基于可重構(gòu)電池儲能的微電網(wǎng)功率協(xié)調(diào)控制研究

趙傳婷，劉世林，孔 敏，張 剛

(1.安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.皖西學(xué)院 電氣與光電工程學(xué)院，安徽 六安 237400)

近年來，隨著“碳中和、碳達峰”目標的確立，可再生能源在微電網(wǎng)的能源結(jié)構(gòu)中的占比穩(wěn)固提高[1-3]。其中光伏發(fā)電、風力發(fā)電等可再生能源發(fā)電方式具有天然的時變性和波動性，當波動性較強的可再生能源并網(wǎng)后，會對微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行穩(wěn)定造成較大的影響，甚至可能引發(fā)安全事故[4-5]。為了解決上述問題，目前最常用的方法是在微電網(wǎng)中配置相應(yīng)的儲能系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)是微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中重要的組成單元，能夠在微電網(wǎng)的能量管理和運行控制等方面發(fā)揮重要的作用[6-9]?？稍偕茉床⒕W(wǎng)后，儲能系統(tǒng)可以快速平抑由可再生能源帶來的功率波動，改善電能質(zhì)量，從而提高微電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性與可靠性[10-12]。

在微電網(wǎng)中應(yīng)用較為成熟的儲能技術(shù)是電池儲能，但是單一電池儲能往往不能滿足微電網(wǎng)容量和功率的需求，因此微電網(wǎng)中的儲能裝置大多是電池儲能系統(tǒng)，主要由多個單體電池通過串并聯(lián)組合而成[13]。然而，含有多個單體電池的電池儲能系統(tǒng)存在著電池不一致性問題，主要原因是單體電池在生產(chǎn)環(huán)境和制造工藝等方面具有一定程度上的差異性[14]。針對上述問題，有關(guān)可重構(gòu)電池儲能系統(tǒng)的研究受到了廣泛的關(guān)注。

文獻[15]針對可重構(gòu)電池系統(tǒng)，提出了一種電池電壓均衡控制策略，能夠有效地降低電池單元間的電壓差。文獻[16]針對可重構(gòu)電池儲能系統(tǒng)設(shè)計了一種荷電狀態(tài)(State of charge, SOC)均衡控制策略，其能夠?qū)崿F(xiàn)電池儲能系統(tǒng)在為負載供電的同時進行SOC均衡，且在負載斷開時，可實現(xiàn)自我均衡。文獻[17]提出了一種適用于可重構(gòu)電池儲能和電池模塊化多級管理的SOC均衡控制策略，其通過不同的開關(guān)組合來實現(xiàn)SOC的均衡，能夠使得電池損耗及開關(guān)損耗保持在較低水平。文獻[18]提出了一種新的可重構(gòu)電池組設(shè)計方法，其中每個電池單元都可以通過開關(guān)矩陣進行串聯(lián)或并聯(lián)。通過適當?shù)拈_關(guān)控制信號，可以將電池單元配置為不同的組合，以滿足多種需求，包括容量最大化、輸出電壓穩(wěn)定、電池均衡、故障電池更換等，與其他具有相同功能的可重構(gòu)結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)將所需開關(guān)的數(shù)量減少了20%。文獻[19]為了減少能量損耗和降低系統(tǒng)控制難度，提出一種可重構(gòu)電池拓撲及控制策略，該新型結(jié)構(gòu)與DC/DC變換器型可重構(gòu)電池相比，穩(wěn)壓效果更好，同時降低了電池組不一致性。以上文獻只對可重構(gòu)電池拓撲進行了研究，并未深入探究其在微電網(wǎng)中的應(yīng)用。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

本文主要研究了一種基于可重構(gòu)電池儲能的微電網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略。首先，提出一種包含可重構(gòu)電池儲能單元的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并針對儲能并網(wǎng)變換器采用積分滑?？刂?Integral sliding mode control，ISMC)，即重建電壓外環(huán)模型，電流內(nèi)環(huán)仍采用PI控制，以獲得良好的電壓跟蹤效果。其次，以穩(wěn)定直流母線電壓為目的，提出一種儲能系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制策略。最后針對所提微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)搭建了仿真模型，驗證所提策略的有效性。

1 微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，左右兩側(cè)分別為直流子網(wǎng)和交流子網(wǎng)，通過雙向DC/AC變換器連接，以實現(xiàn)電能的雙向流動。直流子網(wǎng)中，光伏發(fā)電系統(tǒng)與直流母線之間通過升壓變換器連接，可重構(gòu)電池儲能與直流母線之間通過Buck-Boost變換器連接。交流子網(wǎng)帶有交流負載，并可以接入公用電網(wǎng)。

在不同運行模式下，微電網(wǎng)系統(tǒng)功率關(guān)系如式(1)所示：

PPV+Pbat+Pdc/ac=Pdcload

(1)

其中，PPV為光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率，Pbat為可重構(gòu)電池儲能吸收或釋放的功率，Pdc/ac為雙向變換器功率，Pdcload為直流負載需求功率。

2 可重構(gòu)電池儲能的控制策略

2.1 拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理

本文所研究的可重構(gòu)電池儲能拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，左側(cè)電池模塊選擇器由6個開關(guān)管，2個二極管以及3個電池組構(gòu)成，通過對開關(guān)管S1-S6的控制，可實現(xiàn)電池模塊的靈活接入以及三個電池組間的SOC均衡。右側(cè)為Buck-Boost變換器，包括儲能電感L，開關(guān)管S7、S8，續(xù)流二極管d3、d4和電容C1、C2。通過對開關(guān)管S7和S8的控制完成電池的充放電功能。開關(guān)管S7處于負極狀態(tài)，開關(guān)管S8導(dǎo)通時，二極管d3和d4關(guān)斷，變換器處于降壓狀態(tài)，電池組和電感從外部電源獲取電能；當開關(guān)管S8處于負極狀態(tài)時，L放電，對電池組進行充電，與二極管d3形成續(xù)流回路，電容C1用來消除電池組端電壓的紋波。當開關(guān)管S7處于正極狀態(tài)，開關(guān)管S8處于負極狀態(tài)時，變換器處于升壓狀態(tài)，此時電池組向電感L充電；當開關(guān)管S7處于負極狀態(tài)時，電池組和電感均處于放電狀態(tài)，電容C2用于維持直流母線電壓的穩(wěn)定。

三個電池組間SOC均衡工作原理為：充電過程中，SOC最低的電池優(yōu)先充電，其余電池待機，因此在某一時刻，系統(tǒng)檢測到電池組b1的SOC值最小時，只需將S2開關(guān)管導(dǎo)通即可；放電過程中，SOC最高的電池優(yōu)先放電，其余電池待機，因此在某一時刻，系統(tǒng)檢測到b1電池組的SOC值最大時，只需將開關(guān)管S1，S4導(dǎo)通即可。

圖2 可重構(gòu)電池拓撲結(jié)構(gòu)

2.2 控制策略

圖2中的雙向DC/DC變換器的控制結(jié)構(gòu)為雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。其中，電壓外環(huán)采用ISMC策略以增強變換器電壓的抗干擾性，電流內(nèi)環(huán)仍采用PI控制，控制原理如圖3所示。

圖3 可重構(gòu)電池儲能控制原理圖

考慮對變換器輸出電壓的控制，定義輸出電壓跟蹤誤差：

e=Uref-Udc

(2)

式中，Uref為電壓參考值，Udc為直流母線電壓。

基于電壓跟蹤誤差，設(shè)計積分滑模面為：

s=me+v

(3)

式中，v為輸出電壓差積分，m為待設(shè)計參數(shù)，本文取m值為1。

利用二階滑?？刂苹驹韀20]，電壓控制器表達式為：

(4)

式中，s為積分滑模面，r為待設(shè)計參數(shù)，sgn(s)為符號函數(shù)，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，本文取r值為0.5，Kp值為10，Ki值為1。

3 微電網(wǎng)功率協(xié)調(diào)控制策略

為了最大程度地利用太陽能資源，光伏發(fā)電系統(tǒng)將工作在最大功率跟蹤(Maximum power point tracking，MPPT)模式。通過對比光伏輸出功率PPV與負載功率Pdcload大小，結(jié)合儲能單元的充放電特性，可以將系統(tǒng)劃分為四種工作模式。

模式1：當光伏最大輸出功率PPV小于直流負載功率Pdcload時，直流子網(wǎng)的母線電壓降低。此時，可重構(gòu)電池儲能SOC滿足放電條件，故由可重構(gòu)電池儲能放電對功率進行補償。此模式，光伏發(fā)電系統(tǒng)與可重構(gòu)電池儲能同時向負載提供能量，交流子網(wǎng)無須提供功率支持。交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)各自獨立運行，交流負載由公用電網(wǎng)提供電能，直流子網(wǎng)的功率流動表達式為：

(5)

模式2：當直流負載持續(xù)增大超過光伏發(fā)電系統(tǒng)和可重構(gòu)電池儲能所提供的最大功率時，直流母線電壓降低，直流子網(wǎng)系統(tǒng)功率不能維持平衡。同時可重構(gòu)電池儲能達到放電下限退出系統(tǒng)，僅由光伏發(fā)電系統(tǒng)功率更難以維持系統(tǒng)穩(wěn)定，此時雙向DC/AC變換器工作狀態(tài)為整流模式，交流側(cè)能量流至直流側(cè)，公用電網(wǎng)為直流子網(wǎng)提供功率支持，系統(tǒng)功率關(guān)系表達式如下所示：

(6)

模式3：當直流負載功率Pdcload小于光伏輸出功率PPV時，直流母線電壓上升。此時可重構(gòu)電池儲能滿足充放電條件，故可重構(gòu)電池儲能工作于充電狀態(tài)以維持直流母線電壓穩(wěn)定。此時，直流子網(wǎng)與交流子網(wǎng)無功率交換，兩側(cè)均處于穩(wěn)定狀態(tài)，直流子網(wǎng)功率關(guān)系表達式如下所示：

(7)

模式4：當光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率大于直流負載需求功率，可重構(gòu)電池儲能處于充電上限無法工作時，直流子網(wǎng)功率冗余，直流母線電壓隨之上升，需要啟用DC/AC變換器將多余功率從交流子網(wǎng)傳輸至直流子網(wǎng)，從而維持系統(tǒng)的功率平衡。此時，系統(tǒng)功率關(guān)系式如下所示：

(8)

由上述分析可知，考慮到公用電網(wǎng)對功率的支持，可以忽略對交流子網(wǎng)側(cè)的功率控制，重點對直流子網(wǎng)側(cè)進行控制。微電網(wǎng)系統(tǒng)具體工作邏輯如圖4所示：

圖4 系統(tǒng)工作邏輯圖

4 仿真分析

為驗證所提功率協(xié)調(diào)控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink平臺中構(gòu)建了仿真模型。設(shè)置仿真工況時，能使微電網(wǎng)系統(tǒng)運行模式發(fā)生改變的因素有很多，其中較為典型的兩種工況是光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率發(fā)生變化與負載功率發(fā)生變化。因此，本文針對這兩種工況進行仿真分析，因光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率主要受光照強度等外界環(huán)境的影響，故可以通過控制光照強度變化來模擬光伏功率波動的效果。微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型主要參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)模型參數(shù)設(shè)置

工況1：光伏輸出功率大于負載需求功率，儲能系統(tǒng)充電。此時，光伏發(fā)電系統(tǒng)運行情況如圖5所示，其始終保持最大功率輸出。由圖6可知，儲能系統(tǒng)電流為負，SOC值不斷上升，表明此時可重構(gòu)電池儲能系統(tǒng)處于充電狀態(tài)。

圖5 光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓、電流、功率變化曲線

圖6 可重構(gòu)電池儲能電壓、電流、SOC變化曲線

圖7所示為直流母線電壓波形，其中在可重構(gòu)電池儲能分別采用PI控制與ISMC控制時，直流母線電壓都可恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。然而PI控制下的系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間更長，超調(diào)量更大，從而驗證了本文所采用的ISMC控制系統(tǒng)的響應(yīng)能力更優(yōu)。此時直流子網(wǎng)和交流子網(wǎng)各自穩(wěn)定運行，無須進行功率交換，雙向DC/AC變換器處于待機狀態(tài)。

圖7 直流母線電壓變化曲線

工況2：光照強度降低，光伏輸出功率減少，儲能系統(tǒng)處于放電狀態(tài)。光伏發(fā)電系統(tǒng)運行情況如圖8所示，從圖可以看出，0.7s時光伏輸出功率突減，出現(xiàn)功率差需要提供功率源補償。相應(yīng)的可重構(gòu)電池儲能運行情況如圖9所示，可重構(gòu)電池儲能電流由正值變?yōu)樨撝担姵豐OC由上升狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆?，說明可重構(gòu)電池儲能從充電模式轉(zhuǎn)為放電模式以維持系統(tǒng)功率平衡。此時因直流子網(wǎng)內(nèi)功率已實現(xiàn)均衡，故直流子網(wǎng)與交流子網(wǎng)各自穩(wěn)定運行。

圖8 光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓、電流、功率變化曲線

圖9 可重構(gòu)電池儲能電壓、電流、SOC變化曲線

直流母線電壓變化情況如圖10所示，該工作模式下直流母線電壓保持在750 V，表明微電網(wǎng)系統(tǒng)功率處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。同時從仿真結(jié)果中可以看出，所采用的ISMC控制策略相較于傳統(tǒng)PI雙閉環(huán)控制響應(yīng)速度更快，穩(wěn)態(tài)精度更高。

圖10 直流母線電壓變化曲線

工況3：如圖11所示，由于直流負載在0.7 s時突然減少，此時系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)功率冗余，同時因可重構(gòu)電池儲能荷電狀態(tài)大于充電上限，處于待機狀態(tài)，此時雙向DC/AC變換器工作于逆變狀態(tài)，將多余功率從直流側(cè)傳輸至交流側(cè)。

圖11 直流負載變化曲線

圖12 直流母線電壓變化曲線

由圖12可以明顯看出，當直流負載功率發(fā)生突變時，直流側(cè)母線電壓始終維持在750 V，證明了微電網(wǎng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)功率平衡，且直流母線并未因負載的突減而發(fā)生突變，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

5 結(jié)論

本文研究了一種基于可重構(gòu)電池儲能的微電網(wǎng)功率協(xié)調(diào)控制策略，首先闡述了可重構(gòu)電池儲能的拓撲結(jié)構(gòu)及其工作原理，并對其并網(wǎng)變換器采用積分滑?？刂撇呗?。其次，根據(jù)直流母線電壓及可重構(gòu)電池儲能的SOC將系統(tǒng)劃分為4種運行模式，并通過設(shè)定工作閾值協(xié)調(diào)變換器以實現(xiàn)功率平衡目標。最后在MATLAB/Simulink仿真平臺，根據(jù)光伏輸出功率和直流負載功率之間的關(guān)系，分別進行了儲能系統(tǒng)充電、放電及待機三種運行狀態(tài)下的仿真分析。結(jié)果表明，所提策略可以在實現(xiàn)電池SOC均衡的同時維持直流母線電壓的穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的魯棒性和響應(yīng)特性。