王強, 郭偉, 楊策

(1.三峽大學電氣與新能源學院, 宜昌 443002; 2.智慧能源技術(shù)湖北省工程研究中心, 宜昌 443002)

在“碳達峰、碳中和”的時代目標下,清潔能源的發(fā)電方式逐漸被大家關(guān)注[1-3]。電力電子變壓器(power electronic transformer,PET)具有傳統(tǒng)變壓器的變壓、隔離等功能外,多端口的拓撲結(jié)構(gòu)方便接入各種分布式電源、儲能設(shè)備和負載。單獨新能源因環(huán)境的隨機性影響輸出功率,使系統(tǒng)呈弱慣性。PET在無發(fā)電單元情況下難以處理電網(wǎng)電壓跌落或中斷問題,對含源網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量提升有限。而復合儲能系統(tǒng)利用可調(diào)度的能量,可以解決光伏系統(tǒng)因間歇性、隨機性的特點所引起系統(tǒng)波動和PET無法應(yīng)對電壓跌落或中斷的問題[4]。

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)以交流為主,而新能源發(fā)電和儲能系統(tǒng)輸出形式為直流,其直接并入直流微網(wǎng)的特點,可以避免交直流的切換,方便直流負載的接入。并且可以不考慮相位、頻率以及無功等問題[5-6]。

直流母線電壓是反映系統(tǒng)穩(wěn)定運行和功率平衡的關(guān)鍵指標[7],在儲能系統(tǒng)與新能源共同作用于平抑功率波形的問題,國內(nèi)外已取得了一定的研究成果。文獻[8]以電力電子變壓器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),提出了一種PET與儲能協(xié)調(diào)運行的微電網(wǎng)控制策略,使分布式能源的利用率達到最大。但該研究是在低壓交流接口進行分析,并且采用單一儲能裝置平抑系統(tǒng)負荷功率波動存在一定的局限性。文獻[9]將儲能和氫燃料電池組合應(yīng)用在微網(wǎng)中,采用基于組網(wǎng)型電源協(xié)調(diào)控制策略,實現(xiàn)了兩者之間的弱通信協(xié)調(diào)運行。但使用的控制對通信的實時性以及信號測量的精準性要求太高。文獻[10-12]是利用新能源和儲能系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制策略,來實現(xiàn)直流母線電壓的穩(wěn)定,提高負荷功率的分配精度。文獻[13-14]通過結(jié)合光伏系統(tǒng)和儲能系統(tǒng),對其控制協(xié)調(diào)優(yōu)化來解決配電網(wǎng)不平衡電壓運行的問題。但對不同儲能元件組合及結(jié)構(gòu)變化的分析未進一步深入研究。

中國科學院電工研究所已在2010年研制了兩代PET樣機,并成功掛網(wǎng)運行,其中第二代PET主要用于連接10 kV交流電網(wǎng)與750 V低壓直流微網(wǎng)和部分交流負荷,可以實現(xiàn)交流電網(wǎng)與直流微網(wǎng)的功率協(xié)調(diào)控制與能量管理,從而將新能源與PET進行并網(wǎng)成為了可能[15]。也有學者對光儲系統(tǒng)應(yīng)用在PET中進行研究,并對所提三級互聯(lián)隔離性PET的結(jié)構(gòu)及控制進行了實驗驗證,從而實現(xiàn)了對分布式能源的有效利用[16]。

文獻[17]提出了一種多端口DC/DC變換器蓄電池組,并使用軟啟動控制方式減小蓄電池并入母線的沖擊電流。采用的儲能裝置雖然可在一定程度上抑制功率波動,但單一儲能裝置無法擁有功率密度大以及能量響應(yīng)快的特點。在該基礎(chǔ)上,現(xiàn)首先用超級電容功率密度高、充電速度快的特點來彌補蓄電池的功率密度低、響應(yīng)速度慢的缺點,并在具有特性互補的復合儲能系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,加入新能源光伏系統(tǒng),并采用光儲協(xié)調(diào)控制將光儲系統(tǒng)應(yīng)用在PET低壓直流側(cè),使復合儲能式PET能在含源網(wǎng)絡(luò)中的性能得到提升。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 三相四線制PET拓撲結(jié)構(gòu)

如圖1所示為一種采用三相四線制的電力電子變壓器。主要分為3個階段,其中輸入級采用高頻電壓型整流器,將電網(wǎng)側(cè)交流電整流成直流電為下一級變換做準備;隔離級主要由單相全橋逆變器、高頻變壓器和單相全橋整流器組成,作用是進行電壓等級交換以及隔離;輸出級采用3個單相逆變器,該三相四線制接型可以增加負載的容量以及解決不平衡負載問題[18]。在10 kV/400 V、500 kV·A的PET環(huán)境中,已有學者采用一種可調(diào)節(jié)輸出功率的均衡控制來保持直流母線電壓的質(zhì)量輸出[19]。

1.2 低壓直流母線結(jié)構(gòu)

圖2為低壓直流母線結(jié)構(gòu)。以PET為滿載情況,則不考慮PET輸出能量。該結(jié)構(gòu)主要有蓄電池組、超級電容、光伏、雙向DC/DC變換器和直流負荷。其中蓄電池組采用一種多端口DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)接入母線;超級電容器由雙向直流變換器A并入母線;光伏由DC/DC變換器B并入母線;直流負荷直接接入母線。為了滿足超級電容在短時間內(nèi)對大功率能量的供給,變換器A可選擇較好的開關(guān)管;變換器B為采用最大功率點跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)控制的拓撲結(jié)構(gòu),能以最大利用率使光伏系統(tǒng)輸出能量[20]。

系統(tǒng)的能量流動關(guān)系如圖3所示。

各個部分的能量關(guān)系式如下。

Psource=Pinv+Pdc

(1)

Psto=Psource-Ppv

(2)

(3)

Psc=Psto-Pbat

(4)

式中:s為微分環(huán)節(jié);τ為時間常數(shù);1/(τs+1)為低通濾波環(huán)節(jié)。

1.3 復合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在圖4所示的復合儲能系統(tǒng)中,蓄電池采用一種多端口拓撲結(jié)構(gòu),由3個Buck/Boost變換器并聯(lián)而成,增加了蓄電池組的輸出能量,同時減小了對單個開關(guān)管的電壓應(yīng)力,也解決了多個電池組串并聯(lián)所引起的電路環(huán)流隱患[21]。同時并聯(lián)應(yīng)用了超級電容來彌補蓄電池功率密度小的不足,使用復合儲能結(jié)構(gòu)來發(fā)揮蓄電池與超級電容充放電互補的特點,對脈動荷載所引起的能量沖擊問題起到了平抑的作用[22]。

SW(n)為切合開關(guān),對各端口進行投切作用;K(n)為保護直流斷路器,在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時切斷;RS為啟動電阻,與K(4)進行配合,減小啟動瞬間的沖擊電流;Li(n)為儲能電感;ibat(n)、isc分別為蓄電池組與超級電容充放電電流;Cdc為濾波電容;Udc為低壓側(cè)直流母線電壓;Ubat(n)、USC分別為蓄電池、超級電容的端口電壓

1.4 約束條件

(1)分布式能源系統(tǒng)輸出功率約束為

Pi,min≤Pi(t)≤Pi,max

(5)

式(5)中Pi,min、Pi,max分別為分布式電源i輸出容量的上下限。

(2)儲能系統(tǒng)充放電功率約束為

Pc,min≤PES(t)≤Pc,max

(6)

Pd,min≤PES(t)≤Pd,max

(7)

式中:Pc,max、Pc,min、Pd,max和Pd,min分別為儲能系統(tǒng)的充、放電功率上下限。

(3)儲能系統(tǒng)充放電容量約束為

EES,min≤EES(t)≤EES,max

(8)

式(8)中:EES(t)為t時刻儲能系統(tǒng)所儲存的能量;EES,max、EES,min分別為儲能系統(tǒng)儲存能量上下限。

2 系統(tǒng)能量平衡控制策略

2.1 蓄電池組能量流均衡控制

蓄電池為系統(tǒng)提供能量傳輸需要長時間的工作,但各個蓄電池組的起始荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)并不相同,不同端口之間的能量傳輸將影響著整個系統(tǒng)的能量傳遞效率[23]。

首先測蓄電池組的SOC狀態(tài),求取平均值,公式為

(9)

ΔσSOC_bat(k)為蓄電池K端口與平均SOC狀態(tài)值的誤差,公式為

(10)

能量流均衡控制主要使多個蓄電池組的荷電狀態(tài)經(jīng)過調(diào)節(jié)后接近同一值。首先將Pbat在各個蓄電池組端平分,通過各個蓄電池SOC狀態(tài)來控制各個端口平均的功率,從而調(diào)節(jié)不同蓄電池組的功率偏差,最終得到傳遞功率目標值Pbat(k)_ref和電流參考值Ibat(k)_ref。

(11)

2.2 超級電容控制策略

由于系統(tǒng)中存在能量損耗等因素,其損耗將由超級電容承擔,且超級電容能量密度低,端電壓變化快,從而導致持續(xù)的消耗能量,將采用一種恒壓限流充放電模式來減少不必要的消耗,并控制超級電容SOC在一適當水平。該超級電容主要采用恒壓限流模式和定壓模式。

2.2.1 恒壓限流充放電模式

在該模式下,超級電容應(yīng)在適當?shù)腟OC水平(設(shè)為SOCN)為下次負載突變準備,既能吸收功率也能釋放功率。設(shè)超級電容的荷電狀態(tài)在SOCN時,吸收功率與釋放功率相等,則

(12)

式(12)中:UH為超級電容SOC上限時的開路電壓;UN為超級電容荷電狀態(tài)為SOCN時的開路電壓;UL為超級電容SOC下限時的開路電壓。

根據(jù)超級電容荷電狀態(tài)公式,即

(13)

則有

(14)

(15)

式中:UC,max為超級電容滿荷電狀態(tài)下的開路電壓。

以UN作為超級電容恒壓限流充放電的標準。為了避免超級電容在UN附近時頻繁以小電流充放電,從而損耗器件的使用周期,可以在處于UN附近時將超級電容閉鎖。區(qū)間寬度取±2%UN,恒壓限流充放電流程如圖5所示。

圖5 恒壓電流充放電流程圖Fig.5 Flow chart of constant voltage current charging and discharging

其中,超級電容SOC上下限選取為10%與90%,恒壓限流充放電模式的控制基準為ESC=UN。

2.2.2 定壓模式

當直流母線電壓震蕩后,超級電容將采用電壓外環(huán)電流閉環(huán)的雙閉環(huán)控制策略,使直流母線穩(wěn)定在400 V。

2.3 光儲控制策略

含光伏系統(tǒng)并網(wǎng)時,系統(tǒng)的能量管理控制主要為電壓跟隨型控制和功率分配型控制,如圖6和圖7所示。

Pref為因輸出側(cè)負載變化所需要的能量;Pdc_ref為穩(wěn)定電壓直流側(cè)所需能量;Pbat_ref、Psc_ref分別為復合儲能系統(tǒng)中蓄電池和超級電容所需提供能量;Pinv_ref為輸出側(cè)所提供能量

圖7 功率分配型示意圖Fig.7 Power distribution type schematic

電壓跟隨型過程中,對輸出側(cè)所需的能量需要通過逆變器來給定,但由于電力電子器件開關(guān)響應(yīng)快慢所帶來的的影響,使逆變器側(cè)給定的功率指令存在誤差。而在功率分配型過程中,發(fā)電單元是承擔直流母線電壓穩(wěn)定的主要部分,從而避免了與逆變器側(cè)指令進行比較,使系統(tǒng)指令精度更高。

在經(jīng)過功率分配型控制策略后,得到復合儲能系統(tǒng)的參考功率Psto,經(jīng)過低通濾波器,分別得到蓄電池組和超級電容的充放電參考功率Pbat和Psc。在蓄電池組中,首先對各電池組荷電狀態(tài)σSOC_bat進行測定,在通過式(9)和式(10)計算后得到各端口的不均衡值,再與蓄電池分配的參考值經(jīng)過式(11)得到各蓄電池組端口電流參考值Ibat,然后與流過濾波電感后的反饋電流作差,經(jīng)過電流閉環(huán)控制后,再通過脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)對DC/DC變換器進行控制,從而改變蓄電池組的充放電。而超級電容在定壓模式時,在對系統(tǒng)分配的功率Pscref進行充放電的同時,還要對直流母線電壓的穩(wěn)定進行調(diào)整。低壓側(cè)母線給定電壓Udcref與實際電壓Udc作差后經(jīng)過PI調(diào)節(jié),再與iscref和反饋電流il做比較,經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后與PWM脈寬調(diào)制產(chǎn)生占空比以此調(diào)節(jié)開關(guān)管,從而有效控制超級電容充放電。系統(tǒng)穩(wěn)定后超級電容可對控制進行切換,從而運行在恒壓限流模式,減小超級電容的消耗。復合儲能控制策略圖如圖8所示。

圖8 復合儲能控制策略Fig.8 Control strategy of hybrid energy

3 仿真研究

為了驗證復合儲能式PET低壓直流側(cè)在含源網(wǎng)絡(luò)中的有效性,在MATLAB/Simulink中搭建如圖1所示的仿真模型。通過對光照強度變化、直流負荷突變以及電壓跌落的情況進行仿真研究,從而對比分析該方法的可行性。系統(tǒng)的仿真參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Table 1 System parameters

3.1 蓄電池組、超級電容優(yōu)化波形

由于蓄電池的容量參數(shù)較大,SOC狀態(tài)變化緩慢,不易觀察,為加快SOC收斂速度,將用容量為10 A·h電池進行試驗,K取100。圖9為采用能量均衡控制時的荷電狀態(tài)變化圖。將3個蓄電池的初始SOC設(shè)置為80.5%、80%和79.6%。由圖9可知,在經(jīng)過15 s后,3組蓄電池的SOC狀態(tài)趨于一致。從而驗證了能量均衡的有效性。

圖9 蓄電池組SOC變化圖Fig.9 SOC change chart of battery

由圖10可知,在超級電容沒有采用恒壓限流控制策略時,由于系統(tǒng)內(nèi)部損耗的各種因素,使超級電容的荷電狀態(tài)在系統(tǒng)平穩(wěn)或負載突變時都以微小的趨勢持續(xù)減少,在0 s到1.5 s期間,SOC狀態(tài)從50.252%減小到50.243%。采用恒壓限流策略后,使蓄電池組補償了系統(tǒng)中的損耗,在系統(tǒng)發(fā)生突變后,也能使超級電容的SOC維持在50.252%左右,能為下一次系統(tǒng)的突變做好準備。

圖10 超級電容SOC對比圖Fig.10 SOC comparison chart of SC

3.2 光照變化

從圖11(b)看出,在0.5 s之前,光伏系統(tǒng)采用MPPT控制在最大光照強度下的輸出功率為50.7 kW,儲能系統(tǒng)輸出功率約為0.6 kW。由圖11(a)可看出,在0.5 s時,光照強度數(shù)值從1 000 W/m2降到700 W/m2,從而使光伏系統(tǒng)輸出功率減少到28.2 kW,此時儲能系統(tǒng)迅速調(diào)節(jié)輸出功率到22.7 kW。彌補了光伏系統(tǒng)因光照波動而導致的缺額功率22.5 kW。驗證了光儲系統(tǒng)之間能量調(diào)動的有效性。

圖11 光照變化仿真圖Fig.11 Simulation diagram of illumination change

3.3 負荷突增之間能量調(diào)動

在低壓直流母線端,系統(tǒng)在0.5 s時突然切入直流負荷100 kW,在1 s時負載被切除。在沒有供電單元的情況下,從圖12分析,低壓直流母線電壓在短時間從400 V降到240 V,對輸出側(cè)負載無法有效輸出平穩(wěn)電壓,明顯影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖12 無光儲系統(tǒng)接入波形Fig.12 Waveform without photovoltaic-energy storage system access

在加入供電單元后,光伏系統(tǒng)在MPPT模式下為系統(tǒng)提供51 kW能量,在直流負載投切時,由圖13(a)可觀察到有微小波動,但并不影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行,基本保持最大輸出功率不變。從圖13(b)可看出,儲能系統(tǒng)在負荷投入瞬間,在系統(tǒng)的功率分配型控制下,使整個儲能系統(tǒng)迅速釋放50 kW的能量,維持載突變情況下系統(tǒng)內(nèi)的能量平衡。

對復合儲能系統(tǒng)進行分析,由圖13(c)可觀察到,超級電容主要應(yīng)對負荷突變時的高頻分量,瞬間釋放電流達到78 A,蓄電池則以相對較緩的速率增加到69 A進行放電。在1 s時直流負載突減的瞬間,超級電容的DC/DC變換器轉(zhuǎn)為Buck模式,迅速吸收系統(tǒng)中過剩能量,充電電流最大達到86 A,在超級電容緩沖作用下,蓄電池則以平緩趨勢下降到0.8 A來供電。

由圖13(d)對低壓直流母線側(cè)分析,在直流負載投切瞬間,直流母線電壓在0.52 s與1.02 s分別達到412 V和389 V,波動的幅度并不會沖擊系統(tǒng)的穩(wěn)定性,從而為負載側(cè)提供穩(wěn)定電壓,供電不受影響。

3.4 電壓跌落

在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)跌落到額定值的40%狀況下,對光儲系統(tǒng)的接入前后進行波形的分析。圖14為PET輸入側(cè)的電網(wǎng)電壓波形,圖15為輸入側(cè)電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落前后低壓直流母線的電壓波形。由圖15(a)可觀察,在0.15 s時電壓無法保持在穩(wěn)定的400 V,大幅度的波動將導致輸出側(cè)負載電壓出現(xiàn)畸變,對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較大沖擊。由此分析,在無光儲系統(tǒng)投入時,該系統(tǒng)不能有效應(yīng)對電網(wǎng)電壓跌落,低壓直流母線無法正常保持在額定值。

ui為輸入側(cè)電壓;ua、ub、uc分別為a相、b相和c相的相電壓

圖15 電壓跌落仿真結(jié)果Fig.15 Simulation results when voltage sag occurs

在并入光儲系統(tǒng)后,由圖15(b)分析,在0.15 s出現(xiàn)電壓跌落后,由于有儲能系統(tǒng)以及光伏及時提供能量,光儲系統(tǒng)提供的能量能補充電網(wǎng)端瞬間缺額功率,從而維持母線電壓的穩(wěn)定。在0.3 s電網(wǎng)側(cè)恢復額定電壓后,經(jīng)過儲能系統(tǒng)對多余能量的吸收,使低壓直流母線經(jīng)過最大為5.2 V的波動后,并在0.33 s時不再大幅度振蕩。在整個跌落的過程中,光儲系統(tǒng)保持了直流母線電壓穩(wěn)定的波形,從而為輸出級負載的平穩(wěn)運行提供了保障。同時良好電壓波形也保證了光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,防止并網(wǎng)點因電壓的跌落而導致系統(tǒng)的脫落,提高了對光伏系統(tǒng)的消納能力。

4 結(jié)論

針對電力電子變壓器無法有效解決電網(wǎng)電壓跌落或中斷的問題,將基于多端口的復合儲能系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)結(jié)合,提升含源網(wǎng)絡(luò)中復合儲能式PET低壓直流側(cè)的穩(wěn)定性。通過對仿真的研究得到以下結(jié)論。

(1)通過能量均衡控制策略將各蓄電池組的SOC狀態(tài)調(diào)節(jié)到同一數(shù)值,提高蓄電池組對系統(tǒng)傳遞的能量效率。

(2)采用恒壓限流充放電模式對超級電容進行優(yōu)化,減小因系統(tǒng)電力電子器件開關(guān)等因素帶來的能量損耗,并將超級電容控制在合適的SOC狀態(tài)方便為下一次負荷突變做準備。

(3)采用多端口蓄電池組與超級電容組成的復合儲能系統(tǒng),優(yōu)化了系統(tǒng)間瞬時沖擊影響蓄電池使用壽命的問題。

(4)將光儲系統(tǒng)應(yīng)用在PET低壓直流側(cè),對直流負載的突變以及電網(wǎng)側(cè)的電壓跌落進行驗證,能對瞬時的缺額功率進行補償,保持了低壓直流母線電壓的穩(wěn)定,能為輸出側(cè)的負載提供平穩(wěn)的電壓波形。