含分布式新能源和機(jī)電混合儲能接入的微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略

李 斌，葉季蕾，張 宇，時(shí)珊珊，王皓靖，劉麗麗，李明哲

（1南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 211816；2國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200240）

含分布式光伏、風(fēng)電等新能源接入的微網(wǎng)系統(tǒng)目前在配電網(wǎng)中的應(yīng)用日趨廣泛，一方面在海島、山區(qū)等配電網(wǎng)末端網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為薄弱區(qū)域能夠作為大電網(wǎng)的補(bǔ)充改善供電質(zhì)量，提升供電可靠性；另一方面在浙江、江蘇等用電峰谷價(jià)差較大區(qū)域能夠通過峰谷套利降低企業(yè)用電成本，提升儲能投資收益。但是隨著分布式新能源在微網(wǎng)系統(tǒng)中的占比不斷提升，其輸出功率波動性對系統(tǒng)輸出電能質(zhì)量和運(yùn)行穩(wěn)定性的影響不容忽視。儲能系統(tǒng)具備功率雙向調(diào)節(jié)能力，能夠平滑新能源出力波動，配置儲能系統(tǒng)是提升微網(wǎng)運(yùn)行可靠性的有效途徑。不同類型儲能系統(tǒng)輸出特性各不相同，鉛酸、鐵鋰等電化學(xué)儲能系統(tǒng)屬于能量型儲能系統(tǒng)，容量大但是充放電倍率較低，充放電次數(shù)有限[1]。而超級電容屬于功率型儲能系統(tǒng)，充放電次數(shù)通常能達(dá)到10 萬次以上。采用電化學(xué)儲能系統(tǒng)和超級電容相結(jié)合，共同構(gòu)建混合儲能系統(tǒng)，在保證控制效果的同時(shí)能夠有效降低投資成本，并廣泛應(yīng)用于分布式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中[2-3]，且針對微電網(wǎng)能量管理[4-9]及混合儲能系統(tǒng)協(xié)同控制策略開展了研究[10-13]。文獻(xiàn)[14-19]中對飛輪儲能運(yùn)行特性進(jìn)行了分析，相比于超級電容飛輪儲能系統(tǒng)對周圍環(huán)境要求較低，全壽命周期內(nèi)環(huán)境友好且能量密度更高，由此本文設(shè)計(jì)了一種含分布式光伏、電池/飛輪機(jī)電混合儲能系統(tǒng)及多類型負(fù)荷接入的交直流混合微網(wǎng)運(yùn)行拓?fù)洌鐖D1所示。其中飛輪系統(tǒng)用于提供快速的暫態(tài)功率響應(yīng)，電池系統(tǒng)用于提供持續(xù)的穩(wěn)態(tài)功率支撐；微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器一方面能夠?qū)崟r(shí)采集分布式新能源運(yùn)行數(shù)據(jù)并計(jì)算其輸出功率，另一方面能夠與電池和飛輪儲能系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信，對其進(jìn)行功率控制；網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行于直流恒壓模式，用于穩(wěn)定直流母線電壓?；谠撏?fù)浔疚奶岢隽艘环N適用于含機(jī)電混合儲能系統(tǒng)和分布式新能源接入的微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略，該策略通過對飛輪系統(tǒng)和電池系統(tǒng)剩余容量狀態(tài)的分析，將整個(gè)機(jī)電混合儲能系統(tǒng)的工作模態(tài)劃分為4類，并針對性地設(shè)計(jì)了各模態(tài)下的運(yùn)行控制策略，從而在充分發(fā)揮機(jī)電混合儲能系統(tǒng)中不同儲能介質(zhì)優(yōu)勢的同時(shí)，有效抑制微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)由于分布式新能源的間歇性和隨機(jī)性所帶來的功率波動，最終通過所建立的MATLAB仿真模型對提出的控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖1 基于交直流混合母線的可再生能源分布式發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 Renewable energy distributed generation system based on AC/DC hybrid bus

1 機(jī)電混合儲能系統(tǒng)的工作模態(tài)

飛輪和電池儲能系統(tǒng)各自SOC 是進(jìn)行機(jī)電混合儲能系統(tǒng)的能量管理的基礎(chǔ)，其中飛輪儲能系統(tǒng)的剩余容量正比于飛輪轉(zhuǎn)速可直接計(jì)算得到，電池系統(tǒng)SOC 可采用文獻(xiàn)[20]中所提出的基于卡爾曼濾波器的在線估計(jì)計(jì)算方式得到，本文中不再贅述。

考慮由飛輪和電池儲能系統(tǒng)的運(yùn)行特性，根據(jù)SOC 值將其各自工作狀態(tài)劃分為正常狀態(tài)(20%＜SOC＜90%)，低容狀態(tài)(SOC＜20%)和高容狀態(tài)(SOC＞90%)可得到機(jī)電混合儲能系統(tǒng)中飛輪和電池的工作狀態(tài)組合表，如表1 所示共9 種工作模態(tài)，其中SOCf和SOCb分別表示飛輪剩余容量和電池剩余容量。在運(yùn)行過程中，能量管理策略將根據(jù)混合儲能系統(tǒng)當(dāng)前工作模態(tài)和并網(wǎng)情況做出調(diào)整，為控制方便，將表1 中的9 種工作模態(tài)歸納為以下4類：

表1 混合儲能系統(tǒng)工作模態(tài)Table 1 Hybrid energy storage system working mode

（1）飛輪和電池系統(tǒng)均為正常模態(tài)，包括MNN一個(gè)模態(tài)。

（2）飛輪非正常模態(tài)且電池正常模態(tài)，包括MLN和MHN兩個(gè)模態(tài)，分別表示(飛輪低容，電池正常)和(飛輪高容，電池正常)。

（3）飛輪正常模態(tài)且電池非正常模態(tài)，包括MNL和MNH兩個(gè)模態(tài)，分別表示(飛輪正常，電池低容)和(飛輪正常，電池高容)。

（4）飛輪和電池均為非正常模態(tài)，包括MLH、MHL、MLL和MHH四個(gè)模態(tài)，分別表示(飛輪低容，電池高容)、(飛輪高容，電池低容)、(飛輪低容，電池低容)和(飛輪高容、電池高容)。

2 微網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略

為平滑分布式新能源出力波動，首先計(jì)算波動功率大小Ps，如式(1)所示。從中可見Ps與微網(wǎng)中新能源配置和負(fù)荷大小直接相關(guān)，若通過混合儲能系統(tǒng)將其完全吸收需要配置功率和容量較大，成本較高。為此，將Ps進(jìn)行低通濾波，通過混合儲能系統(tǒng)平抑高頻波動部分Ps1，如圖2所示。其中低通濾波系數(shù)根據(jù)微網(wǎng)系統(tǒng)中新能源、機(jī)電混合儲能系統(tǒng)以及網(wǎng)側(cè)變流器容量配置設(shè)定。功率流向以流向電網(wǎng)為正。

圖2 機(jī)電混合儲能系統(tǒng)輸出功率計(jì)算Fig.2 Calculation of output power of electromechanical hybrid energy storage system

式中，Ps為微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)波動功率；Psolar為光伏系統(tǒng)發(fā)出的有功功率；Pload為負(fù)載吸收的有功功率。

圖1 中與電池組相連接的雙向DC-DC 變換器采用恒流充放電控制策略，其控制框圖如圖3 所示，即通過對電池的充放電電流進(jìn)行控制，從而控制其吸收或釋放的有功功率。

圖3 電池系統(tǒng)雙向DC-DC變換器恒流控制策略Fig.3 Constant current control strategy of bidirectional DC-DC converter in battery system

與飛輪系統(tǒng)相連的飛輪側(cè)變換器為典型的兩電平三橋臂變換器，通過傳統(tǒng)矢量控制實(shí)現(xiàn)對飛輪永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流的控制，從而調(diào)節(jié)飛輪轉(zhuǎn)速。通過測量電池組的端電壓Ub和飛輪轉(zhuǎn)速Ω，可以計(jì)算得到電池系統(tǒng)的充電電流和飛輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩電流如式(2)所示。

式中，Pb-ref、Pf-ref分別為電池和飛輪儲能輸出功率參考值；Ib-ref為電池系統(tǒng)充電電流參考值；If-ref為飛輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩電流參考值；Ct為轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制下飛輪永磁同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和力矩電流間的比例系數(shù)。

2.1 正常模態(tài)(MNN)

正常模態(tài)中飛輪系統(tǒng)和電池系統(tǒng)的剩余容量都處于適中范圍內(nèi)，是機(jī)電混合儲能系統(tǒng)最為經(jīng)常保持的運(yùn)行狀態(tài)。該模態(tài)下控制框圖如圖4所示，功率Ps1經(jīng)過低通濾波和增益系數(shù)K后計(jì)算得到所需電池輸出功率Pb，以電池系統(tǒng)額定容量Pb-norm為約束條件進(jìn)一步得到當(dāng)前時(shí)刻電池輸出功率給定值Pb-ref-NN(t)。飛輪儲能用于補(bǔ)償Ps1經(jīng)過低通濾波后的高頻部分，同樣以其額定容量Pf-norm為約束條件計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻飛輪輸出功率給定值Pf-ref-NN(t)。圖4中低通濾波常數(shù)和增益系數(shù)K需根據(jù)電池和飛輪儲能容量、功率配置設(shè)定。

圖4 機(jī)電混合儲能系統(tǒng)控制框圖Fig.4 Control block diagram of electromechanical hybrid energy storage system

2.2 飛輪非正常模態(tài)(MLN，MHN)

在此模態(tài)中，電池SOC 處于正常狀態(tài)，電池系統(tǒng)輸出功率可按照2.1 節(jié)中計(jì)算得到。飛輪系統(tǒng)的剩余容量則過高或過低，無法發(fā)揮出其足夠的性能，該情況下首先仍根據(jù)MNN模態(tài)初步計(jì)算得到飛輪所需輸出功率，在此基礎(chǔ)上根據(jù)當(dāng)前飛輪SOC狀態(tài)進(jìn)一步計(jì)算MLN、MHN兩種模態(tài)下輸出功率設(shè)定值，分別如式(3)、式(4)所示。其中ΔPf為設(shè)定的飛輪功率死區(qū)范圍，當(dāng)計(jì)算得到的功率給定值在死區(qū)范圍內(nèi)時(shí)則保持不變。

2.3 電池系統(tǒng)非正常模態(tài)(MNL, MNH)

在此模態(tài)中飛輪儲能系統(tǒng)輸出功率按照2.1 節(jié)中計(jì)算得到，電池系統(tǒng)充放電控制策略與2.2 節(jié)類似，其輸出功率設(shè)定值計(jì)算如式(5)、式(6)所示，其中ΔPb為設(shè)定的電池功率死區(qū)范圍。

2.4 電池系統(tǒng)和飛輪系統(tǒng)均非正常模態(tài)(MLH，MHL，MHH，MLL)

該模態(tài)下電池和飛輪均處于非正常狀態(tài)，飛輪儲能系統(tǒng)在MLH、MLL兩種模式輸出功率設(shè)定置如式(3)所示僅對飛輪儲能系統(tǒng)進(jìn)行充電控制，MHL、MHH兩種模式輸出功率設(shè)定置如式(4)所示僅對飛輪儲能系統(tǒng)進(jìn)行放電控制。電池儲能系統(tǒng)在MLL、MHL兩種模式輸出功率設(shè)定置如式(5)所示僅對電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行充電控制，MLH、MHH兩種模式輸出功率設(shè)定置如式(6)所示僅對電池進(jìn)行放電控制。

3 仿真與分析

基于Matlab/Simulink仿真環(huán)境，搭建了圖1所示的基于交直流混合母線的微網(wǎng)系統(tǒng)。系統(tǒng)中分布式光伏最大功率為80 kW，以某地8月多云天氣情況下實(shí)際運(yùn)行曲線作為功率運(yùn)行曲線，如圖5所示，其波動率最高為48 kW/min。飛輪儲能系統(tǒng)配置為40 kW/30 s，電池儲能系統(tǒng)配置為20 kW/20 kWh，控制算法中的增益系數(shù)K取0.9。低通濾波器1 截止頻率選為系數(shù)選取為0.33 mHz，低通濾波器2截止頻率選為0.67 mHz。

微網(wǎng)系統(tǒng)中飛輪和電池儲能系統(tǒng)以第三節(jié)所提控制策略運(yùn)行，系統(tǒng)處于正常模態(tài)下分布式光伏和機(jī)電混合儲能系統(tǒng)中飛輪和電池儲能系統(tǒng)輸出功率曲線和SOC曲線分別如圖6和圖7所示，平抑前后整體輸出功率曲線如圖8所示。從中可以看出飛輪和電池儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制能夠有效減小光伏出力引起的功率波動，運(yùn)行過程中高頻波動主要由飛輪儲能進(jìn)行平抑，低頻波動主要由電池儲能平抑，飛輪儲能系統(tǒng)運(yùn)行過程中功率和SOC 波動高于電池儲能系統(tǒng)，充分發(fā)揮了不同類型儲能的優(yōu)勢。非正常模態(tài)下僅能通過飛輪或電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行充電或放電，直至SOC∈[20%，90%]后恢復(fù)至正常工作模態(tài)。

圖6 飛輪與電池輸出功率Fig.6 Flywheel with battery output power

圖7 飛輪和電池儲能系統(tǒng)SOCFig.7 Flywheel and battery energy storage system SOC

圖8 平抑前后微網(wǎng)系統(tǒng)功率輸出大小Fig.8 The power output size of the microgrid system before and after the flattening

4 結(jié) 論

本文提出了一種交直流混合母線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，含分布式新能源能源、機(jī)電混合儲能系統(tǒng)接入的微網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，該策略將機(jī)電混合儲能系統(tǒng)的工作模態(tài)根據(jù)其飛輪和電池系統(tǒng)各自剩余容量的不同而劃分為4類，并在各工作模態(tài)內(nèi)設(shè)計(jì)了其各自的充放電控制策略，從而在保證機(jī)電混合儲能系統(tǒng)兼具良好動靜態(tài)特性的前提下，能夠有效抑制微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)引起的功率波動，提升微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，并最終通過仿真驗(yàn)證了所提方法的有效性。