張繼紅 劉云飛 吳振奎 鮑 鏝 付文豪

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院）

微網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)自我控制、自我保護(hù)和綜合電能管理， 是分布式發(fā)電 （Distributed Generation，DG）系統(tǒng)與儲能設(shè)備的有效組織方式［1～4］。 伴隨高滲透率的DG接入電網(wǎng)和多樣化負(fù)載構(gòu)成的變化趨勢，有關(guān)直流微網(wǎng)的控制技術(shù)正逐步成為業(yè)內(nèi)專家研究的熱點(diǎn)［5～7］。

與交流微網(wǎng)相比，直流微網(wǎng)的突出優(yōu)勢在于無頻率波動、功角變化、不存在渦流和無功損耗。因此，直流母線電壓波動是衡量網(wǎng)內(nèi)系統(tǒng)功率平衡和微網(wǎng)運(yùn)行可靠性的重要技術(shù)指標(biāo)［8，9］。一旦直流母線電壓出現(xiàn)波動， 勢必影響負(fù)荷的正常運(yùn)行，甚至引起保護(hù)誤動或設(shè)備損壞［10，11］。 另外，微網(wǎng)系統(tǒng)的功率平衡任務(wù)多由電力電子器件變換實(shí)現(xiàn)，一方面使得系統(tǒng)慣性減小、抗擾能力變?nèi)?；另一方面影響分布式電源出力，使得過載能力變差［12，13］。 因此，抑制直流微網(wǎng)母線電壓波動，不僅需要從理論方面提出合理可行的控制策略，還需要考慮設(shè)置儲能以增加系統(tǒng)慣性。 筆者主要從這兩方面著手，提出解決問題的可行思路。

為達(dá)到穩(wěn)定直流微網(wǎng)母線電壓的目的，國內(nèi)外專家從不同層面開展了相關(guān)研究， 其中文獻(xiàn)［14］以給定母線電壓作為控制參量實(shí)現(xiàn)了能量管理， 通過實(shí)時采集母線電壓的變化來確定分布式電源逆變器的工作模式，基本滿足“即插即用”的電源快速“投退”要求。 但該方法存在多個逆變器同時、 同方向調(diào)節(jié)的現(xiàn)象， 可能引起系統(tǒng)運(yùn)行超調(diào)，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)的變化，尤其對恒功率負(fù)載較為不利。文獻(xiàn)［8，15，16］結(jié)合本地信息的能量需求和綜合調(diào)控方法， 給出了網(wǎng)內(nèi)含通信信息的二次電壓調(diào)節(jié)策略，從而補(bǔ)償了母線電壓的波動需求，但該方法對主控制器的可靠性要求較高。 文獻(xiàn)

［17］提出了超級電容和蓄電池的雙儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的控制和應(yīng)用， 設(shè)計(jì)了抑制功率高頻波動和低頻波動的具體措施，具有一定的參考價值。文獻(xiàn)［18，19］介紹了直流微網(wǎng)電壓綜合協(xié)調(diào)控制策略并對直流母線電壓進(jìn)行分區(qū)處理， 分別采取不同的控制策略，達(dá)到了功率平抑補(bǔ)償目的，但該方法還需綜合考慮雙儲能的容量優(yōu)化配比和荷電狀態(tài)約束，因而應(yīng)用范圍受到一定限制。

筆者以直流母線電壓波動為研究對象，結(jié)合兩類儲能不同工作特性及各自的荷電狀態(tài)，提出相應(yīng)的控制策略。 在考慮一類儲能無法同時滿足負(fù)荷的功率密度與能量密度需求的條件下，將飛輪儲能（FESS）和蓄電池儲能兩者進(jìn)行合理組合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，延長了蓄電池的使用壽命，降低了電子開關(guān)器件動作頻率，提升了微網(wǎng)運(yùn)行的整體經(jīng)濟(jì)效益。

1 直流微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

直流微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。 光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)分別通過各自的變流器與母線相連，飛輪和蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)經(jīng)由相應(yīng)變換器與母線連接，柴油發(fā)電機(jī)主要用于緊急情況的電源備用，通常情況下不投入使用，負(fù)荷主要為常見的交流與直流負(fù)荷，微網(wǎng)經(jīng)由變流器與主電網(wǎng)連接。 由于并網(wǎng)型微網(wǎng)的控制較為簡單，基本無電壓波動或功率缺額現(xiàn)象，筆者重點(diǎn)研究獨(dú)立微網(wǎng)運(yùn)行的電壓穩(wěn)定問題。 由圖1可知，直流母線的功率交換可表示為：

圖1 直流微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

式中 PG——光伏發(fā)電系統(tǒng)或風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率；

PLoad——負(fù)載消耗功率；

ΔP——母線的總功率變化量；

ΔPbat——蓄電池功率變化量；

ΔPFESS——飛輪功率變化量。

當(dāng)ΔP ＞0時， 系統(tǒng)內(nèi)輸出功率大于負(fù)載消耗功率，此時儲能為充電狀態(tài)；當(dāng)ΔP＜0時，系統(tǒng)內(nèi)輸出功率不足，無法提供負(fù)載功率，儲能為放電狀態(tài)。 由于直流系統(tǒng)電壓與功率成線性關(guān)系，因此微網(wǎng)母線電壓瞬時值可通過儲能系統(tǒng)功率與電流表示：

其中，IHESS為混合儲能系統(tǒng) （Hybrid Energy Storage System，HESS）的電流。

式（2）表明，連接于母線的負(fù)荷變化、分布式電源的出力變化都將對母線電壓波動產(chǎn)生重要影響，但最直接、最有效的解決辦法為借助混合儲能系統(tǒng)進(jìn)行功率平衡。

2 混合儲能系統(tǒng)配置及其結(jié)構(gòu)

2.1 配置原則

儲能系統(tǒng)（Energy Storage System，ESS）的配置一方面考慮緩減可再生能源發(fā)電的隨機(jī)性與間歇性，使其出力趨于平滑，有利于微網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行；另一方面可以實(shí)現(xiàn)能量跨時調(diào)度，參與配電網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)置，增加系統(tǒng)慣性［20］。 電池類儲能具有能量密度大的顯著優(yōu)勢，但功率密度一般、響應(yīng)慢，適用于平抑低頻功率波動；而飛輪儲能具有功率密度大、響應(yīng)速度快的顯著優(yōu)勢，但能量密度有限，適用于平抑高頻功率波動。 筆者將蓄電池和飛輪儲能進(jìn)行組合， 構(gòu)成混合儲能系統(tǒng)， 以期在平抑功率波動層面發(fā)揮更有效的作用。

2.2 混合儲能控制結(jié)構(gòu)

蓄電池和飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。 結(jié)合兩類儲能的運(yùn)行特性，要求飛輪的充放電控制優(yōu)先于蓄電池，并以滿足母線各設(shè)備間平滑交換功率為目的。 首先，飛輪儲能基本不受充放電次數(shù)限制，屬于功率型儲能設(shè)備，因而在充放電控制方面具有優(yōu)先權(quán)；其次，飛輪儲能荷電狀態(tài)不滿足充放電時啟動蓄電池運(yùn)行程序，發(fā)揮蓄電池出力功能；最后，若負(fù)荷功率波動較大，需要提供較多輸出功率時， 混合儲能同時提供高低頻功率，兩類儲能聯(lián)合工作，實(shí)現(xiàn)混合儲能共同抑制電壓波動。

圖2 混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為簡化儲能系統(tǒng)變流器并減少電力電子開關(guān)動作產(chǎn)生的諧波和電能損耗，首先將飛輪所發(fā)交流電整流轉(zhuǎn)換為直流電，然后與蓄電池變流器形成對稱方式并聯(lián)于直流母線，并使兩者儲能元件完全隔離，實(shí)現(xiàn)各自單獨(dú)自由地充放電。 當(dāng)儲能元件向直流母線放電時DC/DC變換器工作在Boost模式，當(dāng)直流母線向儲能元件充電時DC/DC變換器工作在Buck模式。 混合儲能的工作電流可表示為：

式中 Ibat——蓄電池輸出電流。

根據(jù)圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)列寫出如下回路電壓電流方程：

式中 Idc——母線電流計(jì)算值；

IFESS——飛輪輸出電流；

Ubat——蓄電池輸出電壓；

UFESS——飛輪直流電壓。由此可得出：直流母線電壓波動幅值與儲能充、放電電流直接相關(guān)。

3 單元級控制策略

3.1 改進(jìn)電壓下垂控制策略

光伏、風(fēng)機(jī)和用電負(fù)荷投切直接影響直流母線電壓的穩(wěn)定性，而混合儲能的設(shè)置可以在一定范圍內(nèi)減小其波動值。 為使電壓控制更加精準(zhǔn)、有效，筆者擬采用改進(jìn)電壓下垂控制策略，彌補(bǔ)傳統(tǒng)控制母線電壓跌落、 功率分配不均等問題。下面首先分析傳統(tǒng)電壓下垂模型：

式中 k——下垂系數(shù)；

Udc-ref——母線電壓設(shè)定值。

傳統(tǒng)下垂控制方式存在如下不足：

a. 電流的變化依賴于母線電壓的變化，若母線電壓偏差較小，則電流的調(diào)節(jié)處于死區(qū)或調(diào)節(jié)較為緩慢；

b. 電流的調(diào)節(jié)沒有考慮儲能的荷電狀態(tài)情形。

為此， 筆者提出改進(jìn)系數(shù)的下垂控制策略，使各儲能功率分配合理、 荷電狀態(tài)趨于一致，并盡可能地減少儲能過充或過放現(xiàn)象。

由于直流微電網(wǎng)中功率交換量一般較小，因此線路線損不會很大，可忽略不計(jì)，這樣各混合儲能輸出電壓近似相等，即：

其中，Udc-FESS為飛輪輸出電壓，Udc-bat為電池輸出電壓。 結(jié)合式（5）、（6）可以得到飛輪儲能輸出電流下垂系數(shù)kFESS與電池輸出功率下垂系數(shù)kbat的關(guān)系：

可以得知，兩類儲能的下垂系數(shù)是可變的，其大小與輸出功率（電流）成反比，解決了傳統(tǒng)下垂控制系數(shù)不變、無法智能分配負(fù)荷功率的問題。

文獻(xiàn)［17］給出了基于荷電狀態(tài)（SOC）的儲能系統(tǒng)下垂系數(shù)模型，該模型包含參數(shù)較多，算法較為復(fù)雜。 為簡單起見，筆者將儲能的荷電狀態(tài)分為3個區(qū)段， 針對不同區(qū)段分別進(jìn)行設(shè)置。 當(dāng)0.1＜SOC＜0.9時， 儲能的充放電系數(shù)參考下式，其余情況為單方向充電或放電模式：

其中，kxi為i類儲能的充放電系數(shù)，k0為初始下垂系數(shù)，n為功率平衡系數(shù)［17］。

3.2 變流器控制策略

為證實(shí)混合儲能控制策略的合理性，主要考慮以下3種情形的運(yùn)行效果 （以蓄電池為例進(jìn)行說明），設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。

情形1 蓄電池荷電狀態(tài)為SOC＞0.9時，應(yīng)采用浮充充電，既可以使蓄電池安全充電，又可以維持蓄電池的電量以備放電時使用，浮充充電的控制框圖如圖3所示。

圖3 浮充充電控制框圖

情形2 蓄電池荷電狀態(tài)為0.1≤SOC≤0.9時，應(yīng)采用恒壓充電方式，充電過程中可以隨蓄電池的荷電狀態(tài)自動調(diào)節(jié)充電電流，以加快充電速度。 恒壓充電控制框圖如圖4所示，圖中ICV-ref為限幅后指令電流，ICV-max和ICV-min分別為指令電流的上限值和下限值。

圖4 恒壓充電控制框圖

情形3 蓄電池荷電狀態(tài)為SOC＜0.1時，不允許繼續(xù)放電， 當(dāng)需要充電時可以參考圖4給出的模型。

光伏系統(tǒng)工作模式主要考慮最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）和恒壓控制兩種。 為最大限度地利用可再生能源，光伏系統(tǒng)通常工作于MPPT模式。 當(dāng)母線電壓過高或功率滿足所供負(fù)荷且儲能荷電狀態(tài)較高時，應(yīng)轉(zhuǎn)換為恒壓模式。 本次設(shè)計(jì)的光伏模塊控制模型如圖5所示， 圖中Upv為光伏發(fā)電輸出電壓，Ipv為光伏發(fā)電輸出電流，Uref為恒壓控制給定電壓，Iref為經(jīng)PI控制器輸出后的給定電流，U、I分別為實(shí)際電壓、電流，Gpv為輸出到光伏陣列的控制信號。

圖5 光伏模塊控制模型

風(fēng)力發(fā)電通常采用功率控制模式，并通過偏航、變槳等手段最大程度地捕獲風(fēng)能。 目前用于風(fēng)力發(fā)電的電機(jī)類型較多， 控制策略也不盡相同，此處不再贅述。

4 系統(tǒng)級控制策略

筆者結(jié)合飛輪儲能和蓄電池的運(yùn)行特性，將光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)及負(fù)荷等一并納入控制范圍，采取系統(tǒng)級控制。 首先將風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電系統(tǒng)以最大功率跟蹤方式進(jìn)行發(fā)電，若存在多余功率情況時存儲于儲能系統(tǒng)；相反，當(dāng)負(fù)荷增大較多，風(fēng)、光無法滿足供電需求時啟動儲能進(jìn)行放電供給負(fù)荷。 筆者設(shè)計(jì)的系統(tǒng)級控制策略如圖6所示，圖中UW為風(fēng)力發(fā)電輸出電壓，IW為風(fēng)力發(fā)電輸出電流，ω為MPPT控制中的角頻率。

圖6 直流微網(wǎng)系統(tǒng)級控制策略

5 微網(wǎng)系統(tǒng)仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 仿真算例

參考圖1結(jié)構(gòu)，采用PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真軟件搭建直流微網(wǎng)仿真模型，參數(shù)為：母線電壓0.4 kV，光伏陣列額定功率50 kW，風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率40 kW，蓄電池容量500 A·h，飛輪儲能10 kW，線路阻抗忽略不計(jì)，時間以秒為單位。

圖7給出了兩類儲能單獨(dú)運(yùn)行方式的功率輸出波形對比。 系統(tǒng)在0.2 s時負(fù)荷增加到3 kW，1.6 s時負(fù)荷減少2.5 kW，3 s時負(fù)荷增加到4 kW。對以上3種負(fù)荷變化過程中的兩類儲能功率輸出進(jìn)行分析可得：在負(fù)荷波動的情況下，兩種儲能方式都可以提供充足的功率輸出，但分析0.2 s和1.6 s時功率變化可以清晰看出，在負(fù)荷變化瞬間飛輪儲能可以及時響應(yīng)并增大或減小輸出功率，而蓄電池儲能會出現(xiàn)時間延遲，面對短時間的功率缺額，飛輪儲能具有絕對優(yōu)勢，可以對高頻信號起到良好的平抑作用。 從另一方面講，雖然蓄電池儲能響應(yīng)較慢， 但更適用于功率缺額大、缺額時間較長的負(fù)荷變化情況，進(jìn)而可以很好地平抑低頻信號。 因此混合儲能系統(tǒng)可以保證電壓穩(wěn)定在最佳狀態(tài)。

圖7 飛輪與蓄電池儲能功率輸出波形對比

為進(jìn)一步說明引入改進(jìn)下垂系數(shù)方法構(gòu)建混合儲能系統(tǒng)的必要性， 圖8給出了蓄電池單獨(dú)作為儲能的輸出功率和母線電壓隨電池輸出功率變化的波形。 由圖可知，蓄電池在負(fù)荷變化過程中會給予充足的功率補(bǔ)償，但單臺儲能系統(tǒng)在平抑功率波動時也會引起不同程度的母線電壓波動。分析0.3、0.8、2.0、3.0 s時發(fā)生的功率波動情形，盡管功率變化量不等，但均可滿足平抑功率波動所需，卻會導(dǎo)致功率響應(yīng)不及時問題，進(jìn)而使母線電壓在0.3、0.8、3.0 s時出現(xiàn)明顯的降落現(xiàn)象。 且功率波動幅度越大，電壓波動現(xiàn)象愈發(fā)明顯。 雖然波動幅值符合母線電壓波動范圍要求，但頻繁地充放電無疑會加重該問題的發(fā)生，也會引發(fā)電池使用壽命降低的問題。

圖8 電池單獨(dú)儲能輸出功率與母線電壓波形

引入改進(jìn)下垂控制法后的混合儲能系統(tǒng)平抑功率波動情況如圖9所示。 在平抑功率波動時，總輸出功率為蓄電池儲能和飛輪儲能輸出功率之和，但由于二者荷電狀態(tài)不同，輸出功率大小也存在差異。 如圖9a所示，以2.3 s時為例，蓄電池儲能輸出功率標(biāo)幺值為0.4，飛輪儲能輸出功率標(biāo)幺值為0.3，二者所提供的總功率即為負(fù)荷所需功率標(biāo)幺值為0.7。此時，蓄電池的荷電狀態(tài)相較于飛輪儲能的荷電狀態(tài)較大， 故輸出功率所占比例較大。 此外，放電量與功率分配準(zhǔn)則相關(guān)，依據(jù)改進(jìn)下垂系數(shù)進(jìn)行合理分配， 在不影響電壓穩(wěn)定的前提下達(dá)到平抑功率波動的作用。 其抑制效果如圖9b所示， 在負(fù)荷需求不斷變化的過程中， 混合儲能系統(tǒng)均可提供良好的功率補(bǔ)償。 電流波形顯示， 控制策略能夠快速跟蹤功率變化， 因此母線電壓幾乎無波動現(xiàn)象， 證實(shí)了混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)勢。

圖9 混合儲能系統(tǒng)平抑功率波動情況

5.2 實(shí)驗(yàn)測試

借助重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室搭建類似圖1所示的直流微網(wǎng)，實(shí)驗(yàn)中采用TMS320VC54型DSP作為中央處理器，重點(diǎn)測試蓄電池儲能在補(bǔ)償功率過程中母線電壓的波動情況。 蓄電池容量為100 A·h，變流器開關(guān)器件選用IGBT，開關(guān)頻率為15 kHz，直流負(fù)載采用接觸器直接投切方式。

限于文章篇幅，本次實(shí)驗(yàn)僅對直流母線電壓波動和電池補(bǔ)償負(fù)荷功率情形進(jìn)行了測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。 在20 ms時，負(fù)荷功率減少了1 kW，對應(yīng)電流降低4.5 A，母線電壓出現(xiàn)了向上波動的情形，幅值不超5 V；在20 ms時負(fù)荷增加1 kW，儲能電流增加4.5 A，母線電壓向下波動大約5 V。 結(jié)果證實(shí)了儲能系統(tǒng)對于穩(wěn)定電壓的合理性。

圖10 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)束語

筆者提出了直流母線電壓穩(wěn)定控制策略，將母線電壓波動幅值與儲能荷電狀態(tài)相結(jié)合構(gòu)建的不同控制策略具有較強(qiáng)的操作性。 采用的改進(jìn)下垂控制方法綜合考慮了兩類儲能的運(yùn)行特性，避免了蓄電池的過充與過放情況，降低了電力電子器件的頻繁動作過程，減少了系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生幾率，延長了設(shè)備的使用壽命，提高了經(jīng)濟(jì)效益。仿真和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果均證實(shí)了該控制策略的有效性。