基于混合儲能的離網(wǎng)型雙饋微電網(wǎng)系統(tǒng)控制策略研究

陳柳

摘 要：采取混合儲能裝置通過雙向DC/DC變換器與直流母線相連的方式，根據(jù)儲能系統(tǒng)自身特性，設(shè)計(jì)基于高通濾波的功率分配方案，據(jù)此設(shè)計(jì)混合儲能系統(tǒng)的雙向DC/DC變換器控制策略。通過 Matlab/Simulik仿真驗(yàn)證系統(tǒng)滿足電壓幅值、頻率要求，提高風(fēng)能利用率。

關(guān)鍵詞：混合儲能；離網(wǎng)型雙饋；電網(wǎng)；控制

中圖分類號：TB文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.20.099

1 引言

本文以海島、島礁等偏遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用分布式能源很廣泛的離網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)作為研究對象。研究加入混合儲能裝置的離網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、能量分配方案和控制方法。根據(jù)蓄電池和超級電容的儲能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電的能量分配方案；基于蓄電池用于吸收多余能量或者用于釋放不足能量，超級電容用于緩解風(fēng)能對負(fù)荷的沖擊功率的原則，對蓄電池設(shè)計(jì)了基于雙向 DC/DC 變換器的“功率外環(huán)+電流內(nèi)環(huán)”的雙閉環(huán)控制，達(dá)到使系統(tǒng)最大功率獲取的目的；對超級電容設(shè)計(jì)了基于雙向 DC/DC 變換器的“直流電壓外環(huán)+電流內(nèi)環(huán)”的雙閉環(huán)控制，達(dá)到吸收高頻功率，并配合定子側(cè)變換器控制直流母線電壓。

2 帶有混合儲能裝置的離網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

離網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)需為負(fù)載提供頻率和幅值穩(wěn)定的三相正弦電壓，由于風(fēng)速、風(fēng)向不能保持恒定，需對該系統(tǒng)進(jìn)行功率控制，進(jìn)而保證供電、用電系統(tǒng)的功率平衡。

2.1 含混合儲能的風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)基于蓄電池和超級電容混合儲能裝置的離網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。用雙向DC/DC電路將蓄電池和超級電容與直流母線連接，避免蓄電器直接地和直流母線相連時(shí)對蓄電池造成電流沖擊，比著蓄電池直接和直流母線相連的方式，該方案蓄電池配置不受直流母線電壓大小的約束，同時(shí)降低配置蓄電池容量，擴(kuò)大其適用范圍。

2.2 系統(tǒng)建模

針對雙向DC/DC變換器而言，將電流可以雙向流動的非隔型Buck/Boost升降壓型電路，功率開關(guān)管S1/S2分別于對應(yīng)的二極管D1/D2組成Buck電路和Boost電路，控制切換S1/S2改變電流方向，進(jìn)而控制儲能裝置充電、供電狀態(tài)。

3 系統(tǒng)能量管理方案及控制策略

3.1 蓄電池、超級電容容量配置

假設(shè)蓄電池為負(fù)載提供30%的功率，考慮轉(zhuǎn)換器額定功率，則其最大功率輸出（Pb）max應(yīng)小于雙PWM變換器額定功率。風(fēng)機(jī)發(fā)電狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)功率Pr，定子側(cè)功率Ps和額定功率Pbase滿足：Pr=-sPs<-sPbase，Smax是最大轉(zhuǎn)差率，雙PWM變換器額定功率接近略大于Pr。當(dāng)風(fēng)速小負(fù)載較大時(shí)，假如蓄電池能向系統(tǒng)出力時(shí)間tb為30min，則蓄電池容量（Ah）rate：

式中：k是蓄電池充放電電流分?jǐn)?shù)。

考慮超級電容器最壞的情況，即當(dāng)風(fēng)瞬時(shí)中斷情況下超級電容需向負(fù)載供電時(shí)間tc，負(fù)載功率取雙PWM變換器達(dá)到額定的功率，取tc=10s。則超級電容的電容值Csup：

3.2 混合儲能能量控制策略

依據(jù)儲能裝置自身特性，設(shè)計(jì)能量分配方案，使儲能單元分別吸收或者釋放不同頻率的電功率，避免蓄電池深度放電和存在紋波電流，提高蓄電池使用壽命。當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)電的最理想功率的（PW）opt大于負(fù)載功率PL時(shí)，混合儲能裝置吸收多余的功率（PW）opt-PL，一旦混合儲能裝置達(dá)到極限（即超級電容兩端的電壓達(dá)到最大工作電壓（VSC）max，蓄電池達(dá)到最大功率（Pb）max，備用負(fù)載開始啟動吸收多余的功率，如果備用負(fù)載功率Pd達(dá)到最大值（Pd）max，可以通過調(diào)節(jié)槳距角大小降低風(fēng)機(jī)發(fā)電功率PW的輸出，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)輸出、需求功率的平衡關(guān)系。當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)電最理想功率（PW）opt小于負(fù)載功率PL時(shí)，混合儲能裝置放電，提供不足的功率PL-（PW）opt，若混合儲能釋放功率不足，則需要卸掉部分負(fù)載。

3.3 混合儲能控制方法

蓄電池和超級電容充電方式不同，前者采用恒壓限流充電，后者采用恒流限壓充電，因此有必要對其分別設(shè)計(jì)充電控制方法。

3.3.1 蓄電池雙向DC/DC控制

蓄電池吸收或釋放低頻功率，當(dāng)（Pb）ref為正值時(shí)，為蓄電池應(yīng)當(dāng)吸收功率，當(dāng)（Pb）ref為負(fù)值時(shí)，為蓄電池應(yīng)當(dāng)釋放功率的絕對值。蓄電池充放電過程采用電流控制法，由（Pb）ref與蓄電池兩端電壓Ub的比值得出吸收或者釋放該功率時(shí)蓄電池電流的參考值（ib）ref，其與實(shí)際輸出電流iL差值由PI控制器輸出PWM電路參考信號，產(chǎn)生開關(guān)脈沖信號，使iL快速跟蹤（ib）ref，提高蓄電池動作的快速性。PWM信號與（Pb）ref值有關(guān)，當(dāng)（Pb）ref>0時(shí)，S2截止S1導(dǎo)通，使雙向DC/DC電路處于buck電路模式，使蓄電池充電；當(dāng)（Pb）ref<0時(shí)，S1截止S2導(dǎo)通，使雙向DC/DC電路處于boost電路模式，使蓄電池釋放不足的負(fù)載功率。

3.3.2 超級電容雙向DC/DC控制

對超級電容采用電壓控制方法，即“電壓外環(huán)+電流內(nèi)環(huán)”組成雙閉環(huán)控制控制雙向DC/DC電路。提高超級電吸收或者釋放高頻功率速度，保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。

4 仿真與分析

通過Matlab/Simulink仿真平臺搭建帶有混合儲能裝置的離網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，其結(jié)果為基于混合儲能裝置的雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)輸出電壓、直流母線電壓和風(fēng)能利用系數(shù)波形圖。

如圖1所示：風(fēng)速/負(fù)荷突變情況下，Udc出現(xiàn)較大偏離；看出其值偏離額定值時(shí)，超級電容通過快速的充放電過程，快速使其達(dá)到額定值。由于定子側(cè)和超級電容共同控制作用使Udc偏離在額定值的±10%左右，滿足控制要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)一種混合儲能裝置通過雙向DC/DC變換器與直流母線相連的離網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)儲能系統(tǒng)自身特性，設(shè)計(jì)一種基于高通濾波的功率分配方案，在能量管理策略的基礎(chǔ)上分別設(shè)計(jì)蓄電池和超級電容的雙向DC/DC變換器的控制策略。驗(yàn)證帶有混合儲能裝置的離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠滿足電壓幅值和頻率的條件要求，最大限度的利用風(fēng)能。

參考文獻(xiàn)

[1]European Commission. A policy framework for climate and energy in theperiod from 2020 to 2030[R]. Technical report， Eurpean Union； 2014.

[2]BBC News Business. Power shortage risks by 2015， Ofgem warns[Z]. 2012.

[3]Mayor K， Mokkas S. Electricity capacity assessment[R]. Technical report， Office of Gas and Electricity Markets （Ofgem）； 2012.endprint