趙彥龍 曹以龍

（上海電力學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，上海 200090）

微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙彥龍 曹以龍

（上海電力學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，上海 200090）

微電網(wǎng)中的光伏、風(fēng)力及其他電源受外界條件影響不夠穩(wěn)定，將蓄電池和超級(jí)電容組成的混合系統(tǒng)應(yīng)用于微電網(wǎng)能有效增強(qiáng)微電網(wǎng)的穩(wěn)定性。DC/DC雙向變換器，通過多滯環(huán)和PID控制可以將蓄電池和超級(jí)電容并聯(lián)起來；將SVPWM技術(shù)和改進(jìn)解耦應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)系統(tǒng)中，SVPWM技術(shù)有效利用了直流電壓，改進(jìn)解耦控制方法減少了電網(wǎng)諧波含量和系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。將這些方法組合應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)，提高微電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

混合儲(chǔ)能；微網(wǎng)；雙向DC/DC變換；改進(jìn)解耦

1 引言

微電網(wǎng)是由包括風(fēng)能光能等多種分布式電源、配電線路、儲(chǔ)能設(shè)備、各級(jí)負(fù)荷及各種監(jiān)測繼保裝置組成的系統(tǒng)[1]。微電網(wǎng)的運(yùn)行方式主要包括并網(wǎng)運(yùn)行和離網(wǎng)運(yùn)行，為了提高微電網(wǎng)的供電可靠性和能量利用效率，可以利用儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存電能。通過儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠儲(chǔ)存多余的電能或者在用電高峰期向微網(wǎng)反饋電能，并能補(bǔ)償功率因數(shù)，提高電能質(zhì)量；當(dāng)微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠通過變換電能保證微網(wǎng)的基本運(yùn)行，保證重要負(fù)荷不斷電運(yùn)行，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

超級(jí)電容器通過合適的變換裝置可以與蓄電池并聯(lián)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。并聯(lián)后的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)占地面積更小，維護(hù)方便，經(jīng)濟(jì)性能更優(yōu)，對(duì)于各種負(fù)載都具有良好的適應(yīng)能力，減少了因?yàn)橥ｋ娀蛘吖收享憫?yīng)電網(wǎng)正常運(yùn)行的事故概率。蓄電池由于受極化的影響，應(yīng)避免頻繁的和過大的電流進(jìn)行充放電，與超級(jí)電容器混合使用后，有效地降低了蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù)和電流，延長了蓄電池的使用周期[2]。為了將蓄電池和超級(jí)電容高效地并聯(lián)起來，文獻(xiàn)[3][4]提出了一種雙向DC/DC變換器，可以將這種變換器應(yīng)用于此，有效地利用兩種儲(chǔ)能方式的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]在分析傳統(tǒng)逆變器過程中提出一種改進(jìn)解耦策略，結(jié)果表明能加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，改善電網(wǎng)電流諧波，本文將其應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)控制。當(dāng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)放電時(shí)：混合儲(chǔ)能系統(tǒng)通過三相DC/AC變換器將直流電逆變?yōu)榻涣麟娝椭廖⒕W(wǎng)中；當(dāng)微網(wǎng)中含有多余的電能時(shí)，向儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，三相DC/AC變換器將微網(wǎng)中的交流電變換為直流電?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)就是通過與微電網(wǎng)之間的功率交換實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的瞬時(shí)功率平衡和穩(wěn)定控制。

基于以上，本文設(shè)計(jì)一種總體控制方法，將混合儲(chǔ)能系統(tǒng)高效地接入微電網(wǎng)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通常超級(jí)電容與蓄電池連接有三種形式：第一種是中間不加任何裝置直接將兩者并聯(lián)，第二種是通過在兩者間加電感作為緩沖并聯(lián)，第三種是通過功率變換器并聯(lián)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。由于在并聯(lián)兩個(gè)電源時(shí)需要保持兩者端電壓一致，避免出現(xiàn)環(huán)流，本文采用圖 1所示的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過雙向Buck/Boost變換器[4]并聯(lián)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。

圖1　混合儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

這種并聯(lián)方式結(jié)構(gòu)簡單，沒有交流變壓的繁瑣，具有很好的經(jīng)濟(jì)性和易控性。這樣既充分發(fā)揮了電容響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，也降低了蓄電池的頻繁充放電次數(shù)，延長了蓄電池使用壽命。

3 系統(tǒng)建模與分析

3.1雙向DC/DC變換器模型

假設(shè)變換器帶的是恒功率負(fù)載RL，開關(guān)V1導(dǎo)通時(shí)間為m，以直流側(cè)電感電流iL和電容器電壓Udc作為狀態(tài)變量，建立如下狀態(tài)方程：

在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)(0CU,0Li,0m)對(duì)式（1）進(jìn)行線性化[6],最終可以得到系統(tǒng)的穩(wěn)定條件及在系統(tǒng)實(shí)際穩(wěn)定運(yùn)行需要滿足的條件：

式中，P0為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率。

3.2三相變換器模型

三相并網(wǎng)逆變器主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中ua，ub，uc表示逆變器輸出橋臂電壓，ia，ib，ic表示逆變器并網(wǎng)電流，ea，eb，ec表示三相電網(wǎng)饋線電壓。

圖2　三相變換器示意圖

以電感電流iL為狀態(tài)變量，根據(jù)KCL和KVL定律，列出狀態(tài)方程：

經(jīng)過Clark變換，將模型由三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系。

兩相靜止坐標(biāo)系經(jīng)過式（5）的轉(zhuǎn)換矩陣可以變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。

將（4）、（5）兩式相乘可以得到逆變器在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的方程：

通過dq變換，可以使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡化很多，但是也造成了d軸分量和q軸分量的耦合，必須找到一種有效的方法將此耦合關(guān)系解開[7]。

4 系統(tǒng)控制方法

傳統(tǒng)SPWM技術(shù)是使逆變器的輸出電壓波形盡可能的接近于正弦波[8]，這種方法不能充分利用直流電壓，而且會(huì)產(chǎn)生高次諧波，不利于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在逆變器和變頻器廣泛使用的是空間矢量PWM控制技術(shù)（SVPWM）。相較于傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（即SPWM技術(shù)），空間矢量PWM控制技術(shù)的直流電壓利用率提高了15.74%，并且有更低的電壓和電流諧波畸變率[9][10]。

控制前先加入蓄電池 SOC檢測[11]，由于蓄電池的 SOC處于0.2～0.8之間時(shí)，受極化影響較小，因此當(dāng)SOC<0.2時(shí)，蓄電池應(yīng)該停止向電容側(cè)供電；當(dāng)SOC>0.8時(shí)，電容側(cè)應(yīng)該停止向蓄電池充電。這樣系統(tǒng)中的蓄電池可以增加循環(huán)使用次數(shù)，減小運(yùn)行和維護(hù)成本。

4.1DC/DC多滯環(huán)控制策略

為了優(yōu)化微電網(wǎng)的儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，充分利用超級(jí)電容響應(yīng)速度快、功率密度大的優(yōu)點(diǎn)，改善混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電過程，文章采用多滯環(huán)調(diào)節(jié)控制，如圖3所示。

圖3　參考電流計(jì)算原理圖

由直流側(cè)電容兩端電壓UC的大小，通過滯環(huán)判斷參考電流iL_ref的數(shù)值，再經(jīng)由滑模變結(jié)構(gòu)控制方法實(shí)現(xiàn)前端電流iL對(duì)參考值iL_ref的無靜差跟蹤。其工作過程如下：

iL_ref>0時(shí)：

當(dāng)UC從U5→U3時(shí)，電容器組儲(chǔ)存的能量充足，iL_ref=0，功率變換器不作用；

當(dāng)UC從U3→U1時(shí)，電容器組儲(chǔ)存的能量不足，蓄電池組以電流 I3向超級(jí)電容器組充電，iL_ref=I3，此時(shí)電路工作在Boost狀態(tài)；

UC

當(dāng)超級(jí)電容器組電壓逐漸升高時(shí)，UC→U2時(shí)，蓄電池組仍以大電流 I4向超級(jí)電容器組充電，iL_ref=I4，此時(shí)電路工作在Boost狀態(tài)；

當(dāng)UC從U2→U4時(shí)，電容器組儲(chǔ)存的能量不足，蓄電池組以電流 I3向超級(jí)電容器組充電，iL_ref=I3，此時(shí)電路工作在Boost狀態(tài)；

當(dāng)UC從U4→U6時(shí)，電容器組儲(chǔ)存的能量充足，iL_ref=0，功率變換器不作用；

當(dāng)iL_ref<0時(shí)，情況類似，電路工作在Buck狀態(tài)。

4.2改進(jìn)解耦

傳統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置并網(wǎng)變換器解耦控制，是通過采集電網(wǎng)電流的d軸分量id和q軸分量iq,將它們分別和濾波電感總感抗相乘再加到系統(tǒng)中。本文 2.2中已經(jīng)得到三相變換器的模型，由式（6）可得：

圖4　傳統(tǒng)解耦原理示意圖

改進(jìn)解耦控制方法[4]是將給定的、代替?zhèn)鹘y(tǒng)解耦方法中的id、iq，如圖5所示。該方法由于解耦時(shí)沒有采集電網(wǎng)電流的分量，而引入的是人為給定的、，因此不會(huì)受到電網(wǎng)電流的直接影響，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，波形質(zhì)量高。

圖5　改進(jìn)解耦控制圖

在系統(tǒng)中進(jìn)行仿真，在圖 6比較兩種解耦方式的并網(wǎng)電流THD可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)解耦控制方法的并網(wǎng)電流THD大約在3.06%，比傳統(tǒng)解耦方法THD（6.88%）含量小，并網(wǎng)電流波形質(zhì)量更高。

圖6　兩種控制方法仿真波形及THD

5 仿真及驗(yàn)證

根據(jù)上述混合儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和控制算法，在Matlab/Simulink中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析并在樣機(jī)中驗(yàn)證。設(shè)定系統(tǒng)功率為15kW，蓄電池容量為100Ah，額定電壓為120V，內(nèi)阻為0.2?；超級(jí)電容容量為10F， 額定電壓200V，內(nèi)阻為0.2?；直流變換器電感為1mH，直流變換和交流變換的開關(guān)頻率都設(shè)定為 12kHz。由于系統(tǒng)功率滿足公式(8)，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行。

在仿真中比較單一蓄電池儲(chǔ)能和混合儲(chǔ)能對(duì)系統(tǒng)頻率的影響和兩種儲(chǔ)能對(duì)直流母線電壓的影響，從圖7和圖8可以看出，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)有效地提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，頻率和直流母線電壓的仿真波形都得到有效改善。

圖7　兩種儲(chǔ)能方式對(duì)頻率的影響

圖8　兩種儲(chǔ)能方式對(duì)直流母線電壓的影響

6 結(jié)論

充分利用超級(jí)電容和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，構(gòu)建適用于微網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)和控制方法。蓄電池技術(shù)成熟，但功率密度不足，循環(huán)次數(shù)少；超級(jí)電容功率密度大，循環(huán)次數(shù)多，但能量密度低，通過多滯環(huán)控制混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能有效滿足微網(wǎng)運(yùn)行的需求。SVPWM技術(shù)提高了直流電壓利用率，改進(jìn)解耦技術(shù)減少了諧波含量 ，加快了響應(yīng)系統(tǒng)速度。仿真表明，這套系統(tǒng)能應(yīng)用于微網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

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A design for hybrid energy storage system of micro-grid

Because of the conditional instability, the voltage of photovoltaic cells, wind power generators and the other sources in micro-grid is lack of stability. The hybrid storage system consists of super-capacitor and battery improves the stability of micro-grid. The bi-directional DC/DC converter can parallel the super-capacitor and battery effectively through multi-loop hysteresis control and PID control. The SVPWM technology applied in grid-connected system uses the DC voltage effectively. The improved decoupling control reduces the harmonics in grid and the response time of the system. Combining these methods and applying them to energy storage systems can improve the stability of micro-grid.

Hybrid energy storage system; micro-grid; bi-directional DC/DC converter; improved decoupling

TM712

A

1008-1151(2015)07-0072-04

2015-06-10

趙彥龍（1988－），男，河南商丘人，上海電力學(xué)院電子與信息工程學(xué)院在讀碩士，研究方向?yàn)閮?chǔ)能技術(shù)及其在微網(wǎng)中的應(yīng)用；曹以龍（1965－），男，安徽當(dāng)涂人，上海電力學(xué)院電子與信息工程學(xué)院教授，博士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。