基于頻率滯環(huán)的孤立微網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)頻率控制策略

戚 艷，穆云飛，賈宏杰，余曉丹，李海峰，金 濤

（1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384；2.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3.國網(wǎng)江蘇省電力公司，南京 210008）

基于頻率滯環(huán)的孤立微網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)頻率控制策略

戚 艷1，穆云飛2，賈宏杰2，余曉丹2，李海峰3，金 濤3

（1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384；2.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3.國網(wǎng)江蘇省電力公司，南京 210008）

以蓄電池與超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出基于頻率滯環(huán)的孤立微網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)頻率控制策略。該控制策略包含Ⅰ、Ⅱ兩種控制方式：控制方式Ⅰ通過引入頻率滯環(huán)來協(xié)調(diào)頻率控制精度與蓄電池充放電次數(shù)的關(guān)系，可有效減小蓄電池的充放電次數(shù)；控制方式Ⅱ綜合考慮蓄電池使用壽命和超級(jí)電容器容量的雙重約束，通過頻率滯環(huán)協(xié)調(diào)蓄電池和超級(jí)電容器的充放電優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)不同儲(chǔ)能裝置的優(yōu)化控制。在DIgSI?LENT商業(yè)軟件中搭建了Benchmark低壓微網(wǎng)算例，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。

孤立微網(wǎng)；頻率控制；頻率滯環(huán)；混合儲(chǔ)能系統(tǒng)；優(yōu)化控制

微網(wǎng)可將各類分布式電源DG（distributed gen?eration）、儲(chǔ)能裝置以及負(fù)荷進(jìn)行有效集成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)局部區(qū)域的靈活、可靠、經(jīng)濟(jì)供電，成為近年來新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。微網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理，既可與配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可呈孤島方式獨(dú)立運(yùn)行[2]。孤島運(yùn)行模式主要適用于以下兩種情況：①上游配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，微網(wǎng)與其解列，呈孤島模式運(yùn)行以保證對(duì)重要負(fù)荷的可靠供電；②為偏遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣地區(qū)提供電能，在有效避免長距離、高投資輸電線路建設(shè)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)能源的就地選取、高效利用。孤立微網(wǎng)可有效緩解我國東、南部大量海島由于遠(yuǎn)離大陸、電源單一等原因所造成的供電可靠性差、能源開發(fā)利用水平低等問題，為海島的深度開發(fā)、生態(tài)保護(hù)及海島居民生活水平的提高帶來了機(jī)遇，具有重要的戰(zhàn)略意義[3]。

微網(wǎng)特別是孤立微網(wǎng)在組成結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制上與傳統(tǒng)電網(wǎng)有很大不同。微網(wǎng)系統(tǒng)慣性小、阻尼不足、抗干擾能力弱，且微網(wǎng)中間歇性可再生能源（太陽能、風(fēng)能、海洋能）所占比例較大，孤島運(yùn)行時(shí)抵御外界環(huán)境擾動(dòng)的能力較弱，難以維持微網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性[4-5]。為此，微網(wǎng)中通常配備一定容量的儲(chǔ)能單元（蓄電池、飛輪、超級(jí)電容器等）和傳統(tǒng)微型發(fā)電單元（柴油發(fā)電機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)）來提供系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)[6]。文獻(xiàn)[7]利用蓄電池為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)提供頻率支撐；文獻(xiàn)[8]利用柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池混合系統(tǒng)為孤立微網(wǎng)提供頻率支撐；文獻(xiàn)[9]采用響應(yīng)速度較快的儲(chǔ)能裝置進(jìn)行一次頻率調(diào)節(jié)，再利用動(dòng)態(tài)特性較慢的微電源（微型燃?xì)廨啓C(jī)、柴油發(fā)電機(jī)和燃料電池）進(jìn)行二次調(diào)控以恢復(fù)儲(chǔ)能容量的頻率協(xié)調(diào)控制策略。但柴油發(fā)電機(jī)依然無法擺脫對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴，存在利用效率低、成本高及污染重等問題。而以蓄電池、超級(jí)電容器為代表的儲(chǔ)能裝置不僅清潔、無污染，且可通過其電能的快速存取動(dòng)態(tài)平衡微網(wǎng)中的電能供需，因此儲(chǔ)能技術(shù)被看作是實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，儲(chǔ)能系統(tǒng)ESS（energy storage system）作為微網(wǎng)的重要組成環(huán)節(jié)，在提高微網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性、改善電能質(zhì)量等方面的作用獲得了廣泛認(rèn)同。然而，基于單一蓄電池或者超級(jí)電容器SC（supercapacitor）儲(chǔ)能介質(zhì)的ESS很難滿足微網(wǎng)動(dòng)態(tài)變化過程中對(duì)功率密度及能量密度的雙重要求，如對(duì)蓄電池的過分利用會(huì)導(dǎo)致其物理特性發(fā)生變化，嚴(yán)重影響其使用壽命；而對(duì)SC的過度使用極易觸發(fā)其端電壓的上下限而退出工作，為此混合儲(chǔ)能系統(tǒng)HESS（hybrid energy storage system）應(yīng)運(yùn)而生。文獻(xiàn)[10]定量分析了蓄電池和超級(jí)電容器構(gòu)成的HESS（簡稱蓄超HESS）在提高功率傳輸能力、延長放電時(shí)間、增加蓄電池循環(huán)壽命等方面的優(yōu)勢(shì)；文獻(xiàn)[11]通過仿真驗(yàn)證了蓄超HESS應(yīng)用于可再生能源發(fā)電系統(tǒng)和脈沖性負(fù)荷的優(yōu)勢(shì)；文獻(xiàn)[12]對(duì)蓄超HESS應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了定量分析。上述研究均表明，與單一ESS相比，HESS控制方式及容量配置均更加靈活，在提高微網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性和提高可再生能源利用率等方面具有更廣闊的應(yīng)用前景。

本文針對(duì)蓄超HESS，在傳統(tǒng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略的基礎(chǔ)上，提出基于頻率滯環(huán)的孤立微網(wǎng)頻率控制策略。該控制策略包含兩種控制方式：控制方式I在保障微網(wǎng)頻率控制精度維持在可接受范圍內(nèi)的前提下，通過引入頻率滯環(huán)來避免蓄電池的小電流充放電；控制方式II在保證微網(wǎng)頻率控制精度的前提下，通過頻率滯環(huán)協(xié)調(diào)蓄電池和SC充放電的優(yōu)先級(jí)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同儲(chǔ)能裝置的優(yōu)化控制。最后，通過數(shù)值仿真驗(yàn)證了本文所提控制策略的有效性，并對(duì)比分析了不同控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 HESS在孤立微網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)中的應(yīng)用

1.1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的特點(diǎn)

微網(wǎng)孤立運(yùn)行時(shí)，由于缺乏上游配電系統(tǒng)的功率支持，當(dāng)其內(nèi)部間歇性分布式電源出力產(chǎn)生隨機(jī)波動(dòng)時(shí)，微網(wǎng)頻率會(huì)發(fā)生較大偏移，嚴(yán)重影響用戶電能質(zhì)量。因此，與微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)相比，孤立微網(wǎng)對(duì)ESS的依賴性更強(qiáng)，對(duì)ESS運(yùn)行的安全性、可靠性等要求更高，主要表現(xiàn)在以下3方面。

（1）響應(yīng)速度：微網(wǎng)中光伏等間歇性可再生能源輸出功率的隨機(jī)波動(dòng)以及負(fù)載的隨機(jī)切換對(duì)孤立微網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成極大威脅，為了保證微網(wǎng)暫態(tài)過程的穩(wěn)定性，對(duì)ESS的暫態(tài)響應(yīng)速度要求較高。

（2）功率密度：孤立微網(wǎng)由于前述擾動(dòng)易產(chǎn)生較大功率波動(dòng)，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要利用ESS進(jìn)行功率緩沖，因此ESS必須具備較高的功率密度，能夠向微網(wǎng)提供足夠的瞬時(shí)功率。

（3）能量密度：微網(wǎng)中難以對(duì)可再生能源發(fā)電進(jìn)行精確預(yù)測(cè)和控制，系統(tǒng)功率時(shí)刻變化。在負(fù)荷高峰時(shí)刻，發(fā)電量可能為0；反之在發(fā)電量高峰時(shí)刻，負(fù)荷量可能最低。這就要求ESS具有較大的吞吐容量，即具有充足的能量密度以維持孤立微網(wǎng)在一定時(shí)間段內(nèi)的供需平衡。

ESS具有清潔、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，可通過功率的快速交換以維持微網(wǎng)電能的供需平衡。目前適用于微網(wǎng)的ESS種類多樣，各具特點(diǎn)，然而單一的儲(chǔ)能裝置很難同時(shí)滿足上述三方面需求，將儲(chǔ)能特性具有互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)的2種或3種儲(chǔ)能技術(shù)混合使用，可以取得良好的應(yīng)用效果。其中由蓄電池和SC組成的蓄超HESS是用于提高微網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的典型組合：①蓄電池儲(chǔ)能在所有儲(chǔ)能技術(shù)中相對(duì)成熟、成本較低，目前在小型分布式發(fā)電系統(tǒng)及微網(wǎng)中應(yīng)用最為廣泛。但蓄電池的物理化學(xué)特性決定了其具有高能量密度和低功率密度的特點(diǎn)，同時(shí)蓄電池的使用壽命與充放電次數(shù)及充放電深度有著密切的關(guān)系；②超級(jí)電容器具有使用壽命長、可靠性高及免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有高功率密度和低能量密度的特點(diǎn)，可與蓄電池形成良好互補(bǔ)。

此外，在孤立微網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)過程中，需充分考慮來自蓄電池及SC的雙重約束。首先，蓄電池屬于能量型儲(chǔ)能裝置，頻繁及深度充放電會(huì)導(dǎo)致其容量累積虧損并在短時(shí)間內(nèi)快速下降，嚴(yán)重影響蓄電池的使用壽命；而超級(jí)電容器則屬于功率型儲(chǔ)能裝置，具有功率密度高和使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，通過超級(jí)電容器可有效補(bǔ)償間歇性分布式電源輸出功率隨機(jī)波動(dòng)的高頻分量。但其成本昂貴，導(dǎo)致其規(guī)劃容量有限，因此在頻率調(diào)節(jié)過程中易到達(dá)端電壓極限值而退出運(yùn)行，影響微網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的可靠性。

1.2 孤立微網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)頻率控制結(jié)構(gòu)

保證頻率穩(wěn)定在允許的范圍內(nèi)是孤立微網(wǎng)正常運(yùn)行的基本要求之一。孤立微網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中fmeas為微網(wǎng)頻率測(cè)量值，SOC為蓄電池荷電狀態(tài)，Pref，bat為蓄電池參考功率，Pbat為蓄電池測(cè)量功率，iref，bat為蓄電池參考電流，ibat為蓄電池測(cè)量電流，mbat為蓄電池脈沖生成信號(hào)，Pref，sc為超級(jí)電容器參考功率，Psc為蓄電池測(cè)量功率，iref，sc為超級(jí)電容器參考電流，isc為超級(jí)電容器測(cè)量電流，msc為超級(jí)電容器脈沖生成信號(hào)，Pref，PV、Pref，WT為光伏、風(fēng)機(jī)參考功率，mPV，WT為光伏、風(fēng)機(jī)脈沖生成信號(hào)。

微網(wǎng)中間歇性分布式電源如光伏PV（photovol?taic generation）、風(fēng)機(jī)WT（wind turbine）等均運(yùn)行于最大功率追蹤MPPT（maximum power point tracking）狀態(tài)，其輸出功率隨外界環(huán)境的變化而隨機(jī)波動(dòng)。ESS用于維持微網(wǎng)運(yùn)行過程中瞬時(shí)功率的供需平衡，以實(shí)現(xiàn)孤立微網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)。上述過程的實(shí)現(xiàn)是在圖中能量管理單元EMU（energy management unit）、自動(dòng)控制單元ACU（automatic control unit）及脈沖生成單元PGU（pluse generation unit）3個(gè)環(huán)節(jié)的協(xié)同控制下完成的，其中，EMU根據(jù)頻率控制算法和MPPT算法分別計(jì)算ESS及間歇性分布式電源的功率輸出參考值；ACU根據(jù)EMU的輸出功率參考值計(jì)算脈寬調(diào)制信號(hào)；PGU用于提供驅(qū)動(dòng)電力電子變換裝置的脈沖開關(guān)信號(hào)[13]。由于ACU和PGU的控制技術(shù)已經(jīng)成熟，不做詳細(xì)闡述，本文主要針對(duì)EMU中ESS的頻率控制策略展開深入研究。

EMU中頻率控制算法的目的是為HESS的輸出功率提供參考值。其基本思想是由蓄電池提供微網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的能量支持，由超級(jí)電容器提供微網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的功率支持[14]，如圖2所示。傳統(tǒng)的HESS頻率控制原理如圖3所示，其中，fmeas為孤立微網(wǎng)的頻率測(cè)量值；fnom為頻率的基準(zhǔn)值；Kd為下垂控制系數(shù)；Td為低頻濾波器濾波時(shí)間常數(shù)；下垂控制（droop con?trol）環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)Pref為HESS的功率參考值，在低通濾波器控制下轉(zhuǎn)換為低頻分量Pref，bat，Pref與Pref，bat的差值構(gòu)成高頻分量Pref，sc。Pref，bat由能量型低功率密度的蓄電池來提供，Pref，sc則由高功率密度、循環(huán)壽命長的超級(jí)電容器來提供。對(duì)于蓄電池來說，超級(jí)電容器可以起到功率緩沖器（power buffer）的作用，以減小較大充放電電流對(duì)蓄電池的沖擊，從而提高蓄電池的使用壽命。

圖1 孤立微網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)Fig.1 Control structure of autonomous microgrid

圖2 HESS頻率控制基本思想Fig.2 Frequency control idea of HESS

圖3 傳統(tǒng)HESS頻率控制原理Fig.3 Traditional frequency control principle of HESS

2 孤立微網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)頻率滯環(huán)控制策略

2.1 頻率滯環(huán)的構(gòu)建

本文提出一種基于頻率滯環(huán)的孤立微網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)頻率控制策略，通過引入頻率滯環(huán)進(jìn)一步協(xié)調(diào)微網(wǎng)頻率控制精度和HESS內(nèi)各儲(chǔ)能單元物理約束之間的關(guān)系，其頻率滯環(huán)的基本原理如圖4所示。

圖4 頻率滯環(huán)基本原理Fig.4 Principle of frequency hysteretic loop control

該頻率滯環(huán)引入3個(gè)觸發(fā)頻率（frate，frate-Δf，frate+Δf）來決定蓄電池響應(yīng)孤立微網(wǎng)頻率控制信號(hào)的動(dòng)作情況，其中，Δf為可設(shè)定的頻率觸發(fā)誤差，fmin為微網(wǎng)頻率下限，fmax為微網(wǎng)頻率上限，frate為微網(wǎng)額定頻率。頻率觸發(fā)值將孤立微網(wǎng)允許頻率波動(dòng)范圍[fmin，fmax]劃分為蓄電池的工作區(qū)與非工作區(qū)。當(dāng)頻率量測(cè)值fmeas到達(dá)觸發(fā)頻率 frate-Δf或frate+Δf時(shí)，蓄電池進(jìn)入工作區(qū)，通過與微網(wǎng)進(jìn)行功率交換參與頻率調(diào)節(jié)，直到fmeas到達(dá)下一個(gè)觸發(fā)頻率frate；當(dāng)fmeas到達(dá)觸發(fā)頻率frate時(shí)，蓄電池停止工作，輸出為0，直到fmeas到達(dá)下一個(gè)觸發(fā)頻率 frate-Δf或frate+Δf。在此期間，蓄電池處于非工作區(qū)，可避免充放電次數(shù)過多影響蓄電池使用壽命?；诖艘?guī)律，蓄電池隨著孤立微網(wǎng)頻率的變化在工作區(qū)與非工作區(qū)之間動(dòng)態(tài)切換，頻率滯環(huán)則動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)蓄電池的工作狀態(tài)。

2.2 孤立微網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)頻率滯環(huán)控制方式Ⅰ

孤立微網(wǎng)HESS頻率滯環(huán)控制方式ⅠHLCⅠ（hysteretic loop controlⅠ）的基本原理如圖5所示。圖中，下垂控制環(huán)節(jié)輸出功率參考信號(hào)Pref經(jīng)低通濾波器分解得到低頻分量輸入圖4的頻率滯環(huán)控制器，輸出蓄電池初始參考功率Pref，b，定向控制蓄電池的工作狀態(tài)，再經(jīng)過蓄電池越限保護(hù)環(huán)節(jié)輸出蓄電池功率參考值Pref，bat。Pref與的差值為高頻功率分量超級(jí)電容器初始參考功率Pref，s，經(jīng)過SC越限保護(hù)環(huán)節(jié)得到SC功率參考值Pref，sc。若蓄電池SOC與SC端電壓usc均無越限情況，則Pref，bat與Pref，sc分別取為Pref，b和Pref，s；若二者中出現(xiàn)越限情況，則通過二者之間的功率協(xié)調(diào)改變其功率參考值。

HESS頻率滯環(huán)控制方式I主要是通過改變微網(wǎng)頻率控制精度來避免蓄電池小電流充放電，由于SC不直接承擔(dān)蓄電池頻率滯環(huán)控制所避免的小電流充放電，因此對(duì)SC影響較小。與傳統(tǒng)HESS頻率控制策略相比，HESS孤立微網(wǎng)頻率滯環(huán)控制方式Ⅰ在頻率控制精度與蓄電池使用壽命之間尋求理想的平衡，具體體現(xiàn)在：①通過設(shè)定允許的頻率觸發(fā)誤差Δf，在孤立微網(wǎng)允許的頻率波動(dòng)范圍內(nèi)減少蓄電池的充放電次數(shù)，延長其使用壽命；②通過設(shè)定觸發(fā)信號(hào)(frate,frate-Δf,frate+Δf)來保證孤立微網(wǎng)頻率在允許的區(qū)間[fmin，fmax]內(nèi)。含HESS越限保護(hù)的頻率滯環(huán)控制方式I具體控制流程如圖6所示。

圖5 頻率滯環(huán)控制方式Ⅰ結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of frequency hysteretic loop controlⅠ

圖6 頻率滯環(huán)控制方式Ⅰ流程Fig.6 Flow chart of frequency hysteretic loop controlⅠ

通過下垂環(huán)節(jié)、低通濾波環(huán)節(jié)以及滯環(huán)控制環(huán)節(jié)得到信號(hào)Pref，b和Pref，s，若蓄電池SOC和SC端電壓usc均無越界現(xiàn)象，則其輸出的功率參考值分別為Pref，b和Pref，s；若SC端電壓usc到達(dá)上警戒值umax，則SC只可放電，不可充電，由蓄電池承擔(dān)其充電功率；若usc到達(dá)下警戒值umin，則SC只可充電，不可放電，由蓄電池承擔(dān)其放電功率。同理，蓄電池則根據(jù)其SOC是否到達(dá)警戒值SOCmin和SOCmax來決定其功率參考值。若蓄電池和SC均到達(dá)警戒值，則應(yīng)啟動(dòng)備用設(shè)備。

2.3 HESS孤立微網(wǎng)頻率滯環(huán)控制方式Ⅱ

HESS孤立微網(wǎng)頻率滯環(huán)控制方式Ⅰ中SC并未直接承擔(dān)蓄電池可能避免的小電流充放電循環(huán)，這在一定程度上降低了微網(wǎng)的頻率控制精度。而HESS孤立微網(wǎng)頻率滯環(huán)控制方式Ⅱ中蓄電池由于頻率滯環(huán)控制所避免的小電流充放電由SC承擔(dān)，雖增加了SC的壓力，但可進(jìn)一步提高微網(wǎng)的頻率控制精度。其基本控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 頻率滯環(huán)控制方式Ⅱ結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of frequency hysteretic loop controlⅡ

圖7與圖6不同的是Pref，s取值為Pref與Pref，b的差值，因此，若蓄電池頻率滯環(huán)輸出為0，則SC將承擔(dān)微網(wǎng)的調(diào)頻任務(wù)，其功率參考值為Pref，這對(duì)于能量密度小的超級(jí)電容器來說，無疑增加了其端電壓越限的概率，因此，SC電壓越限保護(hù)在頻率滯環(huán)控制方式Ⅱ中非常重要。含越限保護(hù)的HESS孤立微網(wǎng)頻率滯環(huán)控制方式Ⅱ的具體控制流程如圖8所示。由圖可知，若SC端電壓越限，則由蓄電池進(jìn)行微網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)。此種控制方式特點(diǎn)如下：①蓄電池中由頻率滯環(huán)控制所避免的小電流充放電由SC承擔(dān)，可進(jìn)一步提高孤立微網(wǎng)頻率控制的精度；②控制過程中SC由于容量限制容易引起端電壓越限，此時(shí)調(diào)頻任務(wù)由蓄電池承擔(dān)。

圖8 頻率滯環(huán)控制Ⅱ流程Fig.8 Flow chart of frequency hysteretic loop controlⅡ

3 算例分析

在DIgSILENT商業(yè)軟件中搭建了Benchmark低壓微網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)[15]，如圖9所示。圖中微網(wǎng)由低壓饋線、分布式電源（光伏、風(fēng)機(jī)、燃料電池以及微型燃?xì)廨啓C(jī)）、蓄超HESS以及相關(guān)負(fù)荷組成，呈孤島方式獨(dú)立運(yùn)行。微網(wǎng)中母線15接光伏/風(fēng)機(jī)混合發(fā)電系統(tǒng)[16]；母線17接獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，逆變器控制方式為基于MPPT的恒功率控制，以提高可再生能源的利用率；母線14、16分別接微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池微型發(fā)電單元[17]，為突出HESS的頻率控制效果，微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池均采用恒功率控制；母線13接蓄超HESS[18-19]，逆變器控制方式采用本文提出的頻率滯環(huán)控制策略。

圖9 含HESS的Benchmark低壓微網(wǎng)Fig.9 Benchmark low-voltage microgrid with HESS

我國北方某地區(qū)風(fēng)速、光照采集數(shù)據(jù)及微網(wǎng)中典型的負(fù)荷功率曲線如圖10所示，圖（c）中負(fù)荷4、12和17為民用負(fù)荷，負(fù)荷13、19為商業(yè)負(fù)荷。為便于仿真分析，將24 h的仿真數(shù)據(jù)壓縮至24 min。與圖10（a）、（b）對(duì)應(yīng)的光伏、風(fēng)機(jī)輸出功率曲線如圖11所示，由圖可以看出，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率與其光照強(qiáng)度成正比，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率在切入風(fēng)速和切除風(fēng)速之間隨風(fēng)速波動(dòng)而變化。

基層警務(wù)工作要提高自身的智能化治理水平。智能化為社會(huì)治理提供了一個(gè)專業(yè)性方案。[3]在城鄉(xiāng)基層社會(huì)治理中將所屬行政區(qū)域按照一定的原則和標(biāo)準(zhǔn)劃分成若干個(gè)網(wǎng)格狀的單元，各網(wǎng)格責(zé)任主體及其成員在實(shí)地走訪、調(diào)查或借助社會(huì)治理電子網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)了解、采集網(wǎng)格內(nèi)所有居民住戶基本情況及其意見和要求的基礎(chǔ)上，向其所在轄區(qū)內(nèi)的居民和住戶提供更為專業(yè)和日?；姆?wù)。

為對(duì)比HESS不同控制方式對(duì)孤立微網(wǎng)頻率控制效果及對(duì)蓄電池、SC的影響，本節(jié)針對(duì)3種控制策略的控制效果進(jìn)行對(duì)比分析，分別為傳統(tǒng)HESS控制策略CHC（classic HESS control）[14]，頻率HLCⅠ以及頻率HLCⅡ。仿真中設(shè)定frate=50 Hz，Δf=0.02 Hz，允許頻率波動(dòng)范圍為[49.95 Hz，50.05 Hz]。

3.1 孤立微網(wǎng)頻率滯環(huán)控制效果分析

不同控制方式下微網(wǎng)的頻率控制效果如圖12所示。由圖可以看出，整個(gè)控制過程中CHC與HLCⅡ的頻率控制效果相同。主要是因?yàn)镠LCⅡ方式下，蓄電池避免的小充放電功率由SC承擔(dān)，HESS系統(tǒng)的總體輸出功率與CHC方式下HESS輸出功率相同。HLCⅠ控制方式下孤立微網(wǎng)頻率控制誤差與其他兩種控制方式相比較大，但是仍然處于預(yù)先設(shè)定的頻率波動(dòng)范圍內(nèi)，此種控制方式下微網(wǎng)頻率控制的詳細(xì)分析見圖13。

圖10 仿真環(huán)境Fig.10 Simulation environment

圖11 光伏/風(fēng)機(jī)輸出功率Fig.11 Power outputs of PV/WT

圖12 不同控制方式下微網(wǎng)頻率對(duì)比Fig.12 Comparison of microgrid frequency among different control modes

圖13 頻率滯環(huán)控制方式Ⅰ控制效果Fig.13 ControleffectoffrequencyhystereticloopcontrolⅠ

結(jié)合前述HLCI控制原理，由圖13可知，微網(wǎng)初始運(yùn)行時(shí)由于頻率處于[49.98 Hz，50.02 Hz]范圍內(nèi)，蓄電池輸出功率為0，此時(shí)SC不承擔(dān)蓄電池的功率；0.3 min時(shí)，微網(wǎng)頻率到達(dá)觸發(fā)頻率上限50.02 Hz，蓄電池切換至工作區(qū)，參與微網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)，此時(shí)微網(wǎng)頻率與其他兩種控制方式的控制效果相同，見圖12；4.2 min時(shí)微網(wǎng)頻率降至50 Hz，蓄電池再次切換至非工作區(qū)，避免了大量充放電循環(huán)，同時(shí)此區(qū)間內(nèi)微網(wǎng)頻率保持在[49.95 Hz，50.05 Hz]范圍內(nèi)，但與其他兩種控制方式相比，頻率控制精度相對(duì)較差；15.6 min時(shí)微網(wǎng)頻率降至49.98 Hz，此時(shí)蓄電池再次切換至工作區(qū)，參與微網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)，直至22min微網(wǎng)頻率到達(dá)50 Hz。因此，HLCⅠ是在可接受范圍內(nèi)犧牲微網(wǎng)頻率控制精度來避免蓄電池的小電流充放電循環(huán)，適用于對(duì)頻率控制精度要求不高的場(chǎng)合。

3.2 孤立微網(wǎng)頻率滯環(huán)控制對(duì)HESS的影響

分別對(duì)3種控制策略下蓄電池和SC的輸出功率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖14、圖15所示。

圖14 不同控制方式下蓄電池輸出功率對(duì)比Fig.14 Comparison of power output of battery among different control modes

圖15 不同控制方式下超級(jí)電容器輸出功率對(duì)比Fig.15 Comparison of power output of SC among different control modes

1）HLCⅠ對(duì)HESS的影響

（1）對(duì)蓄電池的影響。圖14（a）中，與其他兩種控制方式相比，HLCⅠ對(duì)應(yīng)的蓄電池充放電功率既沒有高頻功率分量，又避免了大量充放電循環(huán)，對(duì)蓄電池本身而言是最為理想的控制方式。

2）對(duì)SC的影響。圖15（a）中，HLCⅠ中SC雖然沒有直接承擔(dān)蓄電池避免的小電流循環(huán)，但是由于蓄電池的非工作狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致微網(wǎng)頻率誤差增大，與CHC相比，在相同控制參數(shù)下SC的功率參考值Pref，sc也會(huì)相應(yīng)增大（詳見圖5控制原理），對(duì)應(yīng)的SC端電壓變化幅值也會(huì)相應(yīng)增大（圖15（b）中4～16 min HLCⅠ方式下SC端電壓變化幅值比CHC下SC端電壓變化幅值大），因此，該控制方式會(huì)在一定程度上增加對(duì)SC的容量需求。

2）HLCⅡ?qū)ESS的影響

（1）對(duì)蓄電池的影響。由圖14（a）可以看出，HLCⅡ可以在一定程度上避免蓄電池的充放電循環(huán)（圖14（a）中，7～16 min蓄電池處于非工作區(qū)），但是在0.5～7 min和16～24 min區(qū)間內(nèi)蓄電池充放電功率的高頻分量較多，這是因?yàn)樾铍姵靥幱诜枪ぷ鳡顟B(tài)時(shí)其避免的小電流充放電由SC承擔(dān)，這在較大程度上提高了對(duì)SC的容量需求，致使SC端電壓容易出現(xiàn)越限現(xiàn)象，此時(shí)部分高頻功率仍由蓄電池承擔(dān)，因此增加了蓄電池充放電功率的高頻分量。

2）對(duì)SC的影響

由上述分析可知，HLCⅡ增加了對(duì)SC的容量需求，因此SC易出端電壓現(xiàn)越限現(xiàn)象，例如圖15（b）中0.5～7 min區(qū)間SC端電壓到達(dá)上限電壓900 V，受越限保護(hù)環(huán)節(jié)控制SC只可放電，不可充電，微網(wǎng)頻率控制所需充電功率均由蓄電池提供；16～24 min區(qū)間SC端電壓到達(dá)下限電壓700V，此時(shí)SC只可充電，不可放電，微網(wǎng)頻率控制所需放電功率均由蓄電池提供。

4 結(jié)論

（1）控制方式Ⅰ在充分利用蓄電池與SC儲(chǔ)能特性互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，通過引入頻率滯環(huán)來充分協(xié)調(diào)孤立微網(wǎng)頻率控制精度與蓄電池充放電次數(shù)的關(guān)系，在保障微網(wǎng)頻率控制精度維持在可接受范圍內(nèi)的前提下，有效減少蓄電池充放電功率的高頻分量和小電流充放電循環(huán)次數(shù)，提高蓄電池的使用壽命，且控制方式Ⅰ對(duì)SC影響不大，但是在一定程度上降低了對(duì)微網(wǎng)頻率的控制精度。

（2）控制方式Ⅱ在保證微網(wǎng)頻率控制精度的前提下，綜合考慮蓄電池使用壽命和超級(jí)電容器容量的雙重約束，通過頻率滯環(huán)協(xié)調(diào)蓄電池和SC的充放電優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)HESS內(nèi)不同儲(chǔ)能裝置的優(yōu)化控制，但是由于SC的容量限制，在SC端電壓到達(dá)極限時(shí)會(huì)增大蓄電池充放電的高頻功率分量。

通過本文的研究表明，在孤立微網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)頻率控制策略的選擇與應(yīng)用中，存在控制精度與各類型儲(chǔ)能介質(zhì)自身物理約束之間的矛盾。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的控制策略，在保障微網(wǎng)頻率控制效果的同時(shí)，進(jìn)一步提高各類型儲(chǔ)能介質(zhì)的使用效率，并且通過控制的優(yōu)選延長各自使用壽命。

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Frequency Control Strategy of Hybrid Energy Storage System for Autonomous Microgrid Based on Frequency Hysteretic Loop

QI Yan1，MU Yunfei2，JIA Hongjie2，YU Xiaodan2，LI Haifeng3，JIN Tao3
（1.Tianjin Electric Power Research Institute，State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300384，China；2.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3.State Grid Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210008，China）

In this paper，a frequency control strategy of hybrid energy storage system（HESS）including battery and su?percapacitor for autonomous microarid（AMG）based on frequency hysteretic loop is proposed．The control strategy is composed of two modes．ControlⅠcoordinates the relationship between the frequency control precision and the battery charge/discharge cycles by utilizing the proposed frequency hysteretic loop，thus reduces the charge/discharge times.Considering the dual constraints from battery lifetime and the supercapacitor capacity comprehensively，ControlⅡcoor?dinates the charge/discharge priorities of battery and supercapacitor to achieve an optimal control of different energy storage devices in the HESS．Finally，a Benchmark low voltage AMG is established in DIgSILWNT as test system，and the simulation result verifies the effectiveness of the proposed control strategy．

autonomous microgrid（AMG）；frequency control；frequency hysteretic loop；hybrid energy storage system（HESS）；optimal control

TM732；TM734

A

1003-8930（2016）11-0050-08

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.11.009

2015-02-09；

2016-05-06

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2015AA050403）；國家電網(wǎng)科技項(xiàng)目分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)及調(diào)度運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)研究與示范工程資助項(xiàng)目;天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（15JCQNJC43500）

戚 艷（1986—），女，博士，工程師，研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)及其儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用及優(yōu)化控制。Email：qiyan_fly@163.com

穆云飛（1984—），男，博士，講師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全性穩(wěn)定性分析及微電網(wǎng)等。Email：yunfeimu@tju.edu.cn

賈宏杰（1973—），男，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全性和穩(wěn)定性分析、配電網(wǎng)規(guī)劃和智能電網(wǎng)等。Email：hjj?ia@tju.edu.cn