國(guó)網(wǎng)棗莊供電公司 馬運(yùn)保 吳 丹 張 賽

1 直流微電網(wǎng)

1.1 直流微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

本文所研究的微電網(wǎng)是孤島運(yùn)行，利用系統(tǒng)自身特性維持微電網(wǎng)穩(wěn)定，其中風(fēng)、光、微型燃?xì)廨啓C(jī)充當(dāng)電源滿足負(fù)荷需求，默認(rèn)微型燃?xì)廨啓C(jī)留有必要的調(diào)節(jié)余量?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)參與系統(tǒng)出力調(diào)節(jié)，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。超級(jí)電容器儲(chǔ)能和蓄電池儲(chǔ)能負(fù)責(zé)平抑功率高中頻部分，微型燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)節(jié)低頻部分，使得微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓和頻率保持穩(wěn)定。

1.2 光伏發(fā)電

光伏電池的工程用數(shù)學(xué)模型[1]：

上式中，Sref=1000W/m2為參考太陽(yáng)輻射強(qiáng)度；Tref=25℃為參考電池溫度；ΔS=S-Sref為實(shí)際光強(qiáng)與參考光強(qiáng)的差值；ΔT=T-Tref為實(shí)際電池溫度與參考電池溫度的差值；e 為自然對(duì)數(shù)的底數(shù)，其值約為2.71828；補(bǔ)償系數(shù)a、b、c 為常數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，典型值推薦：

A=0.0025/℃，b=0.0005（W/m2）-1，c= 0.00288 /℃。

1.3 風(fēng)力發(fā)電

本文以永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)為例，主要考慮風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速變化對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)出力的影響。

上式為風(fēng)速和永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)出力的關(guān)系，PR為額定功率，vCI為切入風(fēng)速，vCO為切出風(fēng)速，vR為額定風(fēng)速。

1.4 直流微電網(wǎng)中的母線電容

直流微電網(wǎng)中的直流源包含風(fēng)光電源、微型燃?xì)廨啓C(jī)，其中光伏陣列的輸出經(jīng)最大功率跟蹤后，再經(jīng)DC/DC 接入直流母線；風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出經(jīng)AC/DC 接入直流母線；微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出經(jīng)AC/DC 接入直流母線，微型燃?xì)廨啓C(jī)既充當(dāng)基荷電源，也留有必要的余量，用于微電網(wǎng)出力調(diào)節(jié)[2]。

2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)

目前，最常用的混合儲(chǔ)能方式，超級(jí)電容器和蓄電池聯(lián)合運(yùn)行。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，平抑功率的高中頻分量，低頻并網(wǎng)。離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，則需要利用混合儲(chǔ)能滿足負(fù)荷需求，維持微電網(wǎng)穩(wěn)定，有必要利用蓄電池平抑功率的中低頻分量，或者引入其他裝置出力（如微型燃?xì)廨啓C(jī)）參與低頻部分調(diào)節(jié)。

2.1 超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)和工作原理

超級(jí)電容器的荷電狀態(tài)（SOC）指的是在允許的工作電壓范圍內(nèi)其存儲(chǔ)電量的程度：

荷電狀態(tài)：

2.2 蓄電池儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1 鉛酸蓄電池三階動(dòng)態(tài)模型圖

Em為電動(dòng)勢(shì)、Im為主反應(yīng)電流、Cw為擴(kuò)散電容、Rp為歐姆極化電阻、Rd為電荷轉(zhuǎn)移電阻。Egas、Rgas和Igas為輔反應(yīng)支路參數(shù)。UB為蓄電池端電壓、IB為蓄電池運(yùn)行電流。

蓄電池荷電狀態(tài)：

蓄電池剩余容量：

蓄電池充電深度：

SOC0為初始荷電狀態(tài)；Qe為剩余容量；SOC為荷電狀態(tài)；C（I,θ）為蓄電池在參考電流I 和電解液參考溫度θ 下放電時(shí)的容量；Q0為初始容量；DOC 為蓄電池充電深度。

3 母線電容聯(lián)合混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行

3.1 母線電容儲(chǔ)能

母線電容C 的端電壓為Um時(shí)，母線電容存儲(chǔ)的能量為W。

3.2 母線電容聯(lián)合混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

超級(jí)電容器控制器通過采集母線功率高頻部分和母線電容的儲(chǔ)能響應(yīng)部分，從而控制超級(jí)電容器DC/DC 響應(yīng)儲(chǔ)能需求。蓄電池控制器通過采集母線功率中頻部分和超級(jí)電容器控制器輸出，從而控制蓄電池DC/DC 響應(yīng)儲(chǔ)能需求。

4 仿真分析

所研究的離網(wǎng)運(yùn)行微電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)見表1，風(fēng)光電源滲透率為50%。從一天的白天和晚上選擇兩個(gè)有代表性的場(chǎng)景，分別為場(chǎng)景一和場(chǎng)景二，每個(gè)場(chǎng)景下通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)隨機(jī)選擇2000s 進(jìn)行分析研究。微電網(wǎng)負(fù)荷通過負(fù)荷預(yù)測(cè)得到。場(chǎng)景一為白天中午，此時(shí)風(fēng)光出力較大，微電網(wǎng)負(fù)荷優(yōu)先由風(fēng)光電源供應(yīng)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)和燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。場(chǎng)景二為晚上，此時(shí)光伏發(fā)電為0，風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量無(wú)法滿足負(fù)荷需求，所以燃?xì)廨啓C(jī)承擔(dān)一定的基荷需求。

表1 微電網(wǎng)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)

圖2 場(chǎng)景一負(fù)荷-風(fēng)電場(chǎng)-光伏出力對(duì)比圖

圖3 場(chǎng)景二負(fù)荷-風(fēng)電場(chǎng)出力對(duì)比圖

下文以場(chǎng)景二為例分析母線電容儲(chǔ)能對(duì)微電網(wǎng)中混合儲(chǔ)能系統(tǒng)出力的影響。

圖4 場(chǎng)景二風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速

圖5 場(chǎng)景二儲(chǔ)能需求

圖6 場(chǎng)景二超級(jí)電容器出力

圖7 母線電容儲(chǔ)能下的超級(jí)電容出力

圖8 場(chǎng)景二蓄電池出力

圖9 母線電容儲(chǔ)能下的微型燃?xì)廨啓C(jī)出力

重復(fù)場(chǎng)景一的實(shí)驗(yàn)仿真，綜合場(chǎng)景一和場(chǎng)景二的數(shù)據(jù)分析，見表2。場(chǎng)景一，超級(jí)電容器充放電切換次數(shù)減少了155次，蓄電池放電切換次數(shù)減少32次；場(chǎng)景二，超級(jí)電容器充放電切換次數(shù)減少了37次，蓄電池放電切換次數(shù)減少25次。試驗(yàn)證明母線電容對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電切換次數(shù)的減小效果很明顯，選擇合適的母線電容容量，聯(lián)合混合儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，可以延長(zhǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命，保證微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

表2 母線電容對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)的影響

本文研究離網(wǎng)運(yùn)行的直流微電網(wǎng)中母線電容的儲(chǔ)能效果，研究母線電容作為儲(chǔ)能元件，對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的積極作用。試驗(yàn)證明：一是母線電容儲(chǔ)能減少了超級(jí)電容器和蓄電池的充放電切換次數(shù)，延長(zhǎng)了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。二是當(dāng)母線電容值較大，且直流電壓較高時(shí)，母線電容的儲(chǔ)能效果不容忽視，考慮其儲(chǔ)能效果對(duì)于微電網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化配置和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，有著積極作用。