含有混合儲(chǔ)能的微電網(wǎng)控制策略研究

趙永來(lái)

(國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

為滿足能源利用可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需求，近些年來(lái)可再生能源發(fā)電技術(shù)得到極大關(guān)注并取得了一定的進(jìn)展[1]。由于新能源的特殊性，因此這類電源的接入會(huì)給系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及供電可靠性帶來(lái)一定的負(fù)面影響[2-3]。在微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，常將柴油發(fā)電機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池等輸出功率穩(wěn)定且容量較大可控型微電源對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，用來(lái)維持系統(tǒng)電壓與頻率穩(wěn)定。出于經(jīng)濟(jì)成本考慮，采用控制靈活、便捷的儲(chǔ)能裝置來(lái)平抑微電網(wǎng)系統(tǒng)功率波動(dòng)目前是一項(xiàng)最佳選擇[3-7]。通過(guò)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能裝置功率輸入輸出，可以在一定程度上抑制系統(tǒng)功率的波動(dòng)性和非預(yù)測(cè)性，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

然而多種間歇性非可控微電源和可控型微電源的接入，對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行與控制提出巨大的挑戰(zhàn)。如何提高微電網(wǎng)的供電質(zhì)量和并網(wǎng)運(yùn)行的可調(diào)度性已成為當(dāng)今一項(xiàng)重要課題[8-12]。近些年國(guó)內(nèi)外一些文獻(xiàn)對(duì)微網(wǎng)的運(yùn)行與控制采用下垂控制方式，但是在孤島運(yùn)行時(shí)各分布式電源功率不能得到合理分配，動(dòng)態(tài)過(guò)程中容易產(chǎn)生較大的功率振蕩、系統(tǒng)控制環(huán)控制參數(shù)復(fù)雜、可控微源切換過(guò)程中的功率缺額以及并網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行模式下平穩(wěn)過(guò)渡系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題都是有待于解決的。

本文將基于超級(jí)電容器與蓄電池的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)在微電網(wǎng)上，采用模糊滑?？刂品绞綄?duì)混合儲(chǔ)能裝置進(jìn)行控制，通過(guò)仿真驗(yàn)證該方法具有優(yōu)越性，從而使微網(wǎng)得到更為精確的控制。

1 微電網(wǎng)系統(tǒng)基本原理

1.1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)由非可控型微源風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Wind)、光伏電池(PV)和可控型微源柴油發(fā)電機(jī)(DE)、微型燃?xì)廨啓C(jī)(MT)、燃料電池(FC)以及混合儲(chǔ)能裝置(超級(jí)電容器與蓄電池)組成。每個(gè)微源通過(guò)變流器與母線聯(lián)接并與相應(yīng)的負(fù)荷并聯(lián)，微電網(wǎng)通過(guò)PCC點(diǎn)與大電網(wǎng)連接。含混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 含混合儲(chǔ)能的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.2 微電網(wǎng)電源控制方式

微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，將光伏電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為主電源為電網(wǎng)和負(fù)荷供電，可控型微源柴油發(fā)電機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池與微網(wǎng)斷開(kāi)。光伏電源與風(fēng)力機(jī)均采用PQ控制方式。由于并網(wǎng)時(shí)非可控型微源輸出功率具有波動(dòng)性，從減少充放電次數(shù)和提高使用壽命的角度考慮，將超級(jí)電容器與蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用下垂控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)平抑微電網(wǎng)的功率波動(dòng)，從而提高微電網(wǎng)并網(wǎng)的電能質(zhì)量。

微電網(wǎng)在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，將可控型微源作為微網(wǎng)主電源，采用VF控制維持微電網(wǎng)電壓和頻率穩(wěn)定，此時(shí)非可控型微源與微網(wǎng)斷開(kāi)。根據(jù)負(fù)荷需求在投切可控型微源時(shí)會(huì)產(chǎn)生功率波動(dòng)，由于超級(jí)電容器功率因數(shù)較大，因此采用超級(jí)電容器來(lái)平抑可控微源投切過(guò)程中的功率波動(dòng)，蓄電池通過(guò)充放電用來(lái)維護(hù)系統(tǒng)整體性能的穩(wěn)定。此時(shí)儲(chǔ)能裝置采用下垂控制方式。具體的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2—圖4所示。

圖2 PQ控制結(jié)構(gòu)框圖

圖3 VF控制結(jié)構(gòu)框圖

圖4 下垂控制結(jié)構(gòu)

2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

由于超級(jí)電容器與蓄電池功能特性具有互補(bǔ)性，采用合理的控制方式不僅降低投資成本，更能有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[13]。微電網(wǎng)在并入電網(wǎng)時(shí)，采用混合儲(chǔ)能裝置共同投入運(yùn)行；微電網(wǎng)在脫離大電網(wǎng)或者投切負(fù)荷時(shí)，投入超級(jí)電容器進(jìn)行平波，蓄電池主要用作離網(wǎng)時(shí)主要電源。

2.1 儲(chǔ)能裝置逆變器控制方式

滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種解決非線性控制問(wèn)題的魯棒控制方法，主要用于處理建模的不精確性。但變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)由于開(kāi)關(guān)切換、系統(tǒng)故障等非理想因素的影響，使滑動(dòng)模態(tài)容易產(chǎn)生高頻抖振[14-15]。介于模糊控制和滑?？刂苾?yōu)缺點(diǎn)以及相關(guān)性，本文將二者組合成模糊滑?？刂破鲬?yīng)用到混合儲(chǔ)能裝置中，其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

采用滑?？刂瓶梢钥朔?shù)不確定性和外部干擾。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模糊控制器，采用模糊控制方式可以減輕滑模控制的抖振問(wèn)題。一個(gè)閉環(huán)模糊滑動(dòng)模式控制器如圖6所示。該控制器可以使有功和無(wú)功功率保持恒定輸出。該模糊滑模控制算法就是通過(guò)滑?？刂破鲗?duì)誤差和誤差變化率進(jìn)行切換，同時(shí)對(duì)切換函數(shù)和切換函數(shù)微分進(jìn)行模糊化，經(jīng)過(guò)模糊推理和解模糊化后，最后經(jīng)過(guò)模糊控制器得到輸出控制量u，并對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。

圖5 混合儲(chǔ)能裝置逆變器控制結(jié)構(gòu)

圖6 模糊滑?？刂破骺刂平Y(jié)構(gòu)

(1)

鎖相環(huán)PLL通過(guò)相位角將逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓保持同步，其目的使系統(tǒng)電流誤差保持最低并合成的電壓的校正矢量。誤差電流定義如式(2)所示。

(2)

母線三相dq軸電流誤差e(t)以及誤差的變化率de(t)如式(3)所示。其采樣時(shí)間T=1 ms。

(3)

切換函數(shù)s(k)的設(shè)計(jì)見(jiàn)式(4)：

(4)

采用比例切換控制方法并滿足滑動(dòng)模態(tài)存在條件進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，控制器設(shè)計(jì)見(jiàn)式(5)：

u=(α|e(t)|+βde(t))·sgn(s(t))

(5)

控制變量u是根據(jù)模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)的。令s(t),ds(t)為模糊變量并作為模糊控制器的輸入。模糊變量Δu作為模糊控制器的輸出。根據(jù)模糊控制理論，模糊集設(shè)計(jì)如下所示：

s={NB,NS,ZO,PS,PB};

ds={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB};

Δu={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}

其中模糊變量s(t),ds(t)，Δu的模糊論域?yàn)閇-1，1]。模糊變量采用三角型隸屬函數(shù)。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)有功功率無(wú)功功率控制的模糊控制規(guī)則庫(kù)如表1、表2所示。

表1 電流有功誤差Δid輸入模糊規(guī)則

表2 電流無(wú)功誤差Δiq輸入模糊規(guī)則

2.2 儲(chǔ)能裝置DC/DC變流器控制方式

本文混合儲(chǔ)能裝置控制框圖如圖7所示。超級(jí)電容器和蓄電池分別采用DC/DC變流器進(jìn)行控制，從而使超級(jí)電容器和蓄電池充放電以及相互切換控制更具有靈活性，而且儲(chǔ)能裝置在放電時(shí)通過(guò)對(duì)高壓側(cè)的控制，有利于保持直流母線電壓的穩(wěn)定。在儲(chǔ)能容量的配置方面，微電網(wǎng)在并網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行以及相互切換過(guò)程中，儲(chǔ)能容量只需保證微電網(wǎng)重要負(fù)荷正常供電即可。

圖7 混合儲(chǔ)能裝置控制框圖

由于占空比d由開(kāi)關(guān)管的通斷時(shí)間決定，因此通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的通斷時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)能量雙向傳輸控制。外環(huán)電流參數(shù)是由母線功率差值PH經(jīng)過(guò)低通濾波器進(jìn)行功率分配，并經(jīng)過(guò)PI運(yùn)算得到。

3 微電網(wǎng)負(fù)荷投切及相互切換控制

微電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中主要經(jīng)歷并網(wǎng)、離網(wǎng)、負(fù)荷投切以及平滑切換幾個(gè)狀態(tài)，因此采用合理有效的控制方式對(duì)微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行是至關(guān)重要的，本文具體控制策略設(shè)計(jì)如下。

a. 微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)非可控型微源采用PQ控制，可控微源斷開(kāi)。此時(shí)蓄電池和超級(jí)電容器同時(shí)對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行充放電，并根據(jù)系統(tǒng)波動(dòng)功率的合理分配對(duì)混合儲(chǔ)能裝置變流器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功率接近目標(biāo)值。

b. 在系統(tǒng)投切負(fù)荷或由并網(wǎng)向離網(wǎng)狀態(tài)切換過(guò)程中，采用超級(jí)電容器進(jìn)行放電來(lái)迅速填補(bǔ)微電網(wǎng)功率缺額。通過(guò)調(diào)節(jié)DC/DC變流器來(lái)實(shí)現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定。將PCC點(diǎn)斷開(kāi)瞬間電網(wǎng)的電壓和頻率值作為混合儲(chǔ)能裝置VF控制的參考電壓和參考頻率，從而減小混合儲(chǔ)能裝置的投入對(duì)微電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊影響。

c. 微電網(wǎng)在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可控制微源采用VF控制策略，非可控微源斷開(kāi)。微電網(wǎng)由離網(wǎng)切換到并網(wǎng)時(shí)所產(chǎn)生的沖擊電流，主要由微電網(wǎng)與電網(wǎng)之間的電壓偏差和相角偏差綜合決定的，而與頻率差關(guān)系較小。因此在并網(wǎng)前須通過(guò)預(yù)同步控制將電壓和相角調(diào)到與電網(wǎng)基本一致，從而減小并網(wǎng)合閘時(shí)產(chǎn)生的沖擊，本文采用直接調(diào)整主電源VF控制的參考電壓和參考頻率的方式進(jìn)行預(yù)同步控制。經(jīng)過(guò)調(diào)整，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)關(guān)系如下可進(jìn)行并網(wǎng):

(6)

式中：ug和u分別為電網(wǎng)和微電網(wǎng)電壓幅值；un為額定電壓幅值。

4 算例仿真分析

4.1 仿真模型及參數(shù)

根據(jù)圖1所示的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，本文運(yùn)用Matlab/Simulink 軟件搭建含有混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的微電網(wǎng)仿真模型，其仿真模型如圖8所示。

該微電網(wǎng)仿真模型主要參數(shù)設(shè)置如下：非可控型微源光伏系統(tǒng)PV容量為150 kW，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)WT容量為150 kW；可控型微源燃?xì)廨啓C(jī)MT容量為40 kW，柴油機(jī)DE容量為70 kW, 燃料電池FC容量為60 kW；混合儲(chǔ)能裝置蓄電池Bat(Battery)容量為160 kW，超級(jí)電容器SC(Supercapacitor)容量為80 kW；交流母線額定電壓 550 V,系統(tǒng)頻率50 Hz。

圖8 含有混合儲(chǔ)能系統(tǒng)微電網(wǎng)仿真模型

4.2 微電網(wǎng)運(yùn)行仿真分析

某地區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)中雙饋風(fēng)機(jī)和光伏電池全天輸出有功波動(dòng)功率如圖9、圖10所示。微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)主要由非可控型微源為電網(wǎng)和負(fù)荷供電，采用混合儲(chǔ)能裝置來(lái)平抑微電網(wǎng)系統(tǒng)波動(dòng)功率，此時(shí)混合儲(chǔ)能裝置(見(jiàn)圖7)將開(kāi)關(guān)K1斷開(kāi)，K2、K3閉合?；旌蟽?chǔ)能裝置逆變器分別采用常規(guī)控制和模糊滑?？刂频娘L(fēng)光并網(wǎng)功率對(duì)比曲線如圖11所示，其中Pwave為風(fēng)電和光伏疊加輸出總功率，Pgrid-C為采用常規(guī)控制風(fēng)光并網(wǎng)總功率，Pgrid-H為采用模糊滑?？刂骑L(fēng)光并網(wǎng)總功率?？梢钥闯霾捎媚：？刂戚^常規(guī)控制具有較好的平滑效果。圖12為微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)混合儲(chǔ)能裝置充放電功率，實(shí)現(xiàn)了蓄電池平抑高頻波動(dòng)功率，超級(jí)電容器平抑低頻波動(dòng)功率，使儲(chǔ)能單元得到合理的應(yīng)用。

圖9 雙饋風(fēng)機(jī)全天輸出波動(dòng)功率

圖10 光伏電池全天輸出功率

圖11 混合儲(chǔ)能裝置采用常規(guī)和模糊滑?？刂骑L(fēng)光并網(wǎng)功率對(duì)比曲線

微電網(wǎng)在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)將可控制微源作為主電源對(duì)系統(tǒng)提供支撐，非可控型微源斷開(kāi)。采用VF控制策略跟蹤系統(tǒng)變化。圖13為某地全天負(fù)荷曲線，根據(jù)該負(fù)荷曲線逐步投入可控型微源柴油機(jī)DE、微源燃?xì)廨啓C(jī)MT、燃料電池FC來(lái)補(bǔ)充負(fù)荷功率需求?？煽匚⒃慈煊泄β嗜鐖D14所示。在17 h時(shí)可控制微源同時(shí)切斷，微源在投入初始階段和切斷最后階段都會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，嚴(yán)重影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此采用功率因數(shù)較大的超級(jí)電容器來(lái)平抑此階段系統(tǒng)的波動(dòng)功率，此時(shí)混合儲(chǔ)能裝置(見(jiàn)圖7)將開(kāi)關(guān)K1閉合，K2、K3斷開(kāi)。蓄電池在(19-24-3)h處于放電狀態(tài)，主要用于非重要負(fù)荷供電，其余時(shí)間段處于充電狀態(tài)，在17 h時(shí)由于功率波動(dòng)較大，超級(jí)電容器和蓄電池共同放電。其超級(jí)電容器與蓄電池離網(wǎng)波動(dòng)功率曲線如圖15所示，圖16為含有混合儲(chǔ)能、負(fù)荷及可控型微源的微電網(wǎng)在離網(wǎng)狀態(tài)下全天的有功功率。微電網(wǎng)在離網(wǎng)狀態(tài)下母線頻率及電壓如圖17、圖18所示。國(guó)網(wǎng)規(guī)定電網(wǎng)裝機(jī)容量在300萬(wàn)kW以下的，系統(tǒng)頻率偏差范圍為±0.5 Hz，10 kV及以下三相供電電壓允許偏差為標(biāo)稱系統(tǒng)電壓的±10%。該控制策略下系統(tǒng)頻率和電壓均在國(guó)網(wǎng)規(guī)定的范圍內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了采用模糊滑?？刂撇呗缘挠行?。

圖13 某地全天負(fù)荷曲線

圖14 可控微源全天有功功率

圖15 超級(jí)電容器與蓄電池離網(wǎng)波動(dòng)功率曲線

圖16 含有混合儲(chǔ)能可控微源離網(wǎng)全天有功功率

圖17 離網(wǎng)系統(tǒng)母線頻率

圖18 離網(wǎng)系統(tǒng)母線電壓

微電網(wǎng)模式切換是一個(gè)極其重要的過(guò)程，直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)。微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換前期，光伏電源和風(fēng)力機(jī)采用PQ控制方式，在系統(tǒng)切換以后采用VF控制方式。微電網(wǎng)接入電網(wǎng)到脫離電網(wǎng)時(shí)，微電網(wǎng)的電壓和頻率均跌落后趨穩(wěn)。投切過(guò)程中電壓過(guò)渡比較平穩(wěn)。由圖19—圖23可知，微電網(wǎng)由并網(wǎng)狀態(tài)在第2.095 s切換到離網(wǎng)狀態(tài)，以及在6.095 s離網(wǎng)狀態(tài)切換到并網(wǎng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，由于微電網(wǎng)存在功率缺額，切換瞬間母線電壓和頻率均發(fā)生跌落，但隨后迅速回升，主要是由于混合儲(chǔ)能中的超級(jí)電容在切換后迅速響應(yīng)出力，及時(shí)填補(bǔ)了功率缺額。圖24為超級(jí)電容器與蓄電池在系統(tǒng)平滑切換過(guò)程功率波動(dòng)曲線。

圖19 并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島母線三相電壓

圖20 孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)母線三相電壓

圖21 并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島母線頻率

圖22 孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)母線頻率

圖23 微電網(wǎng)系統(tǒng)平滑切換母線頻率

圖24 超級(jí)電容器與蓄電池在系統(tǒng)平滑切換過(guò)程功率波動(dòng)曲線

5 結(jié)論

a. 將基于超級(jí)電容器和蓄電池組合成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用到微電網(wǎng)中，克服了單一儲(chǔ)能的缺陷，提高儲(chǔ)能裝置的使用壽命，降低了投資成本，并且更有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

b. 根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)為混合儲(chǔ)能裝置逆變器設(shè)計(jì)模糊滑模控制器，并將其應(yīng)用到含有混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的微電網(wǎng)中，通過(guò)具體算例驗(yàn)證了該控制算法的有效性。

c. 該控制算法不僅可以實(shí)現(xiàn)平抑微網(wǎng)并網(wǎng)、離網(wǎng)以及投切負(fù)荷時(shí)的波動(dòng)功率，而且能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)不同模式的平滑切換。使微電源在投切過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊較小限制到合理范圍內(nèi)，從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提高，進(jìn)一步驗(yàn)證該控制策略具有較強(qiáng)的魯棒性。

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