利用混合儲能系統(tǒng)改善配電網(wǎng)電能質(zhì)量的研究

陳 奕，張步涵，毛承雄，毛 彪，曾 杰，陳 迅

（1強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室（華中科技大學(xué)），湖北 武漢430074；2廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州510080）

無論是在發(fā)達國家還是在發(fā)展中國家，供電質(zhì)量，尤其是電壓質(zhì)量正變得日益重要.電能質(zhì)量問題主要包括電壓波動和閃變、諧波、電壓不對稱、電壓降低和供電中斷.其中電壓波動和閃變會影響到用電效益、生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量和合格率等，而供電突然中斷則可能嚴(yán)重縮短用電設(shè)備的壽命.總之，電能質(zhì)量已經(jīng)關(guān)乎到企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益.

傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器分接頭的方法雖然解決了部分問題，但對于負載端的電壓調(diào)節(jié)響應(yīng)遲鈍.隨著電力電子、計算機和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在出現(xiàn)了一系列改善電能質(zhì)量的電力電子裝置，如配電型靜止同步補償器（DSTATCOM）、固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（SSTS）、蓄電池儲能系統(tǒng)（BESS）等.這些裝置各有側(cè)重，其中DSTATCOM具有感性和容性無功的雙向調(diào)節(jié)能力，最終可以達到穩(wěn)定電壓的目的；當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，SSTS可立即將敏感負荷在數(shù)毫秒內(nèi)轉(zhuǎn)換到第2條供電線路上.

能量存儲技術(shù)可以提供一種簡單的解決電能供需不平衡問題的辦法［1］.分布式儲能系統(tǒng)可以有三種方式幫助實現(xiàn)對用戶可靠供電：1）在關(guān)鍵時刻輔助供電或者傳輸電能.2）將對供電負荷需求從峰值時刻轉(zhuǎn)移到負荷低谷時刻.3）在強制停電或者供電中斷的情況下向用戶提供電能.目前蓄電池儲能系統(tǒng)（BESS）技術(shù)成熟，且已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用［2］.但對于峰值功率高、平均功率低的脈沖式負載，若采用蓄電池儲能系統(tǒng)，將出現(xiàn)體積龐大和成本高昂的問題.考慮到超級電容器功率密度大，能量密度低的特點，若建立兩者的混合儲能系統(tǒng)，它們就能夠發(fā)揮各自優(yōu)勢，提高整個系統(tǒng)的性能［2］.本文討論利用蓄電池和超級電容器建立混合儲能系統(tǒng)，通過控制策略雙向調(diào)節(jié)其有功和無功功率，達到穩(wěn)定配電網(wǎng)公共連接點處的電壓，并抑制其負載波動的目的，從而改善配電網(wǎng)電能質(zhì)量.

1 蓄電池與超級電容器的數(shù)學(xué)模型

蓄電池可以將能量以化學(xué)能的形式儲存起來，容量較大，屬于能量型儲能設(shè)備.電池可以采用C.M.Shegherd提出的模型［3］，它考慮了放電之初電壓的快速跌落、電解液的濃度變化、電極板通道引起的壓降、電池內(nèi)電阻.根據(jù)電路定律得

S表示蓄電池荷電狀態(tài)，圖1模型中，從左到右依次為放電前的電壓Es、電極板通道引起的壓降KSI、內(nèi)電阻引起的電壓損失RneiI、放電之初電壓的快速跌落Ae－B（1－S）、空載電壓的修正量C（1－S）.其中的參數(shù)為常數(shù)，可根據(jù)實驗數(shù)據(jù)確定，所以U隨著荷電狀態(tài)S和電流I變化.

圖1 Shepherd模型

超級電容器采用簡易RC等效模型［4］，它能夠較為準(zhǔn)確地反映出超級電容器在充放電過程中的外在電氣特征，通過簡單測量就可以得到模型參數(shù)，在分析和計算中，可以大幅度縮短計算機的仿真時間.

圖2 超級電容器簡易模型

圖2 a中C為理想電容器，Rs為等效串聯(lián)內(nèi)阻，表示超級電容器的總串聯(lián)內(nèi)阻，Rp為等效并聯(lián)內(nèi)阻，表示超級電容器總的漏電情況，稱為漏電電阻［3］.在實際應(yīng)用中超級電容器充放電過程又快又頻繁，因此可以忽略Rp，進一步將模型簡化為圖2b的結(jié)構(gòu).要測出Rs，在電源略加干擾，計算出電壓變換率和電流變換率的比值即可.

2 蓄電池／超級電容器混合儲能系統(tǒng)的建模與控制

2.1 蓄電池／超級電容器混合儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

將超級電容器作為功率緩沖器，與蓄電池并聯(lián)使用，并建立一定的控制模塊規(guī)定各自的作用，就能實現(xiàn)混合儲能.

混合儲能系統(tǒng)中，超級電容器蓄電池的直接并聯(lián)［5］是一種最簡單的混合儲能結(jié)構(gòu)，但是在該結(jié)構(gòu)中，由于蓄電池組的端電壓與超級電容器組的端電壓被強制相等，因而在設(shè)計中對超級電容器組的組合方式要求較為嚴(yán)格.

本文中蓄電池與超級電容器并不是直接并聯(lián)，而是將蓄電池與DC／DC變換器連接后，再與超級電容器并聯(lián).這樣，超級電容器的電壓可以不同于電池電壓，為電池和電容器陣列的設(shè)計提供了靈活性.然后通過一個雙向DC／AC變換器，將直流轉(zhuǎn)換成三相交流，經(jīng)過濾波器和三相交流升壓接入電網(wǎng).連接方式如圖3所示.

混合儲能系統(tǒng)中，超級電容器負責(zé)平抑快速波動，蓄電池充放電較慢，但能提供較大的能量，補充功率缺額.

圖3 混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 DC／AC控制模塊

圖3 右邊部分就是DC／AC變換器的電路結(jié)構(gòu)［6，7］，其中L是濾波電感，三相橋臂的開關(guān)管都是可控的，C是濾波電容起到穩(wěn)定直流端電壓的作用，電容值越大，電壓越穩(wěn)定，Udc是直流側(cè)的電壓.事實上，對于變換器的控制，也就是對于全控開關(guān)管的觸發(fā)脈沖的控制.這里需要6個觸發(fā)脈沖，可以利用PWM波發(fā)生器產(chǎn)生脈沖.上下橋臂不能同時導(dǎo)通，所以定義PWM發(fā)出的開關(guān)函數(shù)為Si，Si＝1代表上橋臂導(dǎo)通、下橋臂關(guān)斷，Si＝0正好相反，表示上橋臂關(guān)斷、下橋臂導(dǎo)通.采用空間平均法，把開關(guān)函數(shù)Si在周期內(nèi)的平均值Si′當(dāng)作函數(shù)值（Si′也可稱為占空比，可以在0～1之間連續(xù)取值），這樣函數(shù)就連續(xù)了，從而得到變換器的連續(xù)狀態(tài)空間平均模型：

在兩相同步旋轉(zhuǎn)的d－q坐標(biāo)系［8］中，分析更加容易，所以左右兩邊同時乘以變換矩陣Tabc／dq，進行派克變換.對于三相平衡的系統(tǒng)來說，i0＝0，v0＝0；可消去i0、v0得到簡化.簡化后變換器在d－q坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型如式（3），最后結(jié)合PI調(diào)節(jié)器可以消除d－q軸之間的電流耦合.

實際上，由于儲能系統(tǒng)設(shè)計容量有限，將控制目標(biāo)縮小為一個重要負荷的接入點（比如，工廠里重要的設(shè)備或者醫(yī)院的手術(shù)室），儲能系統(tǒng)根據(jù)重要負荷接入點的電壓幅值和功率，來調(diào)節(jié)儲能系統(tǒng)的輸出.

將系統(tǒng)的實測負載功率P，與參考負載功率P＊比較，其誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后為有功指令輸出有功的指令電流id＊；將系統(tǒng)的實測電壓幅值UAC與參考電壓幅值UAC＊比較，其誤差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)［8］后輸出為無功的指令電流iq＊，通過這種解耦控制分別控制儲能系統(tǒng)有功無功的雙向流動.

儲能系統(tǒng)的DC／AC控制圖如圖4.

圖4 三相DC／AC變換器控制框圖

2.3 DC／DC控制模塊

DC／DC變換器是buck－boost電路［9，10］，可以實現(xiàn)能量的雙向流動.當(dāng)電網(wǎng)完全能夠穩(wěn)定負載端電壓、維持負載功率時，能量從電網(wǎng)流入儲能系統(tǒng)，為它充電；當(dāng)電網(wǎng)故障或者波動時，能量從儲能系統(tǒng)流向負載.

不考慮DC／DC的開關(guān)損耗，P表示傳輸功率，表示對輸入Udc求倒數(shù)，DC／DC變換器的傳遞函數(shù)框圖如圖5.

圖5 DC／DC變換器的傳遞函數(shù)框圖

DC／DC的控制目標(biāo)是保持直流高壓側(cè)的電壓恒定，所以采用PI補償環(huán)節(jié)的單電壓環(huán)實現(xiàn)雙向DC／DC變換器的閉環(huán)穩(wěn)定控制，通過調(diào)節(jié)蓄電池和超級電容器并聯(lián)模塊的輸入輸出電流isc實現(xiàn).圖6為DC／DC的控制圖，首先將實測電壓Udc與直流電壓參考值Udcref相比較，得到的誤差量輸入PI模塊，然后產(chǎn)生電流控制變量idc.根據(jù)idc和δ（DC／DC變換器的占空比），算得控制變量iscref作為流經(jīng)儲能模塊的電流參考值，最后用iscref控制PWM模塊產(chǎn)生所需的觸發(fā)脈沖，即開關(guān)器件S1和S2的控制信號.

圖6 DC／DC變換器的控制框圖

3 混合儲能系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)國內(nèi)電壓等級的標(biāo)準(zhǔn)，以西門子標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，建立配電網(wǎng)模型，將混合儲能系統(tǒng)接在該配電網(wǎng)節(jié)點11的降壓變TR3的低壓側(cè)，如圖7所示的公共連接點（PCC）處.

圖7 配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

假設(shè)負載A為阻抗型負載，額定功率為50 kW，額定相電壓為220V，儲能系統(tǒng)接于PCC點，它的控制目標(biāo)就是在各種情況下，維持PCC點的電壓和輸入功率穩(wěn)定.

3.1 電網(wǎng)三相電壓波動

設(shè)定電網(wǎng)電壓在1.6s到2.1s之間突然上下波動20%（如圖8）.在這樣的波動下，如果不采取措施，很可能導(dǎo)致大部分設(shè)備停機.由圖9可見，混合儲能系統(tǒng)的功率輸出能力和響應(yīng)速度都不錯，可以較快地平抑電網(wǎng)電壓的波動，使得電壓在0.1s內(nèi)恢復(fù)到正常水平.

混合儲能系統(tǒng)充分利用了超級電容器本身儲存的能量，發(fā)揮其功率密度高的優(yōu)勢，優(yōu)化了蓄電池的充放電過程.如圖10所示，超級電容器充放電迅速，而蓄電池就相對比較平穩(wěn).

圖8 未接儲能系統(tǒng)，負載A的電壓波形

圖9 接入儲能系統(tǒng)，負載A的電壓波形

圖10 混合儲能系統(tǒng)充放電波形圖

3.2 減小電網(wǎng)負荷波動的影響

設(shè)定在1～2s之間，在PCC處突然有20kW的負荷波動，此時PCC點的額定負載達到70kW，如果此時沒有混合儲能系統(tǒng)，PCC點的輸入功率必須從50kW突變到70kW，這會對整個電網(wǎng)造成擾動，圖11為不接儲能系統(tǒng)時PCC有功功率波形圖.

圖11 未接儲能系統(tǒng)，PCC有功波形圖

加入混合儲能系統(tǒng)后，它能夠快速輸出有功，在0.1s內(nèi)填補有功缺額，減弱負載波動對PCC點的影響，拉平PCC點的輸入功率，如圖12所示.

圖12 接入儲能系統(tǒng)，PCC有功波形圖

圖13 為混合儲能系統(tǒng)充放電波形圖.同3.1的情形類似，超級電容器發(fā)揮了功率密度高的優(yōu)勢，充放電頻率快，而蓄電池比較平穩(wěn).在負荷功率波動之初，超級電容器立刻發(fā)出較高的有功功率，而蓄電池輸出功率平穩(wěn)上升，之后由于超級電容器容量限制，蓄電池提供絕大部分有功功率.總之混合儲能系統(tǒng)利用超級電容器快速放電的特性，優(yōu)化了蓄電池的放電過程.

圖13 混合儲能系統(tǒng)充放電波形圖

4 結(jié)束語

混合儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓波動和負載波動兩種情況下，都能夠及時進行有功和無功的雙向調(diào)節(jié)，改善了配電網(wǎng)的電能質(zhì)量.相比于單一的蓄電池儲能系統(tǒng)，它充分利用了超級電容器快速放電的優(yōu)勢，減小了蓄電池充放電的波動，兩種儲能形式相互彌補，有利于減小儲能系統(tǒng)的體積和成本.

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