基于光伏-蓄電池-超級(jí)電容的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略

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(國網(wǎng)浙江省電力有限公司舟山供電公司，浙江 舟山 316021)

0 引 言

新能源系統(tǒng)的功率受氣候和天氣影響存在較大波動(dòng)性，影響電能質(zhì)量和電力系統(tǒng)的可靠性。為保持穩(wěn)定的電力輸出，通常需增加儲(chǔ)能裝置。國內(nèi)基于光、儲(chǔ)能供電微電網(wǎng)系統(tǒng)的研究也處于發(fā)展階段，基于光伏和蓄電池-超級(jí)電容的微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行特性及其控制策略研究具有一定的理論參考價(jià)值和實(shí)用價(jià)值[1-5]。

為確保微電網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，混合儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)控制策略是關(guān)鍵技術(shù)。為解決此問題，文獻(xiàn)[6-7]采用蓄電池與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)作為車輛微電網(wǎng)的輔助電源，蓄電池主要吸收功率波動(dòng)。文獻(xiàn)[8]分析了含光伏和蓄電池的微電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)，但其中蓄電池結(jié)構(gòu)過于簡單，充放電過程不可控制。文獻(xiàn)[9-11]采用了一種新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過變換器集成燃料電池與光伏使得光伏發(fā)電單元工作在最優(yōu)狀態(tài)。

首先確定了光伏-蓄電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)類型，并對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的連接方式進(jìn)行了選擇，進(jìn)而提出了混合儲(chǔ)能的控制策略，這種策略的控制目的是實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的可控，并且通過仿真軟件仿真驗(yàn)證了控制策略的優(yōu)越性和正確性。

1 直流微電網(wǎng)建模

1.1 光伏電池模型

光伏電池等效電路如圖1所示。

光伏陣列在參考日照強(qiáng)度與參考電池溫度下的輸出電流Ipv和輸出電壓Upv關(guān)系式及相應(yīng)方程為

(1)

ΔT=T-Tref

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：Iph為光生電流；Is為二極管飽和電流；Rs、Rsh分別為串聯(lián)電阻和分流電阻；k為波爾茲曼常數(shù)；T為蓄電池的溫度。

圖1 光伏電池等效電路

1.2 蓄電池模型

通過分析比較不同類型的蓄電池性能，結(jié)果顯示鋰離子蓄電池性能更好，所以采用該類型蓄電池。其充放電數(shù)學(xué)模型如下：

(9)

(10)

(11)

式中：Ec、Ed為充放電電能；E0為電壓常數(shù)；i*為低頻動(dòng)態(tài)電流；K為極化常數(shù)；it為可提取的電能；i為充放電電流；t為充放電時(shí)間；Q為蓄電池最大容量；A為指數(shù)電壓；B為指數(shù)容量；SOC為荷電狀態(tài)。

1.3 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

超級(jí)電容器等效模型一般為RC等效電路，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

相應(yīng)數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

P=U0I=(U-IR)I

(12)

(13)

(14)

圖2 超級(jí)電容等效電路

(15)

(16)

(17)

超級(jí)電容組的總電阻和總電容通過式(18)、式(19)計(jì)算：

(18)

(19)

式中：Umax、Umin為超級(jí)電容允許的最高、最低工作電壓；U0為初始電壓；Ic、Id為充、放電電流；Ec、Ed分別為充、放電能量；E為超級(jí)電容能量輸出；η為超級(jí)電容的效率；ηc、ηd分別為充、放電效率；Ucmax、Ucmin分別為充電截止電壓和起路電壓；Udmax、Udmin分別為放電起始電壓和截止電壓。

2 混合儲(chǔ)能并聯(lián)方式的選擇

為了彌補(bǔ)超級(jí)電容(supercapacitor,SC)和蓄電池獨(dú)立應(yīng)用時(shí)的不足，結(jié)合兩者的特點(diǎn)分析，不難看出兩者是有互補(bǔ)作用的：蓄電池適合長時(shí)間持續(xù)放電，但對(duì)突變情況反映緩慢；而超級(jí)電容則可以快速反應(yīng)各種突變，但不具備長時(shí)間持續(xù)放電的特點(diǎn)。以SC和蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(battery energy storage,BES)組成的混合儲(chǔ)能為例，通過分析各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，確定了最終方案。SC和BES通過共用逆變器與電網(wǎng)連接，控制直流母線電壓實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。通過功率變換器并聯(lián)混合儲(chǔ)能，如圖3所示，將大大提高系統(tǒng)的靈活性。

綜上所述，不難看出帶混合儲(chǔ)能的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)只需將蓄電池與超級(jí)電容通過各自的變換器并聯(lián)即可。圖3中并未涉及交流負(fù)載，但可以通過DC/AC與交流負(fù)載相連。

圖3 混合儲(chǔ)能并聯(lián)結(jié)構(gòu)

3 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

混合儲(chǔ)能的控制方法依然采用以穩(wěn)定直流母線電壓為目的的控制策略，如圖4所示。結(jié)合兩種儲(chǔ)能方式的特點(diǎn)，通過低通濾波器將功率差值分為低頻、高頻兩部分。基于SC充、放電速度快的優(yōu)點(diǎn)，由SC負(fù)責(zé)吸收和釋放因多種原因產(chǎn)生的高頻功率。BES因能量密度大，作為長時(shí)間的儲(chǔ)能裝置，負(fù)責(zé)吸收和釋放低頻功率。

圖4 外環(huán)控制框圖

圖5為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制框圖。當(dāng)Udc-ref>Udc時(shí)，此時(shí)PI環(huán)的輸出為正值，Ibat-ref、Isc-ref均為正值，混合儲(chǔ)能處于放電狀態(tài)。反之，混合儲(chǔ)能處于充電狀態(tài)。為保證BES吸收能量中的低頻部分和SC吸收能量中的高頻部分,引入低通濾波器和比例系數(shù)K。

圖5 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制框圖

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于PV、BES、SC的微電網(wǎng)控制策略的可行性，基于Matlab/Simulink搭建微電網(wǎng)模型，如圖6所示；各部分參數(shù)如表1至表3所示。

圖6 帶混合儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

名稱數(shù)值名稱數(shù)值開路電壓/V215MPP電壓/V175額定功率/kW5短路電流/A31.65MPP電流/A29.55內(nèi)阻/Ω0.20

表2 蓄電池參數(shù)

表3 超級(jí)電容參數(shù)

在該模型中，直流負(fù)載C3=200 Ω，C4=200 Ω，設(shè)定Ideal Switch的觸發(fā)信號(hào)，t=0.3 s時(shí)，觸發(fā)信號(hào)由0變?yōu)?，等同于將直流負(fù)載由200 Ω增至400 Ω。t=0.6 s時(shí)，觸發(fā)信號(hào)由1變?yōu)?，等同于將直流負(fù)載由400 Ω減至200 Ω。仿真波形如圖7至圖9所示。

由圖7可以看出，無論是負(fù)載由200 Ω增加到400 Ω的過程還是負(fù)載由400 Ω減少到200 Ω的過程，直流母線電壓為150 V，波動(dòng)幅度小于0.5 V。因此所提出的基于直流母線電壓平衡的儲(chǔ)能控制策略能夠達(dá)到預(yù)期效果。

圖7 直流母線電壓波形

圖8 蓄電池充、放電波形

圖9 超級(jí)電容器充、放電波形

由圖8和圖9可以看出，在t=0.3 s和t=

0.6 s，負(fù)載發(fā)生增減時(shí)，在突變的瞬間，SC的充、放電電流驟增或驟減，而BES的充、放電電流緩慢上升或下降，約0.02 s后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

通過分析混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真波形可知，當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，由SC進(jìn)行快速的充、放電，緩沖瞬間的功率差變化；待穩(wěn)定后，由BES吸收和釋放能量以彌補(bǔ)不平衡功率。仿真結(jié)果表明BES的充、放電狀態(tài)一直很平穩(wěn)，SC在突變情況下彌補(bǔ)BES不能快速放電和放電電流小的缺陷。

5 結(jié) 語

首先確定了所研究系統(tǒng)中儲(chǔ)能方式為混合儲(chǔ)能方式，然后確定了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的連接方式。在設(shè)計(jì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略時(shí)，采用基于直流母線電壓平衡的控制策略，同時(shí)加入低通濾波器，能夠有效地區(qū)分能量差中的高頻部分和低頻部分，這樣不僅充分地發(fā)揮了各儲(chǔ)能裝置的作用，也提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。仿真驗(yàn)證了該控制策略可以通過協(xié)調(diào)控制SC和BES，確保在負(fù)荷和光照強(qiáng)度大幅波動(dòng)的情況下直流母線電壓處于允許范圍內(nèi)。