎng)模式時(shí)，由儲(chǔ)能電池控制直流側(cè)母線電壓，維持母線電壓穩(wěn)定在Udc_ref=800 V。直流母線的功率波動(dòng)首先經(jīng)過母線電容，由于電容通高頻阻低頻特性，其高頻分量被直流電容濾除。其余功率缺額反應(yīng)在直流母線電壓的突變上，儲(chǔ)能電池通過直流電壓反饋控制補(bǔ)償直流母線的短時(shí)功率波動(dòng)。

2.2.2 微燃機(jī)控制策略

本文主要針對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)慣量特性與其三相變流器控制策略進(jìn)行分析，由于篇幅限制，不再對(duì)微燃機(jī)本身建模進(jìn)行敘述。

并網(wǎng)時(shí)微燃機(jī)不工作，離網(wǎng)時(shí)微燃機(jī)采用儲(chǔ)能電池荷電狀態(tài)控制方式。微燃機(jī)控制維持儲(chǔ)能電池SOC，ΔSOC通過PI與限功率（最小輸出0，最大輸出65 kW）環(huán)節(jié)，產(chǎn)生參考電流信號(hào)。在氣儲(chǔ)互補(bǔ)工況下，當(dāng)儲(chǔ)能電池SOC受直流側(cè)功率影響發(fā)生變化時(shí)，微燃機(jī)根據(jù)電池的荷電狀態(tài)波動(dòng)調(diào)整其輸出功率，直至匹配直流側(cè)功率缺額，同時(shí)給儲(chǔ)能電池進(jìn)行充電，使電池的SOC維持恒定。

微燃機(jī)與儲(chǔ)能電池互補(bǔ)控制如圖6所示。

圖6 氣儲(chǔ)互補(bǔ)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of gas and battery complementary control

氣儲(chǔ)互補(bǔ)控制策略利用儲(chǔ)能電池小慣量特性，使儲(chǔ)能電池快速響應(yīng)直流側(cè)功率突變的短時(shí)功率缺額，微燃機(jī)則根據(jù)電池SOC緩慢調(diào)整其出力，直至完全匹配直流側(cè)功率缺額并維持電池SOC恒定。由于所提出的慣量互補(bǔ)控制中儲(chǔ)能電池僅在功率突變短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償，因此可在一定程度內(nèi)降低儲(chǔ)能電池規(guī)劃容量。

2.3 風(fēng)、光、交直流負(fù)載控制策略

光伏發(fā)電系統(tǒng)采用最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）控制實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電效率最大化[10]，在風(fēng)光限功率運(yùn)行時(shí)采用恒功率（C-P）控制。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)同樣采用MPPT實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大利用[11]。直流負(fù)載端口3采用定負(fù)電壓（C-udc）控制策略保證直流負(fù)載在并離網(wǎng)時(shí)正常供電。交流負(fù)載端口4采用恒定交流側(cè)電壓與頻率（V-F）控制策略，保證交流負(fù)載在并離網(wǎng)時(shí)正常供電。

3 微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行工況

基于集中通信系統(tǒng)對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行采集處理。

本文根據(jù)以下三個(gè)原則：1）保證負(fù)荷供電，風(fēng)、光、氣輸出功率與系統(tǒng)負(fù)荷消耗功率匹配；2）最大限度維持風(fēng)機(jī)、光伏陣列工作在MPPT模式，實(shí)現(xiàn)新能源最大出力；3）綜合考慮儲(chǔ)能電池使用壽命與實(shí)際放電量，限制其充放電深度在30%～90%之間[10]。

本文將直流微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行工況分為六種。其中，并網(wǎng)運(yùn)行工況一種，離網(wǎng)運(yùn)行工況五種。系統(tǒng)運(yùn)行工況判斷流程圖如圖7所示。在并網(wǎng)運(yùn)行工況、風(fēng)光限功率運(yùn)行工況、電池充電工況下由風(fēng)光儲(chǔ)三者互補(bǔ)供電；在氣儲(chǔ)互補(bǔ)運(yùn)行工況、電池放電運(yùn)行工況、切除負(fù)載運(yùn)行工況下由風(fēng)光氣儲(chǔ)四者互補(bǔ)供電。

圖7 系統(tǒng)運(yùn)行工況判斷流程圖Fig.7 System operating condition judgment flowchart

3.1 并網(wǎng)運(yùn)行工況

并網(wǎng)運(yùn)行工況是微網(wǎng)系統(tǒng)AC端口1在并網(wǎng)時(shí)的基本運(yùn)行模式。并網(wǎng)運(yùn)行工況時(shí)，由電網(wǎng)（AC端口1）穩(wěn)定直流母線側(cè)電壓Udc恒定，提供系統(tǒng)負(fù)載功率缺額或吸收微網(wǎng)多余功率；此時(shí)微燃機(jī)（AC端口2）不工作；風(fēng)機(jī)（AC端口3）與光伏（DC端口2）工作在MPPT模式，最大限度利用新能源出力；儲(chǔ)能電池采用恒定SOC=60%控制為系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行做準(zhǔn)備；AC，DC負(fù)載端口工作在恒壓恒頻（V-F）與恒負(fù)載側(cè)電壓（C-udc）控制保證負(fù)荷正常供電。

3.2 離網(wǎng)運(yùn)行工況

當(dāng)微網(wǎng)系統(tǒng)離網(wǎng)時(shí)需要根據(jù)上文所提三個(gè)原則對(duì)各個(gè)端口控制策略進(jìn)行調(diào)整。檢測系統(tǒng)當(dāng)前風(fēng)、光、AC 負(fù)載、DC負(fù)載輸出功率Pw，Ppv，Pac，Pdc與當(dāng)前儲(chǔ)能電池SOC。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行工況。

3.2.1 電池充電運(yùn)行工況

當(dāng)Pw+Ppv≥Pac+Pdc，且SOC＜90%，系統(tǒng)工作在電池充電運(yùn)行工況。此時(shí)風(fēng)機(jī)與光伏端口工作在MPPT模式，兩者輸出功率大于交直流負(fù)載所需總功率。微燃機(jī)不工作，儲(chǔ)能電池采用恒定直流母線電壓（C-Udc）控制，并吸收風(fēng)光多余能量。

3.2.2 風(fēng)光限功率運(yùn)行工況

當(dāng)Pw+Ppv≥Pac+Pdc，且SOC≥90%時(shí)，風(fēng)機(jī)與光伏兩端最大輸出功率大于交直流負(fù)載所需總功率。且儲(chǔ)能電池荷電狀態(tài)達(dá)到運(yùn)行約束上限90%，此時(shí)需減小光伏出力，將光伏端口切換為恒功率（C-P）控制，令Ppv=Pac+Pdc-Pw。

3.2.3 氣儲(chǔ)互補(bǔ)運(yùn)行工況

當(dāng)Pw+Ppv＜Pac+Pdc≤Pw+Ppv+Pmt_max時(shí)，風(fēng)機(jī)與光伏兩端最大輸出功率小于交直流負(fù)載所需總功率，但負(fù)載所需總功率小于風(fēng)光與微燃機(jī)最大功率之和。此時(shí)微燃機(jī)開始出力，其控制策略為恒定儲(chǔ)能電池SOC控制（C-SOC）維持儲(chǔ)能電池SOC=60%，通過風(fēng)光氣儲(chǔ)互補(bǔ)給系統(tǒng)負(fù)載供電。微燃機(jī)輸出最大功率為Pmt_max=65 kW。

3.2.4 電池放電運(yùn)行工況

當(dāng)Pw+Ppv+Pmt_max＜Pac+Pdc，且SOC≥30% 時(shí)，風(fēng)機(jī)、光伏與微燃機(jī)三者最大輸出功率之和仍小于交直流負(fù)載所需總功率。微燃機(jī)外環(huán)輸出功率達(dá)到最大限額65 kW。儲(chǔ)能電池荷電狀態(tài)較大，可在一定時(shí)間內(nèi)通過儲(chǔ)能電池補(bǔ)充交直流負(fù)載缺額功率。

3.2.5 切除負(fù)載運(yùn)行工況

當(dāng)Pw+Ppv+Pmt_max＜Pac+Pdc且SOC≤30%，儲(chǔ)能電池荷電狀態(tài)達(dá)到規(guī)定下限，風(fēng)光氣儲(chǔ)四者供電不足，需按照負(fù)荷等級(jí)切除負(fù)載，使得切除后Pw+Ppv+Pmt_max≥Pac+Pdc，維持重要負(fù)載持續(xù)運(yùn)行。

4 仿真驗(yàn)證與分析

本文在Matlab/Simulink平臺(tái)下搭建多能直流微網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型。其仿真參數(shù)如下:電網(wǎng)額定電壓（線）Usxref=380 V，直流側(cè)額定電壓Udc=800 V，直流側(cè)電容C=4 000 μF，AC端口電阻Ra=0.1 Ω，AC端口電感La=5 m H，DC端口電阻Rd=0.1 Ω，DC端口電感Ld=2 mH，開關(guān)頻率fvsc=10 kHz，電池容量=100 A·h，電池額定電壓Ubattery=220 V，微燃機(jī)等效慣量延遲Tmt=0.8。

由于仿真時(shí)間尺度較長，為方便驗(yàn)證本文適當(dāng)減小微燃機(jī)慣量特性與電池容量。

4.1 工況切換：電池充電至氣儲(chǔ)互補(bǔ)

電池充電切換儲(chǔ)互補(bǔ)工況波形如圖8所示。

圖8 電池充電切換氣儲(chǔ)互補(bǔ)工況波形圖Fig.8 Waveforms diagram of battery charging switch gas and battery complementary conditions

圖8中，Pb為儲(chǔ)能電池輸出功率，Pmt為微燃機(jī)輸出功率，Plack為風(fēng)光與交直流負(fù)載功率缺額。0 s前系統(tǒng)工作在電池充電工況，因此儲(chǔ)能SOC＞60%，微燃機(jī)不工作。0 s時(shí)負(fù)載突增，導(dǎo)致Pw+Ppv+Pmt_max＜Pac+Pdc，且SOC≥30%，系統(tǒng)切換為氣儲(chǔ)互補(bǔ)運(yùn)行工況，則有：

在0～1.2 s，由于儲(chǔ)能電池SOC＞60%，微燃機(jī)仍不出力，僅由電池提供功率缺額Pb=Plack=25kW；在1.2 s時(shí)，儲(chǔ)能電池SOC＜60%；在1.2～3.1 s時(shí)，微燃機(jī)開始響應(yīng)，由于微燃機(jī)大慣量特性其響應(yīng)速度較慢Pmt＜Plack，此時(shí)由儲(chǔ)能提供兩者差值，穩(wěn)定直流母線；在3.1～10 s時(shí)，微燃機(jī)輸出Pmt＞Plack，微燃機(jī)在提供直流側(cè)功率缺額Plack同時(shí)給儲(chǔ)能電池充電直至其SOC穩(wěn)定至60%。

當(dāng)系統(tǒng)從電池充電工況切換至氣儲(chǔ)互補(bǔ)工況時(shí)，儲(chǔ)能電池首先經(jīng)過一個(gè)放電過程，直至電池荷電狀態(tài)降低至參考值以下，此時(shí)微燃機(jī)開始啟動(dòng)，最終微燃機(jī)出力補(bǔ)償系統(tǒng)功率缺額與電池釋放的能量。整個(gè)切換過程系統(tǒng)直流母線電壓有小幅度突升，系統(tǒng)整體可以保持穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 氣儲(chǔ)互補(bǔ)工況

4.2.1 負(fù)荷突增

負(fù)荷突增波形圖如圖9所示，0～10 s內(nèi)Pw+Ppv+Pmt_max＞Pac+Pdc，且SOC≥30%，系統(tǒng)運(yùn)行在氣儲(chǔ)互補(bǔ)工況。

圖9 負(fù)荷突增波形圖Fig.9 Load sudden increase waveform

圖9中，在0～2 s期間，微燃機(jī)出力Pmt=Plack，儲(chǔ)能電池SOC=60%，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；在2 s時(shí)，風(fēng)光與交直流負(fù)載功率缺額Plack發(fā)生突變，從25 kW升至50 kW，此時(shí)微燃機(jī)開始增加出力，但其響應(yīng)速度較慢；在 2～4.1 s期間，Pmt＜Plack，由儲(chǔ)能電池提供兩者差值，穩(wěn)定直流母線；在4.1～10 s期間微燃機(jī)輸出Pmt＞Plack，微燃機(jī)提供直流側(cè)功率缺額Plack，同時(shí)微燃機(jī)給儲(chǔ)能電池充電至其SOC穩(wěn)定至60%。

4.2.2 風(fēng)光出力突增

風(fēng)光出力突增波形圖如圖10所示。圖10中，0～10 s內(nèi)Pw+Ppv+Pmt_max＞Pac+Pdc，且SOC≥30%，系統(tǒng)運(yùn)行在氣儲(chǔ)互補(bǔ)工況。在0～2 s，系統(tǒng)穩(wěn)定，微燃機(jī)出力提供功率缺額Pmt=Plack=25 kW，儲(chǔ)能電池SOC=60%；2 s時(shí)，負(fù)載所需功率不變，但風(fēng)光出力增加15 kW，導(dǎo)致功率缺額Plack從25 kW降至10 kW，此時(shí)微燃機(jī)開始減少出力。但由于其響應(yīng)速度較慢，2～3.9 s期間Pmt＞Plack，此時(shí)由儲(chǔ)能提供兩者差值，穩(wěn)定直流母線；4～10 s微燃機(jī)輸出Pmt＜Plack，儲(chǔ)能電池放電直至其SOC穩(wěn)定至60%。

圖10 風(fēng)光出力突增波形圖Fig.10 Wind and solar energy sudden increase waveform

氣儲(chǔ)互補(bǔ)工況下可將風(fēng)光出力的增減與負(fù)載耗電量的增減都以功率缺額Plack的變化進(jìn)行體現(xiàn)。在功率缺額突增時(shí)，其變化首先反映在直流母線電壓上，從而導(dǎo)致直流母線電壓發(fā)生突降之后儲(chǔ)能電池根據(jù)電壓變化迅速調(diào)整出力匹配功率缺額穩(wěn)定直流母線電壓。總體而言，無論系統(tǒng)功率缺額發(fā)生突增或突減，直流母線電壓會(huì)發(fā)生一定波動(dòng)，但其系統(tǒng)整體可保持穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3 工況切換：氣儲(chǔ)互補(bǔ)至電池放電

風(fēng)光出力突減波形圖如圖11所示。

圖11 氣儲(chǔ)互補(bǔ)切換電池放電工況波形圖Fig.11 Waveforms diagram of gas battery complementary switching to battery discharge condition

0～2 s時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行在氣儲(chǔ)互補(bǔ)工況。2 s時(shí)負(fù)載突增20 kW，風(fēng)光出力不變，此時(shí)系統(tǒng)功率缺額Plack從50 kW突增至70 kW，此時(shí)Pw+Ppv+Pmt_max＜Pac+Pdc且SOC≥30%，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電池放電工況。2～3.7 s微燃機(jī)逐漸增加出力至達(dá)到最大輸出功率65 kW；3.7～10 s由于風(fēng)、光、微燃機(jī)出力不足，電池以5 kW輸出功率放電。

當(dāng)系統(tǒng)功率缺額增大，超過微燃機(jī)最大出力時(shí)，系統(tǒng)從氣儲(chǔ)互補(bǔ)工況切換至電池放電工況。整個(gè)切換過程系統(tǒng)控制策略無需變化，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)平滑切換保持穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論

本文針對(duì)含風(fēng)光氣儲(chǔ)的多能互補(bǔ)直流微網(wǎng)提出了對(duì)應(yīng)的運(yùn)行控制策略。對(duì)直流微網(wǎng)內(nèi)微燃機(jī)與儲(chǔ)能電池慣量特征進(jìn)行分析，提出了氣儲(chǔ)慣量互補(bǔ)的控制方式，最后對(duì)控制方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

通過結(jié)果分析，可得到以下結(jié)論：

1）本文所提出的氣儲(chǔ)互補(bǔ)策略可在不同情景下實(shí)現(xiàn)氣儲(chǔ)慣量高效互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速響應(yīng)。

2）通過直流微網(wǎng)運(yùn)行控制策略，實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)運(yùn)行工況間的穩(wěn)定切換，維持直流母線電壓穩(wěn)定。

總的來說，本文所提策略為含風(fēng)光氣儲(chǔ)的多能互補(bǔ)直流微網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行提供有益參考。然而，多能互補(bǔ)直流微網(wǎng)在并、離網(wǎng)模式間切換時(shí)的直流母線電壓控制問題將變得更加復(fù)雜。在穩(wěn)定直流母線電壓的前提下，如何延長儲(chǔ)能電池的壽命，實(shí)現(xiàn)其有序、高效的充放電？這些問題均有待進(jìn)一步深入研究。