基于蓄電池儲(chǔ)能的直流微網(wǎng)慣性控制

任亞釗 于 明

(1.國網(wǎng)電動(dòng)汽車服務(wù)有限公司；2.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院)

基于蓄電池儲(chǔ)能的直流微網(wǎng)慣性控制

任亞釗1于 明2

(1.國網(wǎng)電動(dòng)汽車服務(wù)有限公司；2.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院)

為提高直流微網(wǎng)抗干擾能力，改善系統(tǒng)暫態(tài)運(yùn)行特性，提出了一種基于自適應(yīng)下垂系數(shù)的儲(chǔ)能變流器慣性控制方法。基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)對所提方法進(jìn)行了對比仿真分析，結(jié)果表明：在該控制策略下，直流微網(wǎng)具有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力，儲(chǔ)能單元能夠及時(shí)進(jìn)行功率補(bǔ)給避免了負(fù)荷減載，系統(tǒng)供電可靠性和運(yùn)行穩(wěn)定性得到了提高。

慣性控制 直流微網(wǎng) 蓄電池儲(chǔ)能 自適應(yīng)下垂系數(shù)

近年來，微網(wǎng)的提出增加了分布式能源消納的靈活性與穩(wěn)定性。在各種形式的微網(wǎng)中，基于電力電子變流器并網(wǎng)的直流微網(wǎng)，因其高效性、靈活性及不存在交流系統(tǒng)頻率與功角穩(wěn)定性等問題而備受關(guān)注[1]。盡管儲(chǔ)能元件的配置在一定程度上能夠降低新能源波動(dòng)性對系統(tǒng)的不利影響，然而對于本身為小慣性系統(tǒng)的直流微網(wǎng)而言，擾動(dòng)下功率和直流電壓的波動(dòng)不可避免。因此，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，滿足負(fù)荷對高質(zhì)量電能的需求成為亟待解決的問題。

目前，許多學(xué)者圍繞微網(wǎng)中儲(chǔ)能單元控制方案的選取開展了大量研究[2,3]，如采用基于直流電壓偏差的比例積分控制方法進(jìn)行儲(chǔ)能電流調(diào)節(jié)，但難以避免調(diào)節(jié)的滯后性。而對提高系統(tǒng)慣性方法的研究僅限于通過超級電容來增加等效慣性，缺乏對系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的考量[4,5]。因此，筆者通過改進(jìn)微網(wǎng)中的儲(chǔ)能單元控制方案，將反映系統(tǒng)功率狀態(tài)的直流電壓變化趨勢引入儲(chǔ)能單元控制，使儲(chǔ)能系統(tǒng)具有對直流電壓快速響應(yīng)的特性，抑制系統(tǒng)擾動(dòng)，達(dá)到提高微網(wǎng)慣性和運(yùn)行穩(wěn)定性的目的。

1 直流微網(wǎng)基本控制方法

1.1 典型結(jié)構(gòu)

圖1為直流微網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)——簡單的輻射型拓?fù)洹Ｆ渲?，分布式電源采用永磁風(fēng)電機(jī)組，通過相應(yīng)的變流器W-VSC并入直流網(wǎng)絡(luò)，為系統(tǒng)提供綠色能源。采用能量密度較大的蓄電池作為儲(chǔ)能元件，經(jīng)變流器Bi-DC與直流側(cè)進(jìn)行雙向能量交換，達(dá)到平抑功率波動(dòng)的目的。并網(wǎng)單元通過變流器G-VSC與主網(wǎng)間實(shí)現(xiàn)能量雙向傳輸，在系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，既能消納直流側(cè)富余功率，又能補(bǔ)充微網(wǎng)能量缺口。此外，系統(tǒng)中交流與直流負(fù)荷分別通過變流器L-VSC和L-DC實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。圖1中，PWTi、PB、PG、PDC_L、PAC_L分別表示第i(i=1，…，n)個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率、儲(chǔ)能單元輸出功率、交流電網(wǎng)提供功率、系統(tǒng)內(nèi)直流負(fù)荷和交流負(fù)荷；Udc_WTi、Udc_B、Udc_G、Udc_L1、Udc_L2分別表示第i個(gè)風(fēng)電單元直流側(cè)電壓、儲(chǔ)能、并網(wǎng)單元直流側(cè)電壓、直流負(fù)荷與交流負(fù)荷直流側(cè)電壓。

1.2 基于直流電壓的微網(wǎng)分散控制方法

直流微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制方法一般分為集中控制、分散控制與分布式控制3種。集中控制通過中央控制器和通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜控制目標(biāo)，使系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、高效。但多種目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)影響了該方法的實(shí)時(shí)性，且單點(diǎn)通信故障會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)崩潰。分布式控制在通信延時(shí)和存在測量誤差的狀態(tài)下，系統(tǒng)穩(wěn)定裕度、收斂速度等性能較差。由于基于直流電壓的分散控制方法簡單高效、易于功率協(xié)調(diào)控制且具備即插即用的特性，因而在微網(wǎng)控制中應(yīng)用廣泛。

圖1 直流微網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)

在分散控制方法中，各單元依據(jù)直流電壓數(shù)值確定相應(yīng)控制模式。在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)直流電壓偏離額定值小于設(shè)定切換閾值時(shí)，由交流主網(wǎng)通過并網(wǎng)變流器維持微網(wǎng)功率平衡；當(dāng)聯(lián)網(wǎng)變流器輸出到達(dá)極限值或系統(tǒng)故障導(dǎo)致輸出功率受限時(shí)，聯(lián)網(wǎng)單元輸出功率為固定值，儲(chǔ)能單元切換至直流電壓控制模式以維持電壓穩(wěn)定；當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率較大而系統(tǒng)輕載時(shí)，將導(dǎo)致直流電壓抬升至高限切換閾值，此時(shí)需對風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行降功率控制；而當(dāng)系統(tǒng)功率嚴(yán)重缺失、直流電壓下降至低限切換閾值時(shí)，為保障重要負(fù)荷供電不中斷，需按照預(yù)設(shè)優(yōu)先級對負(fù)荷進(jìn)行減載調(diào)節(jié)以穩(wěn)定系統(tǒng)直流電壓。圖2為基于直流電壓的微網(wǎng)分散協(xié)調(diào)控制曲線[1]。

圖2 基于直流電壓的微網(wǎng)分散協(xié)調(diào)控制曲線

然而在分散控制方法中，控制模式切換閾值的選取會(huì)對系統(tǒng)的控制性能產(chǎn)生較大影響。較大的切換閾值帶寬會(huì)降低系統(tǒng)控制精度，造成直流電壓偏差增大；而較小的切換閾值間隔則有可能導(dǎo)致系統(tǒng)模式頻繁切換，引起直流電壓波動(dòng)。提高系統(tǒng)等效慣性是降低直流電壓偏差、抑制功率波動(dòng)的有效方法。對于本質(zhì)小慣性的直流微網(wǎng)系統(tǒng)，既可以采用超級電容器為系統(tǒng)提供快速功率支撐，也可以采用控制手段增加系統(tǒng)等效慣性。相比之下，前者經(jīng)濟(jì)性較差，因此，對儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略進(jìn)行改進(jìn)以提高系統(tǒng)慣性、降低系統(tǒng)功率波動(dòng)不失為一種兩全的方法。

2 儲(chǔ)能變流器控制方法

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

直流微網(wǎng)中，雙向儲(chǔ)能變流器Bi-DC采用圖3所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可工作于Boost模式或Buck模式，開關(guān)V1與V2互補(bǔ)運(yùn)行。當(dāng)直流微網(wǎng)存在功率缺口且無法完全依靠聯(lián)網(wǎng)單元得到補(bǔ)充時(shí)，直流微網(wǎng)電壓降低至相應(yīng)控制模式切換閾值，儲(chǔ)能單元向系統(tǒng)釋放功率，維持直流側(cè)功率平衡，雙向變流器Bi-DC處于Boost工作模式；反之，當(dāng)系統(tǒng)功率富余時(shí)，儲(chǔ)能單元將暫存多余功率，儲(chǔ)能變流器切換至Buck運(yùn)行模式[6]。

圖3 雙向儲(chǔ)能變流器Bi-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 基本控制方法

如圖4所示，當(dāng)雙向儲(chǔ)能變流器Bi-DC工作于Boost模式時(shí)， V1一直維持截止?fàn)顟B(tài)。假設(shè)變流器開關(guān)周期為Ts，在開關(guān)V2導(dǎo)通期間(Ton)，蓄電池經(jīng)V2構(gòu)成回路將能量存儲(chǔ)于電感L中；而V2關(guān)斷期間(Toff)，L中存儲(chǔ)的電磁能經(jīng)二極管D1饋送至直流側(cè)。因此，直流側(cè)電壓可通過調(diào)節(jié)開關(guān)V2的占空比DBoost與相應(yīng)工作周期來控制。

圖4 Boost工作模式

當(dāng)變流器處于Boost工作模式時(shí)，開關(guān)管V2導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)的回路方程為：

(1)

由于Ton=DBoostTs，Toff=(1-DBoost)Ts，則可以得到單個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電壓平均值方程：

(2)

式中UBat、iBat——蓄電池電壓、電流；

Udc_B——儲(chǔ)能變流器直流母線電壓。

由式(2)可知，當(dāng)變流器工作在Boost模式時(shí)，通過調(diào)節(jié)占空比DBoost即可對蓄電池的放電電流進(jìn)行控制，從而維持直流電壓穩(wěn)定。占空比DBoost的計(jì)算式為：

(3)

當(dāng)儲(chǔ)能變流器處于放電工況時(shí)，其控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中，外環(huán)為直流電壓控制，實(shí)現(xiàn)直流電壓跟蹤反饋調(diào)節(jié)；內(nèi)環(huán)為電流控制，采用比例積分調(diào)節(jié)以消除電流穩(wěn)態(tài)誤差，且其參考值由外環(huán)輸出給定。

圖5 蓄電池放電時(shí)儲(chǔ)能變流器的控制結(jié)構(gòu)

如圖6所示，當(dāng)雙向儲(chǔ)能變流器Bi-DC工作于Buck模式時(shí)，V2一直維持截止?fàn)顟B(tài)。在開關(guān)V1導(dǎo)通期間(Ton)，蓄電池兩端電壓低于直流電壓Udc_B，微網(wǎng)富余功率經(jīng)電感L對蓄電池充電；在V1關(guān)斷期間(Toff)，L存儲(chǔ)的電磁能通過二極管D2續(xù)流，對蓄電池繼續(xù)充電。因此，調(diào)節(jié)開關(guān)V1的占空比DBuck與工作周期便可以控制充電電流，進(jìn)而調(diào)節(jié)直流電壓。

圖6 Buck工作模式

當(dāng)變流器處于Buck工作模式時(shí)，開關(guān)管V1導(dǎo)通和關(guān)斷期間的回路方程為：

(4)

由于Ton=DBuckTs，Toff=(1-DBuck)Ts，則可以得到單個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電壓平均值方程：

(5)

由式(5)可知，通過調(diào)整占空比DBuck即可實(shí)現(xiàn)蓄電池充電電流的調(diào)節(jié)。占空比DBuck的計(jì)算式為：

(6)

當(dāng)儲(chǔ)能變流器Bi-DC運(yùn)行于Buck模式時(shí)，仍采用雙閉環(huán)控制，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 蓄電池充電時(shí)儲(chǔ)能變流器的控制結(jié)構(gòu)

2.3 改進(jìn)的慣性控制方法

在直流微網(wǎng)中，系統(tǒng)快速功率擾動(dòng)直接表現(xiàn)為直流母線電壓的快速變化。上述控制方法中外環(huán)采用固定的下垂系數(shù)，控制響應(yīng)無法反映系統(tǒng)功率狀態(tài)，導(dǎo)致控制相對滯后，直流電壓調(diào)節(jié)效果不佳。直流電壓Udc_B的計(jì)算式為：

(7)

式中ki——下垂系數(shù)；

為使儲(chǔ)能單元對微網(wǎng)擾動(dòng)做出快速響應(yīng)，對系統(tǒng)提供慣性支撐，以保持直流電壓穩(wěn)定，筆者提出了微網(wǎng)儲(chǔ)能慣性控制策略。在該控制策略中，將儲(chǔ)能單元變流器的下垂系數(shù)ki與直流電壓變化率進(jìn)行關(guān)聯(lián)。當(dāng)直流電壓變化率大于設(shè)定參考閾值，即系統(tǒng)受到快速功率擾動(dòng)時(shí)，采用自適應(yīng)下垂系數(shù)，以增強(qiáng)儲(chǔ)能單元響應(yīng)速率，快速調(diào)整直流電壓，為系統(tǒng)提供慣性支撐。自適應(yīng)下垂系數(shù)的計(jì)算式為：

(8)

其中，kn_i為變流器固定下垂系數(shù)，m1、m2為與變流器額定容量、最大允許偏差等有關(guān)的常量。由式(8)可知，當(dāng)系統(tǒng)電壓變化率大于設(shè)定參考閾值C時(shí)，下垂系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。m1可由下式求得：

(9)

(10)

其中，ki_min為最小下垂系數(shù)；ΔUdci為儲(chǔ)能變流單元最大電流(ΔIi_max)所對應(yīng)的電壓變化量，用于設(shè)置變流單元出口直流電壓偏差允許值。由式(9)可知，m1的值取決于電壓變化速率最大值|dUdc/dt|max和代表變流單元輸出能力的ki_min。

當(dāng)采用筆者所提出的自適應(yīng)下垂系數(shù)慣性控制方法時(shí)，儲(chǔ)能單元內(nèi)環(huán)電流參考值的生成如圖8所示。其中，Cj表示第j個(gè)變流單元的直流電壓變化參考閾值。當(dāng)微網(wǎng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)電壓平穩(wěn)且其變化率未達(dá)到設(shè)定參考閾值，經(jīng)比較器運(yùn)算輸出數(shù)值0，即采用預(yù)設(shè)固定下垂系數(shù)；而當(dāng)較大系統(tǒng)擾動(dòng)引起快速電壓變化，且大于設(shè)定參考閾值時(shí)，比較器切換輸出至1，變流單元下垂系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，迅速調(diào)節(jié)功率輸出，避免直流電壓擾動(dòng)，為系統(tǒng)提供慣性支撐。隨著擾動(dòng)的減小，變流單元慣性響應(yīng)能力隨著m1的減小而減弱。

圖8 自適應(yīng)慣性下垂控制方法原理

3 仿真分析

3.1 仿真系統(tǒng)

為驗(yàn)證筆者所提出的儲(chǔ)能單元慣性控制方法對系統(tǒng)的功率支撐作用，基于Matlab/Simulink仿真系統(tǒng)建立了含蓄電池儲(chǔ)能的新能源直流微網(wǎng)仿真模型，其參數(shù)如下：

風(fēng)電單元額定容量PWN50kW

聯(lián)網(wǎng)單元額定容量PGN50kW

儲(chǔ)能單元額定容量PBN50kW

直流母線額定電壓UdcN400V

電網(wǎng)頻率f50Hz

采樣時(shí)間Tsp50μs

在交流主網(wǎng)故障、聯(lián)網(wǎng)變流器限流運(yùn)行的情況下，對比分析采用傳統(tǒng)固定下垂系數(shù)與調(diào)節(jié)慣性的自適應(yīng)下垂系數(shù)時(shí)，儲(chǔ)能變流器的運(yùn)行輸出特性和對直流電壓的調(diào)節(jié)效果。

3.2 暫時(shí)性孤島工況仿真分析

仿真前5s，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行工況，風(fēng)電單元、蓄電池儲(chǔ)能單元和交流電網(wǎng)向微網(wǎng)輸出功率，保障負(fù)荷平穩(wěn)供電。仿真第5s，交流側(cè)發(fā)生故障致使聯(lián)網(wǎng)變流器進(jìn)行閉鎖控制，直流微網(wǎng)暫時(shí)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)。

暫時(shí)孤島運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)仿真特性如圖9所示，可以看出，當(dāng)不采用自適應(yīng)下垂系數(shù)的慣性控制策略時(shí)，由于微網(wǎng)突陷孤島運(yùn)行模式，功率驟降，儲(chǔ)能單元無法實(shí)現(xiàn)快速功率補(bǔ)給，導(dǎo)致直流電壓迅速降低至368V。該電壓數(shù)值已達(dá)到微網(wǎng)控制模式切換閾值，按照系統(tǒng)分散控制原理，系統(tǒng)將對非重要負(fù)荷進(jìn)行減載，直至電壓重新提升至反向電壓參考閾值。而采用筆者所提出的控制策略時(shí)，在系統(tǒng)功率突降瞬間，較大的直流電壓變化率觸發(fā)慣性控制單元，儲(chǔ)能變流器采用與直流電壓變化相適應(yīng)的下垂系數(shù)，在原功率輸出的基礎(chǔ)上增加了慣性功率輸出，及時(shí)補(bǔ)償了系統(tǒng)功率缺口，因而減小了直流電壓的擾動(dòng)，使之維持在380V左右，避免了甩負(fù)荷工況的發(fā)生，保障了供電的可靠性，提升了微網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖9 暫時(shí)孤島運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)仿真特性

4 結(jié)束語

筆者提出了一種直流微網(wǎng)蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)慣性控制策略。在該控制策略中，儲(chǔ)能單元變流器下垂系數(shù)不再為固定值，而是與直流電壓擾動(dòng)相適應(yīng)的可變參數(shù)。由于改進(jìn)的下垂系統(tǒng)能夠間接反映系統(tǒng)功率擾動(dòng)狀態(tài)，為微網(wǎng)提供及時(shí)高效的功率補(bǔ)給，因而避免了直流電壓的大幅變動(dòng)，提高了系統(tǒng)的有效慣性。通過Matlab仿真分析驗(yàn)證了所提控制策略的有效性，在系統(tǒng)暫時(shí)孤島運(yùn)行時(shí)，該控制策略能夠?yàn)橹绷麟妷禾峁T性支撐，避免了負(fù)荷減載運(yùn)行，保障了直流系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性。

[1] 王毅,于明,李永剛.基于模型預(yù)測控制方法的風(fēng)電直流微網(wǎng)集散控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2016,31(21):57～66.

[2] Ahmadi R,Ferdowsi M.Improving the Performance of a Line Regulating Converter in a Converter-Dominated DC Microgrid System[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2014,5(5):2553～2563.

[3] Majumder R.Some Aspects of Stability in Microgrids[J].IEEE Transactions on Power Systems,2013,28(3):3243～3252.

[4] Braid J.Conceptual Design of a Liquid-Based Variable Inertia Flywheel for Microgrid Applications[C].IEEE International Energy Conference.Piscataway,NJ:IEEE,2014:1291～1296.

[5] Inthamoussou F A,Pegueroles-Queralt J,Bianchi F D.Control of a Supercapacitor Energy Storage System for Microgrid Applications[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2013,28(3):690～697.

[6] 張麗榮.風(fēng)電直流微網(wǎng)的控制與保護(hù)技術(shù)研究[D].北京:華北電力大學(xué),2015.

InertiaControlofDCMicrogridBasedonBatteryEnergyStorage

REN Ya-zhao1, YU Ming2
(1.StateGridElectricVehicleServiceCo.,Ltd.; 2.CollegeofEngineering,BeijingUniversityofForestry)

In order to enhance DC microgrid’s anti-interference ability and improve transient operation characteristics of the system, an inertia control method for the energy storage converter based on adaptive droop coefficient was proposed. Having Matlab/Simulink simulation platform based to compare and analyze the method proposed shows that, under the proposed control strategy, the DC microgrid has strong anti-disturbance ability and the energy storage unit supplies the power timely and the system’s service ability and operation stability can be improved.

inertia control, DC microgrid, battery storage, adaptive droop coefficient

TH862+.78

A

1000-3932(2017)07-0656-06

2017-02-24，

2017-05-16)

任亞釗(1986-)，工程師，從事新能源電動(dòng)汽車的相關(guān)工作。

聯(lián)系人于明(1987-)，博士研究生，從事新能源并網(wǎng)和直流微網(wǎng)的相關(guān)工作，ming_yu1987@163.com。