侯朋飛，陳靜靜，范菊旺，孫 凱，許 力

應(yīng)用研究

柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載儲能補(bǔ)償試驗(yàn)研究

侯朋飛1，陳靜靜2，范菊旺1，孫 凱1，許 力1

（1. 中國人民解放軍96881部隊(duì)，河南洛陽 471000；2. 陸軍工程大學(xué)，南京 210000）

柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載引起系統(tǒng)交流電壓畸變、交流頻率波動以及直流電壓振蕩，為改善系統(tǒng)電能質(zhì)量、提高穩(wěn)定裕度、增強(qiáng)系統(tǒng)帶負(fù)載能力，本文提出了在直流側(cè)加儲能控制以提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。儲能電池一方面可作為系統(tǒng)的冗余備用，一方面可以降低直流側(cè)母線電壓波動，進(jìn)而改善交流側(cè)電能質(zhì)量，滿足負(fù)荷對電源的需求。在直流側(cè)配置儲能單元改善柴油發(fā)電機(jī)-整流器的運(yùn)行特性，搭建儲能補(bǔ)償柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載試驗(yàn)平臺，驗(yàn)證本文提出的方法。

柴油發(fā)電機(jī)組 脈沖負(fù)載 儲能補(bǔ)償 電能質(zhì)量

0 引言

與大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的微電網(wǎng)，由于有大電網(wǎng)的支撐，不足的電能可由大電網(wǎng)提供補(bǔ)充，因而功率穩(wěn)定容易實(shí)現(xiàn)。而對獨(dú)立離網(wǎng)運(yùn)行的微電網(wǎng)，負(fù)荷功率必須與自身電源功率相匹配，才能滿足能量的實(shí)時(shí)平衡。微電網(wǎng)中的電源種類各異，輸出特性也有很大不同，電源的功率特性給系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了許多問題。通常在微電網(wǎng)中需要采用儲能補(bǔ)償來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，并通過合適的控制方法以及能量管理策略來滿足電源與負(fù)荷的供需平衡。當(dāng)系統(tǒng)電源功率充裕時(shí)，可以把電能一部分存儲于儲能單元中；當(dāng)系統(tǒng)電源功率不足時(shí)，將儲能單元中的電能釋放出來，滿足負(fù)荷需要[1, 2]。

對于儲能平抑系統(tǒng)功率和電壓波動方面的研究，國內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)的研究，從不同的技術(shù)層面考慮，研究了光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等具有波動性的新能源功率平抑策略，實(shí)現(xiàn)新能源并網(wǎng)要求[3, 4]。文獻(xiàn)[5]針對風(fēng)電場功率波動，提出了采用液流電池提高風(fēng)電并網(wǎng)效率，并研究了液流電池的控制策略，根據(jù)風(fēng)電波動大小設(shè)置充放電的控制方式。文獻(xiàn)[6]針對含風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電的微電網(wǎng)，采用滑模控制方法對蓄電池進(jìn)行控制，為離網(wǎng)運(yùn)行的微電網(wǎng)提供頻率和電壓支撐。文獻(xiàn)[7, 8]基于超級電容器快速釋放功率的特點(diǎn)，研究了并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)電場采用超級電容儲能補(bǔ)償?shù)目刂撇呗裕行Ц纳屏讼到y(tǒng)的運(yùn)行指標(biāo)，可提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力。

目前大部分的研究都是針對電源的波動性、隨機(jī)性，采用儲能系統(tǒng)補(bǔ)償平抑系統(tǒng)的功率波動或支撐微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率，較少從負(fù)載層面進(jìn)行研究。負(fù)荷的波動對獨(dú)立小容量電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行影響很大，柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電壓畸變、頻率波動、直流母線電壓振蕩等現(xiàn)象，脈沖負(fù)載的作用更為顯著，因此針對脈沖負(fù)載的功率變化對系統(tǒng)的影響，研究儲能補(bǔ)償與控制方法具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1 儲能系統(tǒng)補(bǔ)償柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載方法

由于在脈沖負(fù)載的作用下，系統(tǒng)的頻率發(fā)生波動，采用傳統(tǒng)的有源電力濾波技術(shù)和功率因數(shù)校正技術(shù)都無法從根本上解決系統(tǒng)的穩(wěn)定問題，而增大系統(tǒng)慣量的方法在實(shí)際應(yīng)用中造成了一定體積和重量的占用，且柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載采用“大馬拉小車”的方法往往沒有理論依據(jù)，只是從工程應(yīng)用中做了一定的冗余備份。濾波電容在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)確定了一定的范圍，增加濾波電容的大小可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也能夠有效改善系統(tǒng)的運(yùn)行指標(biāo)，由于電容并聯(lián)于直流母線上，直流母線電壓的波動在一定的范圍內(nèi)，電容能量釋放與母線電壓的波動有關(guān)，因此配置電容不能完全將能量釋放出來。如果按照脈沖負(fù)載需要的補(bǔ)償能量大小計(jì)算，則需要的濾波電容值會非常大，所以需要針對脈沖負(fù)載的實(shí)際運(yùn)行狀況，對系統(tǒng)進(jìn)行有針對性的補(bǔ)償。

通常對于獨(dú)立系統(tǒng)的補(bǔ)償方法主要是由儲能系統(tǒng)來完成，根據(jù)實(shí)際的需要，要針對不同的場合選擇合適的儲能，本文針對脈沖負(fù)載的實(shí)際運(yùn)行中的電流脈沖特性，選擇功率型和能量型兼顧的儲能電池，磷酸鐵鋰電池符合上述標(biāo)準(zhǔn)。由于負(fù)載大多是交流負(fù)載，為滿足負(fù)載的實(shí)際需要，目前在微電網(wǎng)的儲能配置主要在交流側(cè)，連接在逆變器上并網(wǎng)運(yùn)行。系統(tǒng)的運(yùn)行特性和電能指標(biāo)在交流側(cè)較為嚴(yán)重，頻率的時(shí)變性也決定了交流側(cè)補(bǔ)償?shù)睦щy性，有可能頻率跟蹤不匹配造成電能質(zhì)量的進(jìn)一步惡化。本文在綜合考慮負(fù)載特性與供電指標(biāo)關(guān)系的基礎(chǔ)之上，提出了在直流側(cè)進(jìn)行儲能補(bǔ)償?shù)姆椒?。脈沖負(fù)載為直流負(fù)載，對直流側(cè)的影響最為直接。在脈沖負(fù)載工作期間，母線電壓會有一定的下降，而在脈沖消失的時(shí)候，母線電壓會慢慢上升恢復(fù)額定電壓值，因此直流母線電壓始終處于不斷振蕩的狀態(tài)。采用直流側(cè)儲能補(bǔ)償方法，能夠及時(shí)的響應(yīng)負(fù)載的需求，在系統(tǒng)最末端進(jìn)行直接的補(bǔ)償，效果要好于在交流側(cè)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?，通過控制儲能電池能夠短時(shí)間內(nèi)釋放負(fù)載需要的能量，平衡柴油發(fā)電機(jī)組與脈沖負(fù)載的功率關(guān)系。

2 儲能補(bǔ)償柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載試驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 儲能系統(tǒng)補(bǔ)償柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示為柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載儲能補(bǔ)償試驗(yàn)裝置，其中選用2組鋰電池串聯(lián)，單個(gè)鋰電池的額定電壓為48 V，系統(tǒng)電源為100 kW柴油發(fā)電機(jī)組和30kW柴油發(fā)電機(jī)組，鋰電池后接雙向DC/DC變換器并聯(lián)于直流母線處，變換器功率為5 kW，輸入電壓為70～110 V，輸出電壓為350～700V，整流器和脈沖負(fù)載均為自研裝置，通過控制面板可以調(diào)節(jié)整流器輸出的電壓大小，按照不同的工作模式可以調(diào)節(jié)脈沖負(fù)載的占空比、脈沖周期以及峰值功率大小。測量裝置為泰克示波器一臺和高速同步采集系統(tǒng)一套，其中高速同步采集系統(tǒng)能夠滿足最大64通道的實(shí)時(shí)測量需求，將傳感器分別布置于交流側(cè)和直流側(cè)，測試柴油發(fā)電機(jī)組的輸出電壓和輸出電流、整流器的輸出電壓和輸出電流、蓄電池的端電壓和輸出電流，以及DC/DC變換器的輸出電壓和輸出電流。實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)中各部分的電氣量變化，從而可以得到采用儲能系統(tǒng)補(bǔ)償柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載的運(yùn)行特性。

3 儲能補(bǔ)償柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果分析

考慮儲能電池的額定電壓為96 V，根據(jù)DC/DC中的電壓變比關(guān)系，確定DC/DC輸出電壓為390 V，設(shè)定整流器的輸出直流電壓為390 V，脈沖負(fù)載的占空比為0.4，柴油發(fā)電機(jī)組的額定輸出功率為30 kW，額定輸出電壓為400 V，整流器設(shè)定輸出直流電壓為390 V，與直流母線電壓一致，工作周期為100 ms，峰值功率為17 kW。

由圖2(a)可以看出直流母線電壓在儲能系統(tǒng)未投入補(bǔ)償前存在大幅波動，電壓幅值在300 V-480 V區(qū)間波動，峰值差達(dá)到180 V，當(dāng)儲能補(bǔ)償系統(tǒng)在7.4s左右投入運(yùn)行后，直流母線電壓振幅逐漸減小，電壓幅值在340 V-420V區(qū)間波動，峰值差縮小為80 V。圖5-21(b)所示為蓄電池的輸出電流，由圖中可以看出，蓄電池在7.4s前未投入運(yùn)行，在7.4 s時(shí)，電流出現(xiàn)短時(shí)尖峰，峰值達(dá)30 A，主要是因?yàn)檫@一刻開關(guān)合閘，蓄電池對濾波電容短時(shí)放電，電流較大，之后蓄電池電流隨著負(fù)載的變化周期性放電。圖2(c)所示為蓄電池的電壓，本文采用的儲能電池為磷酸鐵鋰電池，額定電壓為48 V，2組串聯(lián)使用實(shí)際工作電壓約為86 V，可見電池在投入工作后相當(dāng)于對儲能電池不斷的加減載，電壓也有一定的波動，脈沖負(fù)載的作用對儲能電池的端電壓測量結(jié)果也有一定的影響。圖2(d)所示為負(fù)載側(cè)的總電流，即脈沖負(fù)載上的電流，由圖中可以看出，在儲能電池未投入的時(shí)候脈沖負(fù)載的峰值電流具有大幅度的波動，在35 A-50 A的范圍內(nèi)振蕩，儲能投入運(yùn)行后，負(fù)載側(cè)的電流峰值逐漸平穩(wěn)，平均峰值電流在45 A左右，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。圖2(e)所示為交流側(cè)的三相電壓，由圖中可以看出，在儲能補(bǔ)償系統(tǒng)投入前，三相交流電壓存在一定的振蕩，振蕩的頻率約為2 Hz，小于脈沖負(fù)載的工作頻率以及柴油發(fā)電機(jī)組的額定工作頻率，在儲能電池投入后，柴油發(fā)電機(jī)組慢慢穩(wěn)定下來，在9 s之后不再發(fā)生振蕩。

4 儲能系統(tǒng)補(bǔ)償前后系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)變化

圖3 儲能系統(tǒng)補(bǔ)償前后直流母線電壓波形

圖4 儲能系統(tǒng)補(bǔ)償前后直流電流波形

圖5 儲能系統(tǒng)補(bǔ)償前后總諧波含量

圖3為儲能系統(tǒng)補(bǔ)償前后直流母線電壓波形變化，從圖中可以看出未補(bǔ)償前直流母線電壓振蕩幅度較大，最低點(diǎn)為300 V，最高點(diǎn)達(dá)480 V，有180 V的幅值差，而在加入補(bǔ)償之后，直流母線電壓最低點(diǎn)為340 V，最高點(diǎn)為420 V，幅值差縮小至80 V，減小了100 V的振蕩幅差；圖4為儲能系統(tǒng)補(bǔ)償前后直流電流波形，從圖中可以看出在未補(bǔ)償前，脈沖負(fù)載的電流幅值具有一定的波動性，實(shí)際系統(tǒng)中如果出現(xiàn)以上現(xiàn)象，脈沖負(fù)載可能無法正常工作，或者帶來消極影響，加入儲能補(bǔ)償后，脈沖負(fù)載的電流基本保持平穩(wěn)，恢復(fù)到額定工作狀態(tài)；圖5為儲能系統(tǒng)補(bǔ)償前后總諧波含量變化，從圖中可以看出未加入補(bǔ)償時(shí)THD為37.60%，加入補(bǔ)償后THD降為28.16%，且6k±1次諧波電壓含量均有所降低，提高了柴油發(fā)電機(jī)組的供電電能質(zhì)量。

5 小結(jié)

針對柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電壓畸變、頻率波動、直流母線電壓振蕩等現(xiàn)象，本文提出了通過直流儲能補(bǔ)償改善系統(tǒng)穩(wěn)定性方法，該方法增大了直流濾波電容的放電能力，可有效提高系統(tǒng)慣性。采用雙向DC-DC變流器與鋰電池，構(gòu)建了柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載儲能補(bǔ)償試驗(yàn)平臺，進(jìn)行了儲能系統(tǒng)補(bǔ)償柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分析表明：柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載在直流側(cè)進(jìn)行儲能補(bǔ)償，交流電壓波形得到一定程度的改善，總諧波畸變率有所降低，直流母線電壓波形得到顯著改善，直流電壓的振蕩幅值大大降低，直流母線電壓的波動率也有較大程度降低，同時(shí)系統(tǒng)的非線性程度明顯改善。

[1] Logenthiran T, Srinivasan D, Khambadkone A M, et al. Multiagent system for real-time operation of a microgrid in real-time digital simulator[J]. IEEE Transactions on Smart Grid,, 2012, 3(2): 925-933.

[2] Xu Z, Han X, Wang P, et al. Two-level energy management system for coordination control of microgrid[C]. 2015 IEEE International Conference on Information and Automation, 2015:153-157.

[3] Hussein A A, Kutkut N, Shen Z J, et al. Distributed Battery Micro-Storage Systems Design and Operation in a Deregulated Electricity Market[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2012, 3(3):545-556.

[4] 程沖, 楊歡, 曾正, 等. 虛擬同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量自適應(yīng)控制方法[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2015, 39(19): 82-89.

[5] 李岳. 基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的微電網(wǎng)控制策略的研究[D]. 合肥：安徽理工大學(xué), 2014.

[6] 王思耕, 葛寶明, 畢大強(qiáng). 基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場并網(wǎng)控制研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011, 26(21): 49-54.向海燕. 基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的光伏并網(wǎng)低電壓穿越技術(shù)研究[D]. 湖南大學(xué), 2013.

Study on energy storage compensation test of diesel generator set with pulse load

Hou Pengfei1, Chen Jingjing2, Fan Juwang1, Sun Kai1, Xu Li1

(1. 96881 Unit of the Chinese PLA; Luoyang 471000, Henan, China; 2. Army Engineering University, Nanjin 210000, China)

TM314

A

1003-4862(2022)04-0056-05

2021-09-09

侯朋飛(1989-)，男，講師。主要研究方向: 新能源發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用。E-mail: 443215084@qq.com