基于多儲(chǔ)能調(diào)節(jié)的直流微電網(wǎng)電壓波動(dòng)分層協(xié)調(diào)控制策略

陳育中,高 鵬

1.南京高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校,江蘇 南京 210019

2.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 常州 213022

3.常州朗銳凱邇必減振技術(shù)有限公司,江蘇 常州 213125

微電網(wǎng)是能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的電能自治系統(tǒng)。通過與儲(chǔ)能設(shè)備的有效配置以及合理的控制策略，可以減少分布式發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的沖擊，保證離網(wǎng)狀態(tài)下的電能質(zhì)量。直流微電網(wǎng)作為微網(wǎng)技術(shù)的一個(gè)重要分支，無(wú)需考慮頻率波動(dòng)、功角穩(wěn)定、無(wú)功環(huán)流等因素的影響[1-3]，直流微網(wǎng)以其高效性、可靠性、易控性等優(yōu)勢(shì)成為未來(lái)電力系統(tǒng)自動(dòng)化一個(gè)重要的組成部分。

可再生能源具有明顯的間歇性和不可預(yù)測(cè)性，嚴(yán)重影響著分布式發(fā)電的電能質(zhì)量，以微電網(wǎng)對(duì)其產(chǎn)生的電能進(jìn)行有效的管理和儲(chǔ)存，可實(shí)現(xiàn)良好的效果。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)微電網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了深入的探索[4-6]，對(duì)高頻波動(dòng)和低頻波動(dòng)的抑制，實(shí)現(xiàn)了雙儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)償功率的優(yōu)化分配；文獻(xiàn)[7-9]對(duì)直流微電網(wǎng)母線電壓波動(dòng)進(jìn)行抑制和均衡，但僅限于雙儲(chǔ)能系統(tǒng)；文獻(xiàn)[10-12]介紹了直流微電網(wǎng)的電壓分層協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流母線電壓的分區(qū)，并采用相應(yīng)控制策略，但文章只涉及電壓分區(qū)，并未考慮到多儲(chǔ)能自身負(fù)荷的特性。

本文應(yīng)用超級(jí)電容高功率密度和蓄電池高能量密度的性能互補(bǔ)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)超級(jí)電容超前蓄電池工作的儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，并引入飛輪儲(chǔ)能輔助超級(jí)電容和蓄電池對(duì)母線電壓的調(diào)節(jié)。根據(jù)直流母線和蓄電池的剩余荷電狀態(tài)SOC，結(jié)合飛輪儲(chǔ)能的調(diào)節(jié)作用，將直流微電網(wǎng)的工作模式進(jìn)行詳細(xì)劃分，建立不同工作模式下的儲(chǔ)能設(shè)備的電壓下垂控制模型，實(shí)現(xiàn)均衡直流母線電壓，減少電能損耗。

1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

直流微電網(wǎng)拓補(bǔ)圖(圖1)所示，光伏陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)分別通過各自的變換器與母線相連，超級(jí)電容和蓄電池組成的雙儲(chǔ)系統(tǒng)通過模塊化的變換器與母線連接。飛輪儲(chǔ)能裝置通過AC-DC2 變換器與母線相連。用電負(fù)荷分為敏感和非敏感負(fù)荷。微電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)變流器和隔離變壓器與大電網(wǎng)連接。

圖1 直流微電網(wǎng)拓補(bǔ)圖Fig.1 Systemic structure of DC microgrid

當(dāng)ΔP大于零時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)輸出功率大于負(fù)載消耗的功率，此時(shí)多儲(chǔ)能系統(tǒng)為充電狀態(tài)。反之系統(tǒng)內(nèi)輸出的功率不足以提供負(fù)載使用，多儲(chǔ)能系統(tǒng)為放電狀態(tài)。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)

2.1 儲(chǔ)能設(shè)備

蓄電池是最早在微電網(wǎng)中使用的儲(chǔ)能設(shè)備，頻繁的充放電，導(dǎo)致蓄電池使用壽命縮短。根據(jù)蓄電池的輸出電流，可以檢測(cè)到其剩余電荷量所處的狀態(tài)，進(jìn)而可以針對(duì)荷電狀態(tài)采取合理的充放電方式，達(dá)到蓄電池的維護(hù)效果。

超級(jí)電容因其高功率密度，可以瞬時(shí)補(bǔ)償高頻功率缺額；循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，根據(jù)超級(jí)電容的端電壓對(duì)其電量控制。超級(jí)電容端電壓Usc與剩余容量成正比，可根據(jù)超級(jí)電容端電壓近似代表其剩余容量，對(duì)超級(jí)電容的充放電進(jìn)行控制。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)[13]是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的裝置，以物理儲(chǔ)能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化學(xué)電池儲(chǔ)能，通過互逆式雙向電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換和能量?jī)?chǔ)存間的互換。

圖2 雙儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of dual-storage system

2.2 雙儲(chǔ)能控制結(jié)構(gòu)

圖2 為混合蓄電池和超級(jí)電容的儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。超級(jí)電容屬于功率型儲(chǔ)能元件，可以短時(shí)間內(nèi)快速的吸收或補(bǔ)償盈虧的功率，且其使用壽命不受充放電次數(shù)的限制，但超級(jí)電容的容量有限，對(duì)低頻功率波動(dòng)作用不明顯，僅能平衡小范圍的功率，因此需要結(jié)合蓄電池組，補(bǔ)償超級(jí)電容的不足，擴(kuò)大平衡功率的范圍。

將超級(jí)電容在電路結(jié)構(gòu)上超前蓄電池，可以實(shí)現(xiàn)快速直接的與母線交換功率，蓄電池位于超級(jí)電容的后方，可以根據(jù)超級(jí)電容的電壓信號(hào)對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充放電進(jìn)行控制，基本實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容電壓的穩(wěn)定，又可通過蓄電池間接的均衡母線電壓的低頻功率，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)壓作用。

對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)變換器簡(jiǎn)化，減少電子電子開關(guān)的動(dòng)作帶來(lái)的諧波影響和開關(guān)的電能損耗。蓄電池通過IGBT 開關(guān)S3與超級(jí)電容間接并聯(lián)，使兩者儲(chǔ)能元件隔離，實(shí)現(xiàn)各自的單獨(dú)自由充放電。當(dāng)直流母線向儲(chǔ)能元件充電時(shí)DC-DC 變換器工作在buck 模式。

式中：x1—表示Udc，x2—表示Udc關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，Usc—超級(jí)電容兩側(cè)的電壓，Q—雙儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電系數(shù)，值為1 表示放電，值為-1 表示充電。

由空間狀態(tài)表達(dá)式可以表達(dá)出直流母線的電壓與雙儲(chǔ)能設(shè)備之間的關(guān)系，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到直流母線的電壓值，反饋給處理器，通過調(diào)節(jié)各自的下垂因子，控制超級(jí)電容和蓄電池的充放電量，實(shí)現(xiàn)母線功率的均衡。

2.3 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)作為協(xié)助超級(jí)電容和蓄電池的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當(dāng)直流母線電壓差額較大，超過超級(jí)電容和蓄電池的調(diào)節(jié)范圍，可引入飛輪儲(chǔ)能協(xié)助調(diào)節(jié)母線電壓。

當(dāng)母線電壓過高且超過雙儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍，可利用飛輪儲(chǔ)能，電能通過電力轉(zhuǎn)換裝置后驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，帶動(dòng)飛輪加速轉(zhuǎn)動(dòng)，能量以機(jī)械能形式儲(chǔ)存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪中；當(dāng)母線電壓過低且雙儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)法補(bǔ)償母線電壓，給飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放能量的信號(hào)，將高速旋轉(zhuǎn)的飛輪帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電，經(jīng)電力變換裝置將釋放的電能補(bǔ)償母線電壓的偏差，完成由機(jī)械能到電能的傳遞。

3 單元級(jí)控制策略

3.1 改進(jìn)電壓下垂控制策略

直流母線電壓受光伏電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和用電負(fù)荷的影響，多儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)母線電壓的調(diào)節(jié)作用可使其在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，并不嚴(yán)格等于額定電壓，波動(dòng)范圍按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量供電電壓偏差》[14]和《電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變》[15]要求。

本文采用改進(jìn)電壓下垂控制策略，可以修善傳統(tǒng)下垂控制策略不可兼顧母線電壓壓降和均流效果。傳統(tǒng)的電壓下垂公式為：

式中：ΔI—儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)直流母線調(diào)節(jié)的電流。；Udc—母線電壓瞬時(shí)值；Udc-ref—母線電壓額定值；n—功率下垂系數(shù)。

改進(jìn)下垂控制策略在傳統(tǒng)下垂控制基礎(chǔ)上引入了下垂補(bǔ)償系數(shù)k，實(shí)時(shí)更新電壓輸出設(shè)定值Udc-ref，以便可以及時(shí)反饋母線電壓信息。加入補(bǔ)償系數(shù)后的改進(jìn)母線下垂控制公式為：

由上式可以看出，改進(jìn)后的下垂公式設(shè)定值Udc-ref加上其自身與實(shí)際母線電壓值的差值與補(bǔ)償系數(shù)的乘積，最終可以體現(xiàn)在增大下垂因子上，此時(shí)母線電壓的壓降要小于傳統(tǒng)下垂控制的壓降，壓降效果可視為下垂系數(shù)為n/(1+k)時(shí)的母線電壓。改進(jìn)后的下垂控制可以在保證均流效果的同時(shí)改善母線電壓壓降過大的問題，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)小范圍的調(diào)節(jié)母線電壓。

采用改進(jìn)下垂控制穩(wěn)定母線電壓，在母線電壓不同階段選取合適的下垂系數(shù)n，可以使母線電壓在其預(yù)定的額定值范圍內(nèi)波動(dòng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)下垂控制數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中：n1、n2、n3、n4、n5為儲(chǔ)能系統(tǒng)DC-DC 變換器的下垂系數(shù)。k1、k2、k3、k4、k5為各階段對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)。

3.2 變換器控制策略

蓄電池采用單一充放電模式，勢(shì)必會(huì)損壞電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，加速電池的損耗程度。若結(jié)合三段式充法[16]，在蓄電池的不同荷電狀態(tài)，調(diào)節(jié)電力電子開關(guān)的占空比，采用合理的充電方式，可延長(zhǎng)蓄電池的壽命。

（1）蓄電池荷電狀態(tài)SOC>90%時(shí)，應(yīng)采用涓流充電，既可以使蓄電池達(dá)到完全充電，又可以維持蓄電池的電量以備放電時(shí)使用，涓流充電的控制框圖如圖3 所示。

（2）蓄電池荷電狀態(tài)10%

圖3 恒流充電控制框圖Fig.3 The circuit of constant current charging control

圖4 恒壓充電控制框圖Fig.4 The circuit of constant voltage charging control

圖5 光伏模塊工作模式Fig.5 Running pattern of PV modules

（3）蓄電池荷電狀態(tài)SOC<10%時(shí)，應(yīng)采用恒定的小電流充電，避免大電流對(duì)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的沖擊，同時(shí)應(yīng)避免過度放電，恒流充電控制框圖同圖3。

光伏電池有最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)模式和恒壓模式。為最大限度的提高太陽(yáng)能資源的利用率，光伏電池通常工作于MPPT 模式。當(dāng)母線電壓超過最大限值范圍，功率滿足所有負(fù)荷且蓄電池飽和時(shí)，應(yīng)轉(zhuǎn)換為恒壓模式。光伏模塊工作模式如圖5。

風(fēng)機(jī)通常采用功率控制運(yùn)行，工作模式同光伏發(fā)電，通常情況下工作于最大風(fēng)能跟蹤捕獲狀態(tài)下，當(dāng)母線電壓超過最大限制范圍，應(yīng)為恒壓恒頻運(yùn)行模式，維持母線電壓的均衡。

4 系統(tǒng)內(nèi)分層控制策略

微電網(wǎng)最核心的作用就是為用電設(shè)備提供良好的供電質(zhì)量，直流微電網(wǎng)中，控制母線的電壓使其在國(guó)標(biāo)允許的范圍內(nèi)波動(dòng)，保證用電設(shè)備的正常運(yùn)行。本文結(jié)合超級(jí)電容和蓄電池的電路結(jié)構(gòu)，以飛輪儲(chǔ)能作為輔助設(shè)備，采用母線電壓分層控制策略，保證母線電壓的波動(dòng)要求。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定直流母線電壓的限值為UH1(1.05Udc-ref)，UL2(0.9Udc-ref)，UH2(1.1Udc-ref)，UL1(0.95Udc-ref)。故母線上的電壓為5 個(gè)分區(qū)。根據(jù)蓄電池的電荷性能，蓄電池的荷電狀態(tài)限值為SOCbat-L(10%SOCbat_max、SOCbat-H(90%SOCbat_max)，可將蓄電池荷電狀態(tài)分為3 個(gè)區(qū)域。將直流母線和蓄電池上述分析的各區(qū)域取交集，可以得到15 種工作情況。

（1）當(dāng)UL1<=Udc<=UH1時(shí)，微電網(wǎng)母線電壓達(dá)到預(yù)期的穩(wěn)定狀態(tài)，因此勿需儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，儲(chǔ)能系統(tǒng)變換器處于空閑狀態(tài)，母線和儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)能量交換。為工作模式1。

（2）當(dāng)UH190%，為避免蓄電池過充現(xiàn)象，開關(guān)S3關(guān)斷，為工作模式3。

（3）當(dāng)UL2<=Udc10%，開關(guān)S3開通，為工作模式5。

（4）當(dāng)Udc>UH2時(shí)，母線電壓超過系統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備的調(diào)節(jié)范圍，分布式發(fā)電由MPPT 模式轉(zhuǎn)換為恒壓模式。儲(chǔ)能系統(tǒng)變換器處于buck 狀態(tài)，當(dāng)蓄電池SOC<90%，開關(guān)S3開通，為工作模式6；當(dāng)蓄電池SOC>90%，開關(guān)S3關(guān)斷，啟動(dòng)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能模式，為工作模式7。

（5）當(dāng)Udc10%，開關(guān)S3開通，為工作模式9。

在上述詳細(xì)的分類中，根據(jù)DC-DC 變換器和開關(guān)S3的開關(guān)狀態(tài)，保證直流母線功率處于穩(wěn)態(tài)的前提下，盡可能的減少蓄電池充放電次數(shù)為原則，對(duì)DC-DC 變換器、IGBT 開關(guān)、光伏電池變換器的通斷進(jìn)行控制，將其處于相同開關(guān)狀態(tài)的工作情況歸納為9 種工作模式（圖6）。

圖6 微電網(wǎng)工作模式分類圖Fig.6 Classification of running patterns in micro-grid

根據(jù)直流母線的電壓限制，判斷直母線上功率波動(dòng)和蓄電池不同荷電狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的工作模式，以此確保母線電壓在允許的范圍內(nèi)波動(dòng)，保證系統(tǒng)內(nèi)功率均衡，如圖7 所示。

5 微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

采用PSCAD/EMTDC 電力系統(tǒng)仿真軟件按照?qǐng)D1 結(jié)構(gòu)圖搭建微電網(wǎng)仿真模型，仿真主要參數(shù)為：直流母線額定電壓Udc-ref為200 V，電壓動(dòng)作限制為0.9Udc-ref，0.95Udc-ref，1.05Udc-ref，1.1Udc-ref。光伏電池G=1000 W/m2、環(huán)溫T=25 ℃，蓄電池為120 A/h、超級(jí)電容容量為5 F，整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載阻抗為80 Ω，線路阻抗忽略不計(jì)。時(shí)間以ms 為單位。仿真結(jié)果如圖8 所示。

圖8 仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results

（1）當(dāng)UH1

（2）當(dāng)Udc>UH2時(shí)，20 ms 給定干擾使電壓上升波動(dòng)，波動(dòng)范圍超過雙儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍，如圖8c，為抑制電壓波動(dòng)，系統(tǒng)應(yīng)工作于模式6 或7，分布式電源由MPPT 轉(zhuǎn)換為恒壓模式，啟動(dòng)飛輪儲(chǔ)能補(bǔ)償雙儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)差值，直流母線電能流向雙儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)(圖8d)。由于電壓波動(dòng)范圍大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)多儲(chǔ)能系統(tǒng)和分布式電源的調(diào)節(jié)作用，母線電壓最終恢復(fù)至預(yù)定范圍。

（3）當(dāng)UL2

（4）當(dāng)Udc

6 結(jié)論

本文為保證微電網(wǎng)內(nèi)的電能質(zhì)量和延長(zhǎng)蓄電池等儲(chǔ)能設(shè)備的使用壽命，結(jié)合超級(jí)電容、蓄電池和飛輪儲(chǔ)能等組成的多儲(chǔ)能系統(tǒng)，提出了一種適用于直流微電網(wǎng)母線電壓調(diào)節(jié)的控制策略，根據(jù)蓄電池的容量限值，以飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)為輔助調(diào)節(jié)，來(lái)調(diào)節(jié)母線電壓的波動(dòng)。通過PSCAD/EMTDC 電力系統(tǒng)仿真軟件驗(yàn)證該控制策略的合理性和可行性。

最終得出，提出的控制策略可以有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)母線電壓的分段控制，可以減少電力電子開關(guān)的頻繁動(dòng)作引發(fā)的諧波對(duì)系統(tǒng)的影響；分層控制可以提高了整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性，為用電負(fù)荷提供良好的電能質(zhì)量。