分布式電源的微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真

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(西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安 710021)

引 言

儲(chǔ)能技術(shù)作為智能電網(wǎng)“采發(fā)輸配用儲(chǔ)”六大環(huán)節(jié)之一，是智能電網(wǎng)建設(shè)重要的組成部分。由于儲(chǔ)能裝置具有靈活的充放電控制功能，電網(wǎng)特別是微網(wǎng)引入儲(chǔ)能環(huán)節(jié)后，可以很好地進(jìn)行需求側(cè)管理，不僅能更有效地利用電力設(shè)備降低供電成本，還可以有效抑制不穩(wěn)定微源產(chǎn)生的電壓波動(dòng)等問(wèn)題[2-3]。在微網(wǎng)中，新能源發(fā)電裝置具有非線性、間接性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，容易在微網(wǎng)中產(chǎn)生電壓波動(dòng)與閃變、電流畸變，但如今的復(fù)合儲(chǔ)能模式單一[5]，不能很好地解決現(xiàn)有的問(wèn)題，如受容量、控制策略復(fù)雜等原因限制[4]，電能質(zhì)量綜合治理的功能在儲(chǔ)能裝置或其它電力電子并網(wǎng)裝置是難以實(shí)現(xiàn)的。

近年來(lái)，儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展迅速，主要分為三類(lèi)：機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能。機(jī)械儲(chǔ)能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能，電化學(xué)儲(chǔ)能主要包括各種蓄電池儲(chǔ)能，電磁儲(chǔ)能主要有超級(jí)電容器儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能[6]。微電網(wǎng)對(duì)接入其中的儲(chǔ)能裝置的要求包括：響應(yīng)速度快，微電網(wǎng)中的新能源波動(dòng)、離并網(wǎng)模式切換等都對(duì)微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成很大的威脅，為了保證微電網(wǎng)的暫態(tài)過(guò)程穩(wěn)定需要儲(chǔ)能裝置的快速響應(yīng)；功率密度大，在系統(tǒng)功率發(fā)生較大波動(dòng)時(shí)，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，需要儲(chǔ)能裝置提供或者吸收差額功率；能量密度大，新能源發(fā)電過(guò)程不可控，功率流動(dòng)變化比較大，需要儲(chǔ)能有較大的容量。

參考文獻(xiàn)[1]根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)要同時(shí)具備高功率密度和高能量密度的特點(diǎn)，提出了超級(jí)電容與蓄電池混合儲(chǔ)能模型。將超級(jí)電容與蓄電池分別與雙向半橋連接，把分布式發(fā)電系統(tǒng)中的直流負(fù)載、獨(dú)立運(yùn)行逆變器、并網(wǎng)運(yùn)行逆變器統(tǒng)稱(chēng)為直流母線的負(fù)載。參考文獻(xiàn)[7]提出一種獨(dú)立風(fēng)光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)模型，將儲(chǔ)能系統(tǒng)與直流母線電壓相連，并建立了儲(chǔ)能蓄電池模型。參考文獻(xiàn)[8]對(duì)獨(dú)立型微電網(wǎng)儲(chǔ)能類(lèi)型選擇與商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式進(jìn)行了探討，介紹了主流儲(chǔ)能技術(shù)類(lèi)型，并分析了各種各樣不同儲(chǔ)能模式的優(yōu)劣，從中可以看到，鋰電池的應(yīng)用前景非?？捎^。參考文獻(xiàn)[9]根據(jù)鋰電池的充放電狀態(tài)設(shè)計(jì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，將功率型儲(chǔ)能器件超級(jí)電容與能量型儲(chǔ)能元件鋰電池相結(jié)合，就儲(chǔ)能元件之間的過(guò)充過(guò)放保護(hù)和最大功率限制保護(hù)的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行詳細(xì)討論。通過(guò) PSCAD仿真算例分析驗(yàn)證了控制策略的有效性。

參考文獻(xiàn)[10]通過(guò)對(duì)直流微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)自動(dòng)充放電改進(jìn)控制策略的研究充分證明了單蓄電池組儲(chǔ)能和雙向DC-DC相連接，通過(guò)采用PI控制和PWM控制來(lái)實(shí)現(xiàn)蓄電池恒流充電和恒壓放電的可行性。參考文獻(xiàn)[11]分析了鉛酸蓄電池和超級(jí)電容器特性，將鉛酸蓄電池具有通用、廉價(jià)、比能量適中、高倍率放電性能好、高低溫性能良好、效率較高等優(yōu)點(diǎn),與超級(jí)電容循環(huán)壽命長(zhǎng)、功率密度大、充放電效率高，以及高低溫性能好的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合構(gòu)成儲(chǔ)能系統(tǒng)并在仿真平臺(tái)驗(yàn)證。儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠優(yōu)化間歇性可再生能源的電力輸出，并提高間歇性可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善間歇性可再生能源對(duì)電網(wǎng)的不利影響，更好地促進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。各種儲(chǔ)能技術(shù)在能量密度、功率密度和響應(yīng)速度等方面表現(xiàn)各不相同，很少有哪一種儲(chǔ)能技術(shù)可以完全滿(mǎn)足系統(tǒng)的各種要求。因此混合儲(chǔ)能裝置的提出和研究應(yīng)用得到了重視。超級(jí)電容響應(yīng)速度快、功率密度高、壽命長(zhǎng)、效率高但是其能量濃度低；蓄電池具有能量密度較大，但是功率密度小且充放電次數(shù)及放電深度受使用壽命限制；鋰電池具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作電壓高、可大電流充放電、安全性好，本課題將鉛酸蓄電池、鋰電池及超級(jí)電容三者結(jié)合組成混合儲(chǔ)能，取長(zhǎng)補(bǔ)短。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)由鉛酸蓄電池、鋰電池、超級(jí)電容、DC-DC變換器、逆變器以及負(fù)載構(gòu)成。典型微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 典型微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

圖2 蓄電池非線性模型

2.1 蓄電池組數(shù)學(xué)模型

蓄電池模型可等效為一個(gè)受控電壓源與一個(gè)定值電阻串聯(lián)，如圖2所示。蓄電池的輸出電壓不僅與電流有關(guān),還與蓄電池SOC狀態(tài)有關(guān)，其具有非線性特性。

描述蓄電池狀態(tài)的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是端口電壓Vb及荷電狀態(tài)(State of charge)SOC，這兩個(gè)參數(shù)可由以下兩式表示：

圖中V表示為

式中，V0為開(kāi)路電壓，Rb為蓄電池內(nèi)阻，Ib為蓄電池充放電電流，K為極化電壓，Q為電池容量，A為指數(shù)電壓，B為指數(shù)容量。圖2中的模型是基于以下假設(shè)建立的：①Rb和Q在充放電過(guò)程中保持恒定，不隨電流幅值變化而變化；②由放電特性推導(dǎo)出的模型參數(shù)在充電時(shí)假定不變；③模型不受電池溫度影響，忽略記憶特性和自放電特性。此模型中，V0最小為0，Vb最大不受限制，Q最小為0，最大不受限制，因此如果過(guò)充，SOC可能大于100%。

2.2 超級(jí)電容器數(shù)學(xué)模型

超級(jí)電容器作為一種新型儲(chǔ)能裝置，在微電網(wǎng)、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的使用。目前，在實(shí)際工程和仿真實(shí)驗(yàn)中主要采用其經(jīng)典RC串聯(lián)模型。

圖3 經(jīng)典RC模型等效電路

圖3為超級(jí)電容器的經(jīng)典串聯(lián)RC等效電路，它由理想電容C和電阻RE串聯(lián)而成。圖中，USC為超級(jí)電容器的端電壓，ISC為流過(guò)理想電容C的電流，RE為等效串聯(lián)電阻，它的大小反映了超級(jí)電容器充放電過(guò)程中能量損耗的大小。

對(duì)圖3所示等效電路列電路方程：

超級(jí)電容器儲(chǔ)存的能量JSC可表示為：

其中Qt為超級(jí)電容器t時(shí)刻存儲(chǔ)的電荷量，QN為超級(jí)電容器的總?cè)萘浚琔max、Umin分別為超級(jí)電容器正常工作時(shí)的最大電壓和最小電壓，U0為超級(jí)電容器的初始電壓。

2.3 DCDC變換器

DC-DC變換器是超級(jí)電容器組與負(fù)荷之間能量傳輸?shù)臉蛄?，其作為松弛端口通過(guò)電壓閉環(huán)控制來(lái)維持整個(gè)系統(tǒng)功率的動(dòng)態(tài)平衡。如圖4所示為DC-DC變換器的控制框圖。其中：Udc-ref為直流母線電壓參考值，Udc為直流母線電壓采樣值濾波后的結(jié)果。電壓誤差經(jīng)過(guò)限幅、PI放大和再次限幅后，根據(jù)電壓誤差方向不同，確定開(kāi)關(guān)管工作方式與占空比DSC，再與三角載波比較后生成互補(bǔ)的PWM極脈沖信號(hào)。

圖4 DC-DC變換器控制框圖

2.4 鋰離子電池

調(diào)度周期內(nèi)，鋰電池的折舊成本fST可表示為:

式中，nST為調(diào)度周期內(nèi)鋰電池的充放電循環(huán)次數(shù)。

鋰電池充、放電功率的上、下限約束為：

鋰電池的運(yùn)行狀態(tài)約束為：

過(guò)充、過(guò)放均會(huì)影響鋰電池的使用壽命，為了保證鋰電池的荷電狀態(tài)處于合理的范圍內(nèi)，需考慮其荷電狀態(tài)EST(t)(單位為kWh)的上下限約束：

由于鋰電池的初始荷電狀態(tài)對(duì)微網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度有較大影響，為了使調(diào)度結(jié)果具有可持續(xù)性，即鋰電池當(dāng)日的調(diào)度結(jié)果不影響第二天的調(diào)度，應(yīng)使鋰電池在一個(gè)調(diào)度周期始末處于相同的荷電狀態(tài)，即：

EST(t1)=EST(tN)

式中，t1、tN分別表示調(diào)度周期內(nèi)的起始時(shí)段和末尾時(shí)段。

2.5 儲(chǔ)能系統(tǒng)逆變器的研究

為搭建微電網(wǎng)系統(tǒng)，從下層控制的角度實(shí)現(xiàn)復(fù)合儲(chǔ)能容量配置對(duì)蓄電池、超級(jí)電容器和鋰電池的功率輸出需求，從基本的逆變器出發(fā)，對(duì)其控制方式進(jìn)行探討，為構(gòu)建微電網(wǎng)整體控制平臺(tái)打下基礎(chǔ)。微電網(wǎng)中包含各種微電源(如風(fēng)電、光伏等)，另外還有儲(chǔ)能裝置(如蓄電池、超級(jí)電容器、鋰電池或其它復(fù)合儲(chǔ)能等)。微電源大多經(jīng)由逆變器接入母線，因此微源接口逆變器控制性能的好壞對(duì)一個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵作用。選擇三相電壓源型逆變器作為微源接口逆變器，并對(duì)其主電路進(jìn)行建模分析，然后對(duì)微電網(wǎng)中常用的兩種控制方式分別進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。最后，利用Matlab/Simulink軟件平臺(tái)搭建了微源控制系統(tǒng)仿真模型。

3 案列分析仿真

分別對(duì)鉛酸蓄電池采用電壓控制，鉛酸蓄電池的模擬電壓為360 V，實(shí)時(shí)SOC控制在60%，電池響應(yīng)時(shí)間設(shè)置為30 s，超級(jí)電容采用功率控制，其設(shè)置參數(shù)為500 F，電壓為160 V，串聯(lián)多個(gè)超級(jí)電容，溫度控制在25 ℃。鋰電池采用恒流控制，設(shè)置電壓為360 V，SOC控制在60%，電池響應(yīng)時(shí)間為30 s。在Matlab軟件中搭建模型并仿真，圖5～圖8為模擬微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)在Matlab軟件中搭建的仿真電路圖。圖9為仿真結(jié)果圖。

圖5 逆變器仿真模塊搭建

圖6 鋰電池仿真模塊搭建

圖7 超級(jí)電容仿真模塊搭建

圖8 鉛酸蓄電池仿真模塊搭建

圖9 系統(tǒng)仿真結(jié)果圖

結(jié) 語(yǔ)