海島直流微網(wǎng)復合儲能系統(tǒng)控制策略設(shè)計與實現(xiàn)

顧煜炯，謝 典，和學豪，趙興安，耿 直，余裕璞

(華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206)

0 引言

我國海岸線綿長，島嶼眾多，其中面積大于500 m2的海島有6500多個，并且常駐居民島嶼多達400個，其周圍海域海洋資源十分豐富[1]。但這些海島大多是遠離大陸的偏遠海島，若完全依靠與大陸主網(wǎng)互聯(lián)的形式為海島提供可靠的供電質(zhì)量，在技術(shù)和經(jīng)濟上均難以實現(xiàn)[2]。因此，合理、有效地利用可再生能源發(fā)電，對解決海島供電問題具有顯著的實際意義。在海島上建設(shè)由波浪能、潮流能和儲能等多種分布式電源組成的微網(wǎng)系統(tǒng)，為海島發(fā)展提供綠色電力，成為了目前海島供電的新思路[3]。

波浪能和潮流能發(fā)電的輸出功率依賴于氣候條件，具有很大的間歇性及不可控性，供電質(zhì)量難以滿足用戶需求。為了平抑直流母線電壓的波動、提升微網(wǎng)系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和可靠性，必須添加相應(yīng)的儲能設(shè)施[4]。然而，單一的儲能單元無法完全滿足海島發(fā)電微源的波動性。因此，復合儲能的充放電控制策略在近年來成為直流微網(wǎng)系統(tǒng)的研究熱點[5-9]。

本文以擬建的300kW海洋能集成供電系統(tǒng)為例，以最大化微網(wǎng)系統(tǒng)的可再生能源滲透率為目標，充分考慮各類儲能的充放電特性、適用范圍及成本預算，探討了適用于海島直流微網(wǎng)系統(tǒng)的復合儲能系統(tǒng)的選型、拓撲結(jié)構(gòu)及協(xié)調(diào)控制等問題[10-12]。設(shè)計了一種以蓄電池和超級電容為復合儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略。該控制策略以直流母線電壓為判別依據(jù)，控制儲能單元的工作模式及模式切換，最終通過搭建300kW集成供電系統(tǒng)實驗平臺，驗證了該協(xié)調(diào)控制策略的有效性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究基于“300kW海洋能集成供電示范系統(tǒng)”(863計劃)項目開展，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該直流微網(wǎng)系統(tǒng)由海上發(fā)電廠、儲能單元、電能變換和傳輸及終端負載四部分組成。其中發(fā)電端為2臺100kW的波浪能裝置和1臺100kW的潮流能發(fā)電裝置，其輸出的電能經(jīng)海底電纜輸送上岸后，再經(jīng)AC/DC、DC/DC變換器并入直流母線；儲能單元各自通過雙向DC/DC變換器并入母線，最終統(tǒng)一經(jīng)DC/AC變換器逆變后，為終端負載供電。

圖1 集成供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of integrated power supply system

圖1中，波浪能、潮流能的額定功率為100kW，通過DC/DC斬波電路實現(xiàn)發(fā)電機P-V曲線跟蹤控制，以保證前端最大功率輸出；儲能單元通過雙向DC/DC變換器實現(xiàn)恒壓充放電控制，支撐母線電壓穩(wěn)定，其中蓄電池額定容量為200kW·h，超級電容功率為50kW；逆變器則通過V-f控制，給負載提供穩(wěn)定的交流電，與發(fā)電端一樣，不參與母線電壓的調(diào)節(jié)。

2 復合儲能拓撲結(jié)構(gòu)

在直流微網(wǎng)系統(tǒng)中，儲能單元主要用于實現(xiàn)平抑母線功率波動、支撐母線電壓的功能，因此通常和發(fā)電單元共同并聯(lián)在直流母線上[13]。目前，直流微網(wǎng)中應(yīng)用較多的復合儲能拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過調(diào)節(jié)直流母線電壓進行系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)，這在控制上比較簡單[14-15]。

圖2 復合儲能拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 Topology structure of hybrid energy storage

圖2(a)中蓄電池直接并聯(lián)在母線上，超級電容通過DC/DC變換器并聯(lián)在蓄電池上。該拓撲結(jié)構(gòu)中超級電容的功率受控，超級電容根據(jù)蓄電池端的電壓變化進行大功率充放電，從而避免蓄電池的端電壓大幅波動，最終實現(xiàn)超級電容能量的充分利用；但蓄電池的充放電功率是不受控的，母線電壓在很大程度上取決于蓄電池的端電壓，且無法優(yōu)化蓄電池的充放電過程，電池壽命周期大幅縮短；由于蓄電池的端電壓必須與母線電壓等級匹配，因此在高壓微網(wǎng)系統(tǒng)中蓄電池的串聯(lián)組數(shù)往往高達上百組，造成鉛酸電池的單體電壓不均衡問題比較嚴重，使系統(tǒng)運行條件受到限制。

圖2(b)中超級電容直接并聯(lián)在母線上，蓄電池通過DC/DC變換器并聯(lián)在超級電容上。該拓撲結(jié)構(gòu)中蓄電池的功率受控，可通過蓄電池充放電電流的優(yōu)化控制，延長蓄電池組的使用壽命；目前，隨著超級電容均壓技術(shù)的發(fā)展，雖然不存在嚴重的單體電壓不均衡問題，但作為功率型儲能單元，其只能進行短時充放電，易造成超級電容頻繁啟停的現(xiàn)象，從而縮短超級電容的使用壽命。

圖2(c)中蓄電池和超級電容分別通過各自的DC/DC變換器并聯(lián)在直流母線上。由于DC/DC變換器具備變流、升降壓的功能，在滿足系統(tǒng)儲能容量和充放電功率的前提下，蓄電池和超級電容的工作端電壓都可以配制得相對較低；通過DC/DC變換器，借助相應(yīng)的控制策略，可以優(yōu)化蓄電池和超級電容的充放電過程，從而兼顧利用超級電容瞬時大功率放電和蓄電池大容量存儲的特性；此外，通過制定合理的協(xié)調(diào)控制策略，兩者不僅可以維持母線電壓恒定，還可以避免超級電容頻繁啟停的現(xiàn)象，并降低蓄電池的配置容量。

由于本文系統(tǒng)中采用的100kW永磁發(fā)電機的輸出電壓范圍為0～690 V AC，為了提高系統(tǒng)的能量利用效率，母線額定電壓最終設(shè)定為Ue=600V。若采用蓄電池或超級電容直接并網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)，一方面無法實現(xiàn)蓄電池和超級電容的最優(yōu)控制，降低儲能系統(tǒng)的使用壽命；另一方面因母線電壓等級較高，儲能容量配置增大，造成成本提升。因此，本系統(tǒng)最終選擇圖2(c)所示的復合儲能拓撲結(jié)構(gòu)。

3 復合儲能控制策略

3.1 蓄電池控制策略

蓄電池通過一個半橋雙向DC/DC變換電路與直流母線連接，當蓄電池放電時，變換器工作在Boost模式，向直流母線供電；當蓄電池充電時，變換器工作在Buck模式，吸收母線側(cè)多余的電能。離網(wǎng)模式下，蓄電池的控制目標是調(diào)整直流母線電壓，維持整個微網(wǎng)內(nèi)部的功率平衡，因此蓄電池在放電和充電時均采用恒壓模式。本文設(shè)計采用電壓電流雙環(huán)控制實現(xiàn)蓄電池的恒壓放電和恒壓充電。

a. 蓄電池放電。

圖3 蓄電池恒壓放電控制算法Fig.3 Constant voltage control algorithm in discharging stage of battery

放電過程中，根據(jù)蓄電池的實際出力情況，恒壓放電模式又可分為恒壓限流模式和恒壓不限流模式，其控制算法如圖3所示。圖中，Udc和Udc_ref分別為直流母線電壓的實際值和參考值；Idis_max為蓄電池放電電流上限；Ib為蓄電池放電電流實際值；Idis_ref為蓄電池電壓外環(huán)得出的內(nèi)環(huán)蓄電池放電電流參考值；Dboost為蓄電池變換器在放電模式下的占空比信號。對于恒壓不限流模式而言，通過配合上層能量管理系統(tǒng)，在不影響電池壽命的前提下可短時間支撐輸入端的功率缺額，從而維持系統(tǒng)穩(wěn)定；若前端功率較長時間輸入較小，導致蓄電池放電較多時，則通過能量管理系統(tǒng)切除部分非重要負載，使功率平衡，直到前端發(fā)電系統(tǒng)提升使蓄電池電量得以補充再投入部分切除的負載。

b. 蓄電池充電。

考慮到波浪能瞬時出力的大幅波動，蓄電池在充電過程中會頻繁進行大電流充電且端電壓大幅抬升，若不加以限制易造成蓄電池的循環(huán)壽命降低，因此本文中蓄電池采用恒壓限流充電模式，其控制算法如圖4所示。圖4中，Ich_max為蓄電池充電電流上限；Ich_ref為蓄電池電壓外環(huán)得出的內(nèi)環(huán)蓄電池充電電流參考值；Dbuck為蓄電池變換器充電模式下的占空比信號。

圖4 蓄電池恒壓充電控制算法Fig.4 Constant voltage control algorithm in charging stage of battery

3.2 超級電容控制策略

同樣地，超級電容通過一個半橋雙向DC/DC變換電路與直流母線連接，通過自動充放電控制，與蓄電池共同維持母線電壓的穩(wěn)定。為了充分利用超級電容的瞬時大功率放電特性，加快超級電容的響應(yīng)速度，本文采用電壓單環(huán)控制實現(xiàn)超級電容的恒壓充/放電功能，其控制算法如圖5所示。圖5中，Dbuck/boost為超級電容變換器充/放電模式下的占空比信號。

圖5 超級電容恒壓充/放電控制算法Fig.5 Constant voltage control algorithm in charging/ discharging stages of super capacitor

3.3 協(xié)調(diào)控制策略

直流微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計的首要目標是維持母線電壓穩(wěn)定，如果母線電壓波動太大，變換器的控制性能將隨之變差，且對直流型負荷影響很大[16-18]。復合儲能系統(tǒng)中儲能單元自身的充放電模式選取以及兩者之間的協(xié)調(diào)控制，均取決于直流母線電壓。在單一儲能控制策略分析的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的基于母線電壓的復合儲能協(xié)調(diào)控制策略。

復合儲能系統(tǒng)工作模式及母線電壓示意圖如圖6所示，在不考慮儲能系統(tǒng)過充與過放的極端情況下，為了充分利用蓄電池和超級電容的輸出特性，減少超級電容的頻繁投切，本文將母線電壓用3個閾值分成5個工作區(qū)域。圖6中，UH1為母線電壓波動上限，UL2為母線電壓波動下限，其中UH1和UL1為超級電容啟動時母線電壓閾值。為了保障系統(tǒng)的供電質(zhì)量，本文設(shè)置相鄰工作模式的母線電壓相差10V，設(shè)定的3個閾值與母線額定電壓Udc_ref之間的關(guān)系如下：

UL2(580V)

圖6 復合儲能系統(tǒng)工作模式及母線電壓示意圖Fig.6 Operation modes of hybrid energy storage system with corresponding bus voltage levels

該協(xié)調(diào)控制策略下儲能系統(tǒng)工作于以下5種模式。

a. 限流充電模式：當發(fā)電端輸出功率增加，直流母線電壓超過額定值Udc_ref時，蓄電池變換器工作于Buck模式，通過恒壓限流充電的方式，將母線電壓穩(wěn)定至Udc_ref，功率由母線側(cè)流向儲能側(cè)的蓄電池，此時超級電容不投入工作。

b. 協(xié)調(diào)充電模式：當蓄電池充電電流達到上限值Imax、直流母線電壓超過上限值UH1時，超級電容投入工作，通過恒壓充電與蓄電池一起將母線電壓穩(wěn)定在UH1，功率由母線側(cè)流向儲能側(cè)的蓄電池和超級電容，此時儲能系統(tǒng)工作在協(xié)調(diào)充電模式；當發(fā)電端輸出功率降低、母線電壓低于UH1時，超級電容停止工作，系統(tǒng)恢復至限流充電模式。

c. 限流放電模式：當發(fā)電端輸出功率減小、直流母線電壓低于額定值Udc_ref時，蓄電池變換器工作于Boost模式，通過恒壓限流放電的方式，將母線電壓穩(wěn)定至Udc_ref，功率由儲能側(cè)的蓄電池流向母線側(cè)，此時超級電容不投入工作。

d. 協(xié)調(diào)放電模式：當蓄電池放電電流達到上限值Imax、直流母線電壓低于限定值UL1時，超級電容投入工作，通過恒壓放電和蓄電池一起將母線電壓穩(wěn)定在UL1，功率由儲能側(cè)的蓄電池和超級電容流向母線側(cè)，此時儲能系統(tǒng)工作在協(xié)調(diào)放電模式；當發(fā)電端輸出功率增大、母線電壓高于UL1時，超級電容停止工作，系統(tǒng)切換至限流放電模式。

e. 不限流放電模式：當超級電容因放電端電壓低于設(shè)定值而停止工作、直流母線電壓低于下限值UL2時，超級電容停止工作，儲能系統(tǒng)由協(xié)調(diào)放電模式切換至不限流放電模式，蓄電池通過恒壓不限流放電將母線電壓穩(wěn)定在UL2，功率由儲能側(cè)的蓄電池流向母線側(cè)；當發(fā)電端輸出功率增大、母線電壓高于UL1時，系統(tǒng)切換至限流放電模式。

4 實驗驗證

4.1 實驗參數(shù)

為了驗證本文設(shè)計的控制策略在實際工況下的有效性和可靠性，本文將復合儲能系統(tǒng)的控制策略在搭建的300kW海洋能實驗平臺上進行實驗論證。

若不考慮儲能裝置，母線電壓產(chǎn)生波動的根本原因是發(fā)電端的輸出功率和負荷功率不匹配。若發(fā)電端輸出功率大于負荷功率，則直流母線電壓上升；反之，則直流母線電壓下降。前文所述發(fā)電端的潮流能和波浪能均處于發(fā)電機功率曲線跟蹤模式，因此實驗中以交流模擬電源模擬發(fā)電端的輸出功率，通過改變負荷功率的大小，達到改變直流母線電壓的目的，從而驗證蓄電池和超級電容協(xié)調(diào)控制策略的有效性和可行性。

由于實驗過程中安裝的蓄電池容量僅為設(shè)計容量的一半(100kW·h)，出于安全考慮，本文實驗設(shè)定的直流母線額定電壓為Ue=540V；為了便于快速驗證控制策略的有效性，蓄電池限流模式下的充放電電流閾值設(shè)為Imax=10A，蓄電池恒壓不限流放電時的啟動電壓設(shè)定為520V；后備模式下的超級電容啟動電壓分別設(shè)定為550V(啟動充電模式)、530V(啟動放電模式)。

4.2 實驗方案設(shè)計

本文實驗設(shè)計了儲能系統(tǒng)充電和放電2種實驗方案，以驗證不同工況下所設(shè)計的復合儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略的合理性和有效性，2種實驗方案如下。

4.3 實驗結(jié)果分析

實驗過程中，借助基于MCGS編制的監(jiān)控系統(tǒng)，對包含母線、超級電容控制器、蓄電池控制器在內(nèi)的監(jiān)控對象的電壓、電流、功率等電氣參數(shù)進行記錄。2種實驗方案的參數(shù)波形圖如圖7、8所示。

(a) 直流母線電壓

(b) 蓄電池電流

(c) 超級電容功率圖7 實驗方案1參數(shù)波形圖Fig.7 Parameter waveforms of experimental scheme 1

(a) 直流母線電壓

(b) 蓄電池電流

(c) 超級電容功率圖8 實驗方案2參數(shù)波形圖Fig.8 Parameter waveforms of experimental scheme 2

從圖7實驗方案1的結(jié)果可知，系統(tǒng)初始狀態(tài)的發(fā)電功率等于負載功率(10kW)，儲能系統(tǒng)處于不工作狀態(tài)，母線電壓自身維持在額定值540V；在00:48∶01，負載功率突然減至5kW，蓄電池工作于限流充電模式，充電電流逐漸達到限流設(shè)定最大值(10A)， 并將母線電壓穩(wěn)定在550V；在00:49∶02，負載功率減小至0，蓄電池仍以最大限流值進行充電，超級電容開始投入工作，此時母線電壓依靠超級電容和蓄電池共同充電來維持母線電壓恒定為530V。

從圖8實驗方案2的結(jié)果可知，系統(tǒng)初始狀態(tài)的發(fā)電功率等于負載功率(10kW)，儲能系統(tǒng)處于不工作狀態(tài)，母線電壓自身維持在額定值540V；在00:57∶32，負載功率突增至15kW，蓄電池工作于限流放電模式，放電電流逐漸達到限流設(shè)定最大值(10A)， 并維持母線電壓穩(wěn)定在530V；在00:58∶43，負載功率跳變至20kW，蓄電池仍以最大限流值進行放電，超級電容開始投入工作，此時母線電壓依靠超級電容、蓄電池共同放電來維持530V恒定；在00:59∶02， 由于超級電容控制器拍停不工作(模擬超級電容完全放電的工況)，蓄電池由恒壓限流的工作模式轉(zhuǎn)變?yōu)椴幌蘖鞴ぷ髂Ｊ剑ㄟ^大電流放電(20A)， 將母線電壓維持在520V；在00:59∶14，超級電容開始投入工作，蓄電池由恒壓不限流模式轉(zhuǎn)變?yōu)橄蘖髂Ｊ?，超級電容配合蓄電池共同將母線電壓穩(wěn)定至530V；在00:59∶44，負載功率恢復至15kW， 超級電容停止工作，蓄電池以限流設(shè)定值進行放電，將母線電壓維持在530V；在01:00∶14，負載功率恢復至10kW，與發(fā)電端功率持平，蓄電池停止工作，母線電壓穩(wěn)定在額定值540V。

實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的復合儲能協(xié)調(diào)控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)復合儲能裝置根據(jù)母線電壓的變化進行充放電模式的自動切換，并有效、迅速地將母線電壓穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)，提高了海島微網(wǎng)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和供電可靠性。

5 結(jié)論

針對海島直流微網(wǎng)母線電壓因系統(tǒng)功率不平衡而大幅波動的問題，本文提出了一種適用于海島直流微網(wǎng)的復合儲能協(xié)調(diào)控制策略，通過300 kW海洋能集成供電系統(tǒng)實驗平臺的實驗驗證，表明該控制策略具備以下優(yōu)點：

a. 實現(xiàn)復合儲能系統(tǒng)依據(jù)直流母線電壓大小自動進行工作模式切換，系統(tǒng)無需其他上層或底層通信環(huán)節(jié)，響應(yīng)速度快，成本低；

b. 各工況下，充分利用蓄電池大容量存儲和超級電容大功率放電的特性，有效地維持直流母線電壓在設(shè)定范圍內(nèi)，降低蓄電池的配置容量，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性；

c. 以容量型儲能單元蓄電池作為儲能系統(tǒng)主要出力單元，避免超級電容頻繁投切的現(xiàn)象，提高了儲能系統(tǒng)的使用壽命，減少了儲能控制器不必要的開關(guān)動作造成的系統(tǒng)諧波。

綜上所述，該控制策略有效可行，不僅可以平抑系統(tǒng)內(nèi)部的功率波動，維持母線電壓穩(wěn)定，還提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和供電可靠性。

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