基于混合儲(chǔ)能的直流微網(wǎng)母線電壓控制策略

敦若楠 郭英軍 孫鶴旭 安聰慧

摘 要：為了平抑風(fēng)力發(fā)電接入直流微電網(wǎng)的功率波動(dòng)問(wèn)題，滿足負(fù)荷持續(xù)高質(zhì)量供電需求，對(duì)由鋰電池和超級(jí)電容器組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了研究。以超級(jí)電容電壓和鋰電池荷電狀態(tài)為約束條件，將儲(chǔ)能系統(tǒng)平衡所需的功率差分為低頻與高頻部分;鋰電池用于吸收和釋放低頻部分，超級(jí)電容用于吸收和釋放高頻部分，使風(fēng)機(jī)整流器工作在恒壓狀態(tài)，采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制，以直流母線的電壓穩(wěn)定為目標(biāo)，維持系統(tǒng)功率平衡。仿真結(jié)果表明，所提混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和較好的控制性能，可很好地滿足負(fù)載功率需求，穩(wěn)定直流母線電壓。研究結(jié)果可為分析規(guī)?；履茉唇尤胫绷魑⒕W(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定問(wèn)題提供參考。

關(guān)鍵詞：發(fā)電工程;直驅(qū)風(fēng)機(jī);直流母線;功率波動(dòng);混合儲(chǔ)能

中圖分類號(hào)：TM614?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.7535/hbgykj.2019yx06003

文章編號(hào)：1008-1534（2019）06-0384-06

Abstract：In order to stabilize the power fluctuation when the wind power generation is planted into DC microgrid and meet the demand for continuous high quality power supply， a hybrid energy storage system consisting of lithium battery and super capacitor is studied. Constrained by the super capacitor voltage and the state of charge of the lithium battery， the power required to balance the energy storage system is divided into a low frequency and a high frequency portion; the lithium battery is responsible for absorbing and releasing the low frequency portion， and the super capacitor is responsible for absorbing and releasing the high frequency portion.

The fan rectifier is operated in a constant voltage state， and the voltage outer loop control and the current inner loop control loop are adopted. The voltage stability of the DC bus is targeted to maintain system power balance. The simulation results show that the proposed hybrid energy storage system control strategy has faster dynamic response speed and better control performance， which can meet the load power demand and stabilize the DC bus voltage. The research results provide a reference for analyzing the stability of large-scale energy access to DC microgrid systems.

Keywords：power generation project; direct drive fan; DC bus; power fluctuation; hybrid energy storage

傳統(tǒng)能源的逐漸枯竭和日益嚴(yán)重的環(huán)境污染嚴(yán)重威脅著人類的可持續(xù)發(fā)展，風(fēng)能作為可再生能源，因其儲(chǔ)量豐富、清潔環(huán)保、便于規(guī)?；_(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注[1]。然而，由于風(fēng)能的間歇性和波動(dòng)性，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)機(jī)的功率輸出也隨之波動(dòng)，從而影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。與此同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電的年有效利用小時(shí)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及常規(guī)發(fā)電廠[2]。儲(chǔ)能系統(tǒng)具有響應(yīng)時(shí)間快、規(guī)模大等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是提高間歇式電源可控性以及并網(wǎng)能力的有效手段[3-5]。

文獻(xiàn)[6]分別采用滑動(dòng)平均法和分層控制技術(shù)、專家信息庫(kù)等方法來(lái)區(qū)分功率波動(dòng)成分，控制混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行，提高平滑效果，延長(zhǎng)了各單元使用壽命;文獻(xiàn)[7—8]以儲(chǔ)能裝置容量最小為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建了以總體收斂速度指標(biāo)和飽和系統(tǒng)穩(wěn)定域?yàn)榧s束的優(yōu)化模型;文獻(xiàn)[9]提出了一種基于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速概率密度曲線的“實(shí)時(shí)儲(chǔ)能”法的容量定制方法。以上文獻(xiàn)都是在實(shí)際應(yīng)用中研究了儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化配置和控制問(wèn)題，具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。目前的研究集中于如何在既定風(fēng)電出力場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)風(fēng)電功率波動(dòng)平抑，而沒(méi)有考慮平抑策略在不同風(fēng)電出力及負(fù)載發(fā)生變化場(chǎng)景下的普遍適用性。

本文利用鋰電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提出了一種以滿足可變負(fù)載功率需求及平抑風(fēng)機(jī)功率波動(dòng)，穩(wěn)定直流母線電壓為最終目標(biāo)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略。其能平抑負(fù)載發(fā)生變動(dòng)及風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定造成的影響，在一定程度上平抑風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率及負(fù)載變化引起的波動(dòng)，通過(guò)混合儲(chǔ)能的作用來(lái)緩解風(fēng)力發(fā)電帶來(lái)的功率波動(dòng)，保持混合儲(chǔ)能 SOC 工作在合理區(qū)間，保證混合儲(chǔ)能系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

1?儲(chǔ)能方式的分類

電能可以轉(zhuǎn)換為電磁能、化學(xué)能、機(jī)械能等其他形式進(jìn)行存儲(chǔ)，按照儲(chǔ)能方式的不同可分為相變儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能和機(jī)械儲(chǔ)能4種類型。其中機(jī)械儲(chǔ)能包括抽水儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能和空氣壓縮儲(chǔ)能等;電化學(xué)儲(chǔ)能包括鋰離子、鎳隔、鉛酸、鈉硫、液流等電池儲(chǔ)能;電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)、超級(jí)電容和高能密度電容儲(chǔ)能等[10-13]。

目前，電池儲(chǔ)能是最成熟的儲(chǔ)能方式[14]。電池為能量型儲(chǔ)能元件，其主要特點(diǎn)是能量密度大，但它的主要缺點(diǎn)是使用壽命短，不適合頻繁充放電，功率密度小，并對(duì)工作環(huán)境要求較高，不恰當(dāng)?shù)墓ぷ鳝h(huán)境會(huì)加快老化速度。以鋰電池為例，在其工作過(guò)程中由于長(zhǎng)期浮充、過(guò)充、過(guò)放、欠充或小電流放電等因素，都將造成鋰電池過(guò)早損壞，從而縮短其使用壽命。超級(jí)電容器是功率型儲(chǔ)能元件，其最大的特點(diǎn)是循環(huán)壽命長(zhǎng)，充放電速度快，可頻繁充放電[15]。為了更好地利用兩2不同類型儲(chǔ)能元件的優(yōu)勢(shì)，將鋰電池與超級(jí)電容器組成混合儲(chǔ)能單元使用，是一種被廣泛接受的應(yīng)用方式[16]。超級(jí)電容與鋰電池性能比較如表1所示。

2?系統(tǒng)等效模型

2.1?鋰電池等效模型

考慮鋰電池在運(yùn)行中的荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）和端電壓的變化，本文采用通用化等效模型。鋰電池充電、放電表達(dá)式分別為

3?系統(tǒng)控制策略

如圖1所示，在直流微網(wǎng)系統(tǒng)中由混合儲(chǔ)能單元平衡節(jié)點(diǎn)控制直流電壓并通過(guò)充放電來(lái)平衡系統(tǒng)功率。鋰電池主要負(fù)責(zé)平衡功率，超級(jí)電容則能快速響應(yīng)功率波動(dòng)[19-20]。

平穩(wěn)直流母線電壓并使其達(dá)到穩(wěn)定是混合儲(chǔ)能系統(tǒng)工作的關(guān)鍵。穩(wěn)定的直流母線電壓可確保直流負(fù)載的平穩(wěn)運(yùn)行，當(dāng)直流母線電壓升高時(shí)，即風(fēng)機(jī)輸出功率大于負(fù)載吸收功率，儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)責(zé)吸收多余的能量，此時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)處于充電狀態(tài); 而當(dāng)母線電壓降低時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出功率小于負(fù)載消耗功率，儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放能量來(lái)滿足負(fù)載需求，此時(shí)，儲(chǔ)能裝置處于放電狀態(tài)[21]。

風(fēng)機(jī)整流器工作在恒壓狀態(tài)輸出時(shí)，采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定的目標(biāo)[22]。從檢測(cè)到的瞬時(shí)值中減去由直流母線電壓設(shè)置的參考值，并且通過(guò)PI控制器電壓外環(huán)獲得該差值，以得到風(fēng)機(jī)輸出電流的參考值，再與風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)輸出電流作比較，其差值通過(guò)電流內(nèi)環(huán)PI控制器調(diào)整[23]?？傮w控制策略如圖2所示。

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)采用以穩(wěn)定直流母線電壓為目的的控制策略。結(jié)合兩種儲(chǔ)能方式的工作特性，通過(guò)低通濾波器將儲(chǔ)能系統(tǒng)平衡所需的功率差分為低頻部分和高頻部分; 高頻部分由超級(jí)電容負(fù)責(zé)吸收和釋放，低頻部分由鋰電池負(fù)責(zé)吸收和釋放，該直流母線的電壓外環(huán)控制如圖3所示[24]。

此外，2個(gè)儲(chǔ)能單元通過(guò)雙向DC/DC 變換器控制充電和放電過(guò)程。超級(jí)電容、鋰電池均采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制[25]。

如圖4所示，以鋰電池為例，當(dāng)鋰電池的電量SOC≥100或者≤20時(shí)，此時(shí)控制將會(huì)阻止PWM脈沖并停止雙向變換器工作。

4?仿真分析

設(shè)置直流微網(wǎng)額定電壓為800 V，如圖5所示，風(fēng)機(jī)在前3.5 s為額定風(fēng)速9 m/s，在第3.5 s時(shí)降低為8 m/s，在第4.5 s時(shí)恢復(fù)為額定風(fēng)速，在此期間，風(fēng)機(jī)輸出功率如圖6所示。

在風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間，為了驗(yàn)證混合儲(chǔ)能工作的快速性和有效性，設(shè)置負(fù)載為可變負(fù)載，通過(guò)控制信號(hào)（如圖7所示），分別在0，1，2，3，4 s時(shí)，設(shè)置負(fù)載需求功率為40，65，15，60，40 kW。

平衡系統(tǒng)所需的目標(biāo)功率為

在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行仿真時(shí)，微電網(wǎng)可以為輸出穩(wěn)定的電壓和頻率提供支持。給定負(fù)載功率為40 kW，仿真中通過(guò)控制信號(hào)，在1 s時(shí)將負(fù)載需求功率切換到65 kW，2 s時(shí)切換至15 kW，3 s時(shí)切換至60 kW。在孤島運(yùn)行仿真時(shí)，0～1 s之間風(fēng)機(jī)輸出48.65 kW的功率，此時(shí)，維持負(fù)載功率25 kW，多余功率由混合儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)吸收，其中電池吸收功率在1.5 kW左右，超級(jí)電容吸收7.2 kW左右，從而使整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)在此期間功率平衡;在1 s時(shí)，負(fù)載需求功率提高至65 kW，風(fēng)機(jī)仍以額定功率運(yùn)行，此時(shí)，若要維持負(fù)載功率為65 kW，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)放電;2 s時(shí)負(fù)載需求功率突降至15 kW，風(fēng)機(jī)仍以額定功率運(yùn)行，此時(shí)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充電;風(fēng)速在3.5 s時(shí)降低至8 m/s;在4.5 s時(shí)恢復(fù)了額定風(fēng)速。在風(fēng)機(jī)功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)能很快做出響應(yīng)，任意時(shí)刻負(fù)載功率都是由風(fēng)機(jī)和混合儲(chǔ)能共同來(lái)平衡。

由圖8、圖9可以看出，當(dāng)負(fù)載功率發(fā)生變化及風(fēng)機(jī)功率波動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容器均可對(duì)波動(dòng)快速響應(yīng)，其功率輸出波形變化呈快速的階躍型，鋰電池的輸出功率對(duì)系統(tǒng)功率發(fā)生變化時(shí)的響應(yīng)則較為緩慢，呈平緩上升或下降趨勢(shì);且從圖中可以看出，系統(tǒng)功率發(fā)生較大變化時(shí)，超級(jí)電容都能快速反應(yīng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，鋰電池用于吸收和釋放功率差。仿真結(jié)果也驗(yàn)證了超級(jí)電容器功率密度高、能量密度低的特點(diǎn)，適合快速調(diào)節(jié)但不適合長(zhǎng)期儲(chǔ)能;鋰電池具有能量密度高、功率密度較低的特點(diǎn)，雖響應(yīng)較慢但適合長(zhǎng)期儲(chǔ)能。

圖10和圖11分別反映了鋰電池內(nèi)部電量SOC和超級(jí)電容電壓的變化曲線。以鋰電池為例，當(dāng)鋰電池輸出功率為正或者SOC逐步減小時(shí)，鋰電池處于放電過(guò)程。相反，當(dāng)鋰電池輸出功率為負(fù)或者SOC逐步增加時(shí)，鋰電池處于充電過(guò)程。

由圖12可以看出，無(wú)論是負(fù)載發(fā)生變化還是風(fēng)機(jī)輸出功率發(fā)生變化，直流母線依然可以保持穩(wěn)定，表明了綜合控制策略的有效性和正確性。

以上仿真結(jié)果表明了系統(tǒng)具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和較好的控制性能。

5?結(jié)?語(yǔ)

本文研究混合儲(chǔ)能設(shè)備作為孤島運(yùn)行模式下風(fēng)機(jī)直流微電網(wǎng)和負(fù)載運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，通過(guò)其充放電來(lái)維持系統(tǒng)的功率平衡，從而確保直流母線的電壓質(zhì)量與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了直驅(qū)風(fēng)機(jī)的平穩(wěn)出力，保證了穩(wěn)定的有功輸出。本文創(chuàng)新之處是在風(fēng)速變化的同時(shí)加入了負(fù)載變化。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的以滿足可變負(fù)載功率需求及平抑風(fēng)機(jī)功率波動(dòng)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)、以直流電壓恒定為目標(biāo)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略的正確性和有效性。

本文只討論了單臺(tái)風(fēng)機(jī)并入直流微網(wǎng)的穩(wěn)定情況，沒(méi)有對(duì)多機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析。未來(lái)可對(duì)規(guī)模化新能源接入直流微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行分析研究。

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