殷桂梁，李相男，郭磊，李曉亮

（燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，秦皇島066004）

摘要：光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電輸出功率具有間歇性和隨機(jī)性的特點，為了提升微電源的性能，將儲能裝置應(yīng)用于風(fēng)光互補(bǔ)的微電網(wǎng)中。采用超級電容與蓄電池的混合儲能系統(tǒng)，通過對DC/DC變換器控制策略的合理設(shè)計，實現(xiàn)了蓄電池恒流充放電，延長了使用壽命；針對傳統(tǒng)PID控制的不足，采用響應(yīng)速度更快、控制效果更好的滑模變結(jié)構(gòu)控制方法；為了平抑風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)并網(wǎng)功率，并在孤島運(yùn)行時提供穩(wěn)定的電壓頻率支持，采用低壓微電網(wǎng)的下垂控制策略。在孤島運(yùn)行時，分別在風(fēng)速、光照強(qiáng)度改變以及負(fù)載變化的情況進(jìn)行了仿真評估混合儲能系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明，混合儲能系統(tǒng)能夠提高風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

為了更高效地利用可再生能源，在太陽能、風(fēng)能資源比較豐富的地區(qū)，構(gòu)建風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)進(jìn)行發(fā)電，可以提高微電網(wǎng)供電的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性[1-2]。典型的風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)由風(fēng)力發(fā)電單元、光伏發(fā)電單元、儲能系統(tǒng)及負(fù)荷組成[3]。其中，儲能對于微電網(wǎng)的不間斷供電、電力調(diào)峰、電能質(zhì)量的改善和微電源性能的提升具有非常重要的作用，是微電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵[4-5]。

蓄電池儲能具有能量密度大、運(yùn)行維護(hù)簡便的優(yōu)點[6]，超級電容器具有功率密度大、循環(huán)壽命長、充放電效率高的優(yōu)點[7]，二者在技術(shù)性能上有互補(bǔ)性[8]，通過合理連接混合使用，可使系統(tǒng)兼具蓄電池的高能量密度和超級電容器的高功率密度的優(yōu)點，并可以優(yōu)化蓄電池的工作環(huán)境。文獻(xiàn)[9-10]對混合儲能應(yīng)用于獨立的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，研究表明混合儲能應(yīng)用于獨立光伏系統(tǒng)，可以降低蓄電池的放電深度，提高光伏系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率；文獻(xiàn)[11-12]將混合儲能系統(tǒng)應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電中，結(jié)果表明，混合儲能可以迅速平衡系統(tǒng)瞬時功率，改善風(fēng)電功率波動，優(yōu)化蓄電池的工作狀態(tài)，延長其使用壽命；文獻(xiàn)[13]在分析微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行對儲能要求的基礎(chǔ)上，提出適用于微電網(wǎng)的混合儲能控制策略，在滿足微電網(wǎng)運(yùn)行需求的前提下，混合儲能結(jié)構(gòu)能夠延長蓄電池的使用壽命，有較強(qiáng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

本文深入分析了含有混合儲能系統(tǒng)的風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，進(jìn)而在孤島模式下進(jìn)行仿真，考慮了當(dāng)外界自然條件和負(fù)載變化時，混合儲能系統(tǒng)的加入對于負(fù)載電壓和系統(tǒng)頻率的影響，驗證了混合儲能系統(tǒng)的加入對于提高電能質(zhì)量的作用。

1儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混合儲能系統(tǒng)由蓄電池組、超級電容器組、雙向DC/DC變換器和雙向DC/AC變換器組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，UB和RB為蓄電池組電壓和等效內(nèi)阻；L為雙向DC/DC變換器電感；iL為流過電感上的電流；C為直流母線電容；udc為直流母線電壓；Usc和Rsc為超級電容器組等效電壓源和等效內(nèi)阻；Lf為變換器濾波電感；Cf為變換器濾波電容；Rf為變換器濾波電阻；Zln為線路阻抗；Z為恒阻抗負(fù)載；Ui、Il分別為變換器輸出的電壓和濾波電感上的電流；Uldi為濾波電容上的電壓；Ici為流向濾波電容上的電流；Iln為流向負(fù)載和電網(wǎng)的電流之和。

蓄電池組通過雙向buck/boost變換器與超級電容器組一起并聯(lián)在三相變換器的直流母線上，三相變換器經(jīng)過LC濾波器接入風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)的交流母線上，通過與微電網(wǎng)之間有功和無功功率的交換實現(xiàn)系統(tǒng)的瞬時功率平衡和穩(wěn)定控制。

2雙向DC/DC變換器的控制策略

為了驗證DC/DC變換器滑模變結(jié)構(gòu)控制方法的響應(yīng)速度和控制效果，搭建如圖1所示的混合儲能系統(tǒng)，系統(tǒng)中將三相逆變器部分等效為恒功率負(fù)載。系統(tǒng)參數(shù)為：超級電容器電容15F，額定電壓900V，初始電壓850V，內(nèi)阻0.1Ω；蓄電池容量100A·h，額定電壓240V，內(nèi)阻0.5Ω；雙向DC/DC變換器電感9mH；負(fù)載電阻100Ω。仿真得到傳統(tǒng)PID控制與滑模變結(jié)構(gòu)控制時電感電流仿真波形，如圖4所示。

兩種控制方法都能使電感電流有效地跟蹤給定電流，采用PID控制方法輸出的電感電流紋波約為20%，而采用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法輸出的電感電流紋波約為5.7%。由此可以看出，采用滑模變結(jié)構(gòu)的控制方法輸出的電感電流紋波更小，響應(yīng)的速度也更快。

3雙向DC/AC變換器的控制策略

當(dāng)光照、溫度、風(fēng)力發(fā)生變化時，風(fēng)光互補(bǔ)的微電網(wǎng)輸出功率波動很大，這就要求混合儲能系統(tǒng)能夠平抑分布式電源的并網(wǎng)功率，減少功率波動對微電網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊，而在孤島運(yùn)行時能夠提供微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和頻率參考，且能合理分擔(dān)負(fù)荷的功率，維持整個系統(tǒng)的功率平衡。因而，雙向DC/AC變換器采用控制靈活、簡單的下垂控制策略。

在低壓微電網(wǎng)中，微電源輸出的有功功率主要與輸出電壓的幅值有關(guān)，而無功功率主要與輸出電壓相角有關(guān)。因而，傳統(tǒng)的下垂控制方程變?yōu)?/p>

根據(jù)上述低壓下垂特性，設(shè)計得到功率控制器，如圖5所示。同時為了改善三相輸出電能，需對電壓和電流進(jìn)行精確、動態(tài)的控制，其中最典型的控制策略是電壓電流雙環(huán)控制，如圖6所示。

輸出電壓與功率控制器得到的參考電壓信號相比較，其差值經(jīng)過電壓環(huán)PI控制器和前饋解耦控制得到電流內(nèi)環(huán)的參考電流。濾波電感電流與參考電流的差值經(jīng)過電流環(huán)PI控制器、前饋解耦和電壓前饋補(bǔ)償?shù)玫絊PWM調(diào)制電壓信號。

4仿真分析

為了驗證混合儲能系統(tǒng)在風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)中的重要性，構(gòu)建一個風(fēng)光互補(bǔ)的微電網(wǎng)，結(jié)構(gòu)如圖7所示，系統(tǒng)由光伏發(fā)電（31kW）、雙饋風(fēng)力發(fā)電（35kW）以及超級電容蓄電池混合儲能系統(tǒng)（蓄電池容量100Ah，額定電壓240V，超級電容器電容15F，額定電壓900V）和負(fù)載組成，通過線路、斷路器連接到大電網(wǎng)中。超級電容蓄電池混合儲能接在公共母線上，用于穩(wěn)定母線電壓，并在孤島運(yùn)行時采用下垂控制，吸收或補(bǔ)給功率缺額，維持整個系統(tǒng)的功率平衡。負(fù)載1、2為本地負(fù)載，負(fù)載3為重要負(fù)載，運(yùn)行時應(yīng)保證其供電可靠性，負(fù)載4、5為普通負(fù)載，必要時可以切除，負(fù)載6為沖擊性負(fù)載。

4.1孤島運(yùn)行時光照強(qiáng)度、風(fēng)速變化仿真分析

太陽的光照強(qiáng)度和風(fēng)機(jī)的風(fēng)速隨機(jī)的發(fā)生變化。本地負(fù)載1、2和重要負(fù)載3接入系統(tǒng)，負(fù)載1：P=5kW，Q=3kvar；負(fù)載2：P=8kW，Q=3kvar；負(fù)載3：P=20kW，Q=0kvar。仿真結(jié)果如圖8所示。

由圖8（a）、（b）可以看出，光伏和風(fēng)機(jī)的輸出功率隨著太陽的光照強(qiáng)度和風(fēng)機(jī)的風(fēng)速隨機(jī)的發(fā)生變化，具有很大的隨機(jī)性、波動性。由圖8（c）、（d）可以看出，在風(fēng)速和光照強(qiáng)度變化時，負(fù)載3電壓基本保持不變，維持在標(biāo)幺值1p.u.附近，系統(tǒng)頻率始終穩(wěn)定在50Hz附近，滿足了重要負(fù)荷的供電可靠性。

整個仿真過程表明，當(dāng)外界條件發(fā)生變化，風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)輸出功率波動很大時，儲能系統(tǒng)能夠平抑功率的波動，提供微電網(wǎng)的電壓和頻率支持，且能夠合理地分擔(dān)負(fù)載功率，維持整個系統(tǒng)的功率平衡。

4.2孤島運(yùn)行時負(fù)載變化仿真分析

太陽的光照強(qiáng)度恒為1000W/m2，風(fēng)機(jī)的風(fēng)速恒為8m/s。本地負(fù)載1、2和重要負(fù)載3以及普通負(fù)載4接入系統(tǒng)，負(fù)載1：P=10kW，Q=3kvar；負(fù)載2：P=13kW，Q=3kvar；負(fù)載3：P=25kW，Q=0kvar；負(fù)載4：P=10kW，Q=0kvar。t=1s時突加沖擊負(fù)載：t=1.0~1.25s總的負(fù)載消耗有功功率由58kW逐漸增加到80kW，無功功率由6kvar逐漸增加到10kvar；t=1.25~1.5s總的負(fù)載消耗有功功率由80kW逐漸降到58kW，無功功率由10kvar逐漸降到6kvar。t=3s時突加負(fù)載5，P=5kW，Q=500var，t=4s時切除負(fù)載5，t=5s時突甩負(fù)載4。得到的系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖9所示。

由圖9（a）、（b）可以看出，光伏輸出功率恒為P=31kW，Q=0kvar；風(fēng)機(jī)輸出功率恒為P=28kW，Q=6kvar。由圖9（d）可以看出，由于混合儲能系統(tǒng)提供穩(wěn)定的頻率支持，使得系統(tǒng)頻率一直穩(wěn)定在50Hz附近，滿足了重要負(fù)荷的供電可靠性。

在t=1s時突加沖擊負(fù)載，由圖9（d）、（e）可以看出，無混合儲能系統(tǒng)時，突加沖擊負(fù)載則重要負(fù)載3電壓下降到0.8p.u.左右，系統(tǒng)頻率在49.5~50.5Hz上下波動較大，不能滿足負(fù)載穩(wěn)定性要求；

加混合儲能系統(tǒng)時，在突加沖擊負(fù)載前后，負(fù)載兩端電壓基本保持不變，維持在1p.u.附近，系統(tǒng)頻率維持在50Hz附近，滿足負(fù)載的供電可靠性。

在無混合儲能系統(tǒng)時，t=3s時，突加負(fù)載5。由圖9（e）可以看出，由于系統(tǒng)存在功率缺額，重要負(fù)載3電壓下降到0.9p.u.，t=5s時，突甩負(fù)載4，重要負(fù)載3電壓在0.95~1.2p.u.上下波動；在加入混合儲能系統(tǒng)以后，在突加、突甩負(fù)載時，混合儲能系統(tǒng)使整個微網(wǎng)功率平衡并向系統(tǒng)提供電壓支持，負(fù)載3電壓穩(wěn)定在標(biāo)幺值1。

整個仿真過程表明，系統(tǒng)孤島運(yùn)行時，突加沖擊負(fù)載和突加、突甩負(fù)載時，儲能系統(tǒng)能夠維持系統(tǒng)功率平衡，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓和頻率，使整個過程中電壓幅值和頻率的變化始終在允許的范圍內(nèi)，滿足電能質(zhì)量的要求。

5結(jié)語

混合儲能對于風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)內(nèi)部能量的瞬時平衡，維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及改善微電源的性能具有非常重要的作用。本文采用適合風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)的混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計了雙向DC/DC、雙向DC/AC變換器的控制策略，并構(gòu)建了風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)，針對系統(tǒng)孤島運(yùn)行時光照強(qiáng)度、風(fēng)速變化；突加、突甩負(fù)載；突加沖擊負(fù)載3種情況進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明儲能系統(tǒng)能夠提供風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)的電壓和頻率參考，維持整個系統(tǒng)的功率平衡，提高微電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

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