基于滑?？刂频娘w輪儲能穩(wěn)定光伏微網(wǎng)離網(wǎng)運行母線電壓策略的研究

趙晗彤，張建成

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基于滑?？刂频娘w輪儲能穩(wěn)定光伏微網(wǎng)離網(wǎng)運行母線電壓策略的研究

趙晗彤，張建成

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

由于受到自然因素的影響，離網(wǎng)運行的光伏微網(wǎng)電源輸出功率具有間歇性和隨機(jī)性，這會導(dǎo)致其母線電壓產(chǎn)生波動。因此需配置一定容量的儲能設(shè)備，以確保供電的可靠性和電能質(zhì)量。提出一種采用飛輪儲能系統(tǒng)輔助儲能的光伏發(fā)電方案，設(shè)計了分段穩(wěn)定直流母線電壓的控制策略?；诨Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制理論對飛輪驅(qū)動電機(jī)的充/放電環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析和控制方法推導(dǎo)。在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下搭建了相應(yīng)的仿真模型。分別對采用傳統(tǒng)PI方法和滑?？刂品椒▋煞N方式下母線電壓控制過程進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明滑?？刂聘哂袃?yōu)越性，光伏微網(wǎng)的電壓質(zhì)量得到了有效的提高。

光伏；隨機(jī)性；飛輪儲能；滑模；電壓

0 引言

隨著化石燃料的日益減少，新能源發(fā)電發(fā)展迅速。在眾多的新能源發(fā)電技術(shù)中，光伏發(fā)電備受矚目[1-6]，在微網(wǎng)中的應(yīng)用也較多。但由于光伏發(fā)電受光照強(qiáng)度、溫度等的影響，會產(chǎn)生比較大的功率波動[7]。使微網(wǎng)不能穩(wěn)定、持續(xù)地輸出電能，難以準(zhǔn)確地跟蹤負(fù)荷變化。這將直接導(dǎo)致其供電質(zhì)量不高。因此，為了保證供電的可靠性[8]和電能質(zhì)量，在光伏微網(wǎng)中配置一定容量的儲能設(shè)備是非常必要的。

在實際應(yīng)用的光伏微網(wǎng)中儲能裝置多采用蓄電池。雖然蓄電池能夠為負(fù)荷供給電能的時間比較長，但它卻有著功率密度低、循環(huán)利用壽命短等缺點[9]。飛輪儲能作為新型的儲能元件，具有動態(tài)響應(yīng)快，功率密度高，充放電時間短且無循環(huán)次數(shù)的限制，預(yù)期壽命長，環(huán)境友好等特點。相比較于蓄電池，可靠性更加地優(yōu)越。將飛輪儲能與蓄電池相互配合使用，儲能系統(tǒng)將會同時具備大功率充放電和大儲能量的特性，蓄電池的使用壽命也會得到有效地延長。二者的結(jié)合非常適用于對微網(wǎng)內(nèi)功率波動的平抑，從而穩(wěn)定母線電壓。應(yīng)用前景非常廣闊。

本文提出了一種運用飛輪儲能作為輔助性元件的離網(wǎng)運行下光伏微網(wǎng)方案。在光伏獨立微網(wǎng)的輸出功率或負(fù)荷發(fā)生短時波動時，由飛輪儲能系統(tǒng)補(bǔ)充功率缺額或吸收多余的功率。以此來提高微網(wǎng)的可靠性和電能質(zhì)量。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由光伏陣列、BOOST變換器、蓄電池、飛輪儲能系統(tǒng)和負(fù)載等組成。實現(xiàn)最大功率的跟蹤是BOOST變換器的主要作用，與此同時，它將光伏陣列由比較低的電壓升到比較高的電壓來滿足系統(tǒng)需要。直流母線通過BOOST變換器與光伏陣列相連接，能夠直接向直流負(fù)載用戶供電，亦或經(jīng)過DC/AC逆變器為交流負(fù)載用戶供電。蓄電池作為主要的儲能元件，經(jīng)由雙向DC/DC變換器與直流母線相連。飛輪儲能系統(tǒng)直接連接于直流母線上，由雙向AC/DC變換器和飛輪系統(tǒng)構(gòu)成，用于實現(xiàn)對微網(wǎng)內(nèi)短時電壓波動的平抑。

圖1 光伏微網(wǎng)離網(wǎng)運行時的模型圖

2 光伏獨立微網(wǎng)直流母線電壓的控制

根據(jù)國標(biāo)要求，直流母線電壓允許的波動范圍為-5%n到+5%n。為了提高能源利用率，采用分段穩(wěn)定電壓的策略。當(dāng)dc低于0.95n時，飛輪儲能系統(tǒng)開始減速放電，穩(wěn)定電壓于0.95n。當(dāng)dc高于1.05n時，投入飛輪儲能系統(tǒng)加速充電穩(wěn)壓，穩(wěn)定值為1.05n。

滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種不基于被控對象精確數(shù)學(xué)模型的智能控制方法，本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，具有動態(tài)響應(yīng)快，魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點。文中飛輪儲能的充/放電環(huán)節(jié)均采用了滑模控制方法。

3 光伏發(fā)電電源

3.1 光伏電池的特性

日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的變化會造成光伏電池的輸出功率發(fā)生改變。光伏電池的輸出特性曲線[10]如圖2和圖3所示。從圖中可以看出，光伏電池的輸出特性具有很強(qiáng)的非線性特點。

圖2 相同環(huán)境溫度下不同光照強(qiáng)度的輸出特性曲線

3.2 最大功率點跟蹤

在圖2中的光伏電池的特性曲線里，當(dāng)功率達(dá)到最大值的時候，它對應(yīng)著一個電壓值，此處的功率和電壓對應(yīng)于坐標(biāo)系上的點即為最大功率點。外界環(huán)境的變化會導(dǎo)致光伏電池的輸出也發(fā)生改變。為了能夠隨時地輸出最大功率來提高發(fā)電效率，常常采用最大功率點跟蹤(MPPT)的方式?？v觀為數(shù)眾多的MPPT控制方法，最為廣泛應(yīng)用的是電導(dǎo)增量法和擾動觀察法[11]。

本文選擇變步長擾動觀察法[12]作為MPPT控制方法。這種控制方法的優(yōu)點是可以提高最大功率點的跟蹤速度和精度，增大效率，減小震蕩。

4 飛輪儲能系統(tǒng)

4.1 飛輪儲能系統(tǒng)的組成

圖4是一種飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。飛輪儲能系統(tǒng)是一種新型的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換與存儲的裝置。它的工作原理為：當(dāng)系統(tǒng)處于儲能階段的時候，電機(jī)運行在電動機(jī)模式。電能經(jīng)由雙向DC/AC變換器驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行加速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而電機(jī)拖動與其同軸相連的飛輪進(jìn)行加速儲能，能量便以動能的形式得以貯存。當(dāng)飛輪的轉(zhuǎn)速達(dá)到其最大轉(zhuǎn)速后，系統(tǒng)則從此進(jìn)入了能量保持階段，轉(zhuǎn)速維持恒定不變。直至接收到控制信號，被要求釋放能量，系統(tǒng)才會轉(zhuǎn)入釋能放電階段；在這個釋放動能的過程中，飛輪利用其自身的慣性拖動電機(jī)減速發(fā)電，通過雙向DC/AC變換器輸出滿足電力供應(yīng)要求的電能，從而完成動能到電能的轉(zhuǎn)換過程。圖5為飛輪儲能系統(tǒng)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由電機(jī)、飛輪轉(zhuǎn)子和雙向DC/AC變換器組成。

圖4 飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖5 飛輪儲能系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4.2 永磁無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

對于永磁無刷直流電機(jī)，在建立數(shù)學(xué)模型的時候，選擇直接利用電機(jī)本身的相變量的方式。假設(shè)磁路非飽和，三相繞組完全對稱，不計渦流和磁滯損耗。由于轉(zhuǎn)子位置的變化不影響轉(zhuǎn)子磁阻的大小，所以定子繞組的自感和互感均為常數(shù)。則相繞組的電壓平衡方程式可以表示為

式中：a、b、c是定子繞組相電壓；是定子繞組相電阻；a、b、c是定子繞組相電流；a、b、c是定子繞組相電動勢；是定子繞組自感；是定子繞組互感。

反電動勢幅值的計算公式[13]為

永磁無刷直流電機(jī)的機(jī)械運動方程[13]為

(3)

式中：p為反電動勢幅值；ep為反電動勢系數(shù)；e為電磁轉(zhuǎn)矩；L為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量；為阻尼系數(shù)。

4.3 飛輪驅(qū)動電機(jī)的控制策略

當(dāng)微網(wǎng)母線電壓高于1.05n時，若要使其繼續(xù)穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)，則要求直流母線通過DC/AC變換電路向飛輪儲能端輸送能量。當(dāng)檢測到轉(zhuǎn)速小于其極限值*時，飛輪進(jìn)入加速充電模式。飛輪充電的控制策略采用轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制。外環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)，采取滑模控制器；電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，選用PI調(diào)節(jié)器?；？刂破鞯妮敵隽繛殡娏鳝h(huán)的給定信號*?？刂瓶驁D如圖6所示。

圖6 飛輪儲能的充電控制框圖

基于無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，對轉(zhuǎn)速環(huán)的滑?？刂破鬟M(jìn)行設(shè)計。

式中：0為給定角速度；為實際角速度；e為電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)；為轉(zhuǎn)動慣量；為給定電流輸出。

依照比例切換控制律，可令

(6)

則可以得到滑?？刂破鞯妮敵鍪牵?/p>

(8)

當(dāng)微網(wǎng)母線電壓低于0.95n時，若要其繼續(xù)穩(wěn)定于允許范圍內(nèi)，飛輪儲能端要經(jīng)由AC/DC變換電路向直流母線輸送能量。飛輪進(jìn)入放電模式后，永磁無刷直流電機(jī)采取回饋制動工作方式[14]。飛輪放電時的控制策略采用電壓-電流雙閉環(huán)控制。外環(huán)是電壓環(huán)，選擇PI調(diào)節(jié)方式；內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，采用滑模控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。電壓調(diào)節(jié)器的給定誤差信號為，其輸出量為滑模控制器的輸入信號*。控制框圖如圖7所示。

圖7 飛輪儲能的放電控制框圖

飛輪處于放電階段時，電機(jī)的端電壓會因低于直流母線側(cè)電容上的電壓而無法直接放電。因此電路中需要設(shè)置升壓環(huán)節(jié)。電機(jī)回饋制動的本質(zhì)是將電機(jī)自身的電感作為儲能電感的BOOST升壓電路。如此便不必在主電路中額外加一級電路進(jìn)行升壓，不但省略了相關(guān)的硬件，而且提高了系統(tǒng)的可靠性。

基于回饋制動是BOOST升壓電路的實質(zhì)，對電流環(huán)的滑?？刂破鬟M(jìn)行了設(shè)計。BOOST升壓電路是一種電壓調(diào)節(jié)器，輸出電壓是最終的控制目標(biāo)。理論上，滑模面應(yīng)該選取為電壓的誤差。但根據(jù)文獻(xiàn)[15]，當(dāng)直接控制輸出電壓時，滑模面上的運動是不穩(wěn)定的。所以只能令電壓作為間接控制對象，取電感電流誤差作為滑模面。

式中，是為了降低開關(guān)頻率而引入的滯環(huán)寬度。的選取與開關(guān)器件工作頻率相關(guān)，具體關(guān)系式為

(10)

式中：為開關(guān)器件工作頻率；為儲能電感；g和0為直流輸入電壓和輸出電壓。

上式適用于*不變的情況。在所提出的雙環(huán)控制系統(tǒng)中*不能嚴(yán)格保持不變，會因受電源內(nèi)阻、開關(guān)器件附加電阻的影響而與計算所得有不同之處。在仿真中可先根據(jù)所選開關(guān)器件的頻率倒推出的大小，再在其附近擇出最佳值。

當(dāng)微網(wǎng)母線電壓一直處于電能質(zhì)量所要求的±5%n范圍內(nèi)時，發(fā)出功率與所需功率基本平衡。儲能設(shè)備不需要啟動，則飛輪一直處于恒速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，不進(jìn)行儲存或釋放能量。

飛輪儲能的充電和放電是作為一個整體存在的。由于兩者的控制策略并不相同，所以在兩種模式間需要加入切換控制，具體控制框圖如圖8所示。

5 仿真分析

為了驗證文中所設(shè)計的控制策略的可行性，在Matlab/Simulink軟件中進(jìn)行了相關(guān)內(nèi)容的仿真。系統(tǒng)參數(shù)如下：在標(biāo)準(zhǔn)日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏陣列的開路電壓為353.6 V，短路電流為21.16 A，最大功率點電壓為283.2 V；直流母線額定電壓為500 V；飛輪驅(qū)動電機(jī)的基本參數(shù)為：=2.875 0 Ω，-=8.5 mH，=4，=0.8e-3kg·m2，N=12 000 r/min。

光伏獨立微網(wǎng)運行時，受到的外界干擾主要是光照的變化和負(fù)載的突變。仿真過程中分別在PI控制和滑?？刂苾煞N方式下對其進(jìn)行模擬，以便對比與分析。

當(dāng)日照強(qiáng)度大，環(huán)境溫度較高或者負(fù)載減少導(dǎo)致直流母線電壓高于上限時，飛輪儲能加速充電穩(wěn)壓。仿真結(jié)果見圖9、圖10和圖11。

圖9 直流母線電壓

圖10 飛輪轉(zhuǎn)速

圖11 功率曲線

由圖9可以看出，在飛輪儲能裝置接入前，由于光照或負(fù)載的變化，直流母線電壓在1.95 s左右超出電壓上限525 V。接入飛輪儲能裝置后，PI控制下沒有很好地抑制電壓的波動；滑?？刂苾?yōu)于PI控制，直流母線電壓能夠一直穩(wěn)定于上限，滿足了電能質(zhì)量的要求。圖10為飛輪的轉(zhuǎn)速曲線，飛輪在1.95 s以前處于充電并保持狀態(tài)，1.95~2.2 s期間進(jìn)行加速充電。圖11中的三條曲線分別為光伏功率曲線、負(fù)載功率曲線和飛輪儲能功率曲線。在電壓超出上限值時，飛輪儲能能夠及時地消化額外的功率，使其穩(wěn)定在上限。

在陰天日照強(qiáng)度較弱，環(huán)境溫度低或者負(fù)載加重造成直流母線電壓低于下限時，需要飛輪儲能向母線提供能量。仿真結(jié)果見圖12、圖13和圖14。

圖13 飛輪轉(zhuǎn)速

由圖12可以看出，接入飛輪儲能裝置前，光照或負(fù)載的變化導(dǎo)致直流母線電壓在1.78 s左右越過電壓下限475 V。飛輪儲能裝置接入后，PI控制下有阻止電壓下降的趨勢，但是依然低于下限值；滑?？刂苾?yōu)勢明顯，使得直流母線電壓一直能夠穩(wěn)定在下限，符合要求。圖13為飛輪的轉(zhuǎn)速曲線，在1.78 s之前處于充電并保持狀態(tài)，1.78~2.1 s期間減速放電。圖14分別為光伏功率曲線、負(fù)載功率曲線和飛輪儲能功率曲線。電壓低于下限后，飛輪儲能立即減速放電，釋放自身的功率來穩(wěn)定電壓于下限值。

由上述仿真結(jié)果可知，基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的飛輪儲能作為短期儲能元件，能夠很好地調(diào)節(jié)直流母線的即時變化電壓。離網(wǎng)運行下，光伏微網(wǎng)的電壓質(zhì)量得到了有效地提高。

6 結(jié)語

本文將飛輪儲能作為輔助性能量調(diào)節(jié)單元，應(yīng)用于離網(wǎng)運行的光伏微網(wǎng)中。制定了利用飛輪儲能穩(wěn)定微網(wǎng)母線電壓的相關(guān)控制策略。運用仿真軟件Matlab對文中提出的基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的方案進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果表明，與PI控制方法相比，滑?？刂品椒ǖ男Ч眩诠庹栈蜇?fù)載發(fā)生變化的情況下，微網(wǎng)母線電壓能夠被控制在所允許的范圍內(nèi)，從而驗證了所提控制策略的可行性和有效性。

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(編輯 姜新麗)

Research on bus voltage control strategy of off-grid PV microgrid with flywheel energy storage system based on sliding mode control

ZHAO Hantong, ZHANG Jiancheng

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Due to the impact of natural factors, the output power of off-grid photovoltaic microgrid source is intermittent and random. This will lead to fluctuations of the bus voltage. To ensure the reliability and power quality of power supply, configuring a certain capacity of storage devices becomes necessary. This paper proposes and designs a PV program which the flywheel energy storage system is applied to as an auxiliary and control strategy that stabilizing the DC bus voltage in sections. Charge/discharge link of the drive motor for flywheel and its control method is analyzed and deduced based on theory of sliding mode control. A corresponding simulation module is constructed in Matlab/Simulink simulation environment. Controlling the bus voltage in two ways in the simulation, including the traditional PI control and sliding mode control, the results demonstrate the superiority of the sliding mode control method. The voltage quality of PV microgrid is effectively improved. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51177047).

photovoltaic; random; flywheel energy storage system; sliding mode; voltage

10.7667/PSPC151495

國家自然科學(xué)基金項目(51177047)；河北省科技支撐計劃項目(16214504D)

2015-08-23；

2015-10-03

趙晗彤(1989-)，女，碩士研究生，研究方向為飛輪儲能及其在微網(wǎng)中的應(yīng)用；E-mail: zhaohantong111@163.com 張建成(1965-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為新型儲能技術(shù)和可再生能源發(fā)電控制技術(shù)。E-mail: zhang_ jiancheng@126.com