微网孤岛运行下储能控制策略的分析与仿真

杨海晶，李朝晖，石光，刘中胜，宋春晖

（1.河南省电力公司电力科学研究院，郑州 450052；

2．天津天大求实电力新技术股份有限公司，天津 300384）

微网孤岛运行下储能控制策略的分析与仿真

杨海晶1，李朝晖1，石光1，刘中胜2，宋春晖2

（1.河南省电力公司电力科学研究院，郑州 450052；

2．天津天大求实电力新技术股份有限公司，天津 300384）

为维持微网孤岛系统的稳定运行并防止系统频繁的充放电对传统蓄电池储能产生较大的负面影响，文中介绍了一种由超级电容和蓄电池组成的混合储能系统能量管理方法。在负荷变化时，由超级电容迅速响应功率需求，同时控制直流侧母线电压；在直流侧母线电压稳定后，超级电容不再输出功率，由蓄电池补偿系统净负荷的功率缺额。该方法有效防止了微网孤岛系统的净负荷需求突然变化对蓄电池造成的冲击，优化了蓄电池的工作过程，延长了蓄电池的使用寿命。最后利用PSCAD仿真验证了本文所提方法的有效性。

混合储能；蓄电池；超级电容；双极式变流；能量管理

一个典型的微网由多种分布式发电单元、储能装置及负荷组成，并由一个中央能量管理单元负责微网内的发电调度。随着近几年光伏发电、风力发电等可再生能源发电装机容量的不断增加，在电网孤岛运行时可再生能源输出功率波动和负荷需求功率波动对电能质量与安全稳定的影响越来越受到重视。利用储能装置虽然可在一定程度上起到抑制功率波动的作用，但是单一储能装置很难同时满足功率与能量两方面的要求，国内外学术界提出了利用超级电容与蓄电池组成混合储能系统的思路。该混合储能系统同时具有超级电容功率密度大和蓄电池能量密度高的优点，有效地发挥了各个储能装置的互补特性。可见，储能系统对于微网的稳定控制、电能质量的改善和不间断供电具有非常重要的作用[1，2]，是微网安全可靠运行的关键。

文献[3]提出了超级电容器与蓄电池混合储能的思路，从理论上证明了混合储能可以充分利用蓄电池和超级电容器的互补特性，提高储能的功率输出能力；文献[4]利用超级电容器功率密度高和循环寿命长的优点，通过双向DC/DC变换器的多滞环控制，优化了蓄电池的充放电过程，延长了其使用寿命；文献[5]提出了一种利用蓄电池与超级电容器混合储能平抑风电波动功率的控制方法，根据实时风电功率及储能元件的荷电状态，在双层控制模型下依次检索预置的专家信息库，得到充放电控制器相应的控制算法，简化了风电功率多种波动状态下的控制逻辑，缩短了控制时间；文献[6]提出了利用超级电容与蓄电池组成的混合储能系统来实现微网孤岛运行时的功率平衡，或抑制并网运行时可再生能源与负荷的功率波动。

本文在分析微网孤岛稳定运行对储能需求的基础上，对超级电容与电池混合储能系统控制管理，并对DC/DC功率变换单元和DC/AC功率变换单元进行协调控制，以达到在微网孤岛运行模式下，负荷波动的同时使混合储能系统充分抑制可再生能源输出功率波动，并充分利用超级电容器功率密度高和循环寿命长的优点来补偿可再生能源输出功率和负荷功率的瞬时波动，优化蓄电池的工作过程，延长蓄电池使用寿命。最后在PSCAD中搭建相应模型，通过仿真验证了所提出的混合储能系统及其控制策略的有效性。

1 混合储能控制方法

本文以图1所示的微网孤岛系统为例对所提方法进行详细介绍。

图1 孤岛系统结构Fig.1Structure of island system

蓄电池与超级电容通过各自的DC/DC变换器连接到直流母线上，再通过统一的DC/AC变换器连接到交流母线上，风力发电系统通过DC/AC与交流母线相连，整个微网系统再与负荷相连。储能系统DC/AC变换器采用V/f控制，蓄电池DC/DC变换器采用恒功率控制，超级电容DC/DC变换器控制直流母线电压恒定，风力发电系统采用最大功率跟踪控制MPPT（maximum power point tracking）。

忽略系统各部分的能量损耗，由能量守恒可得上述系统各进线功率之间的关系式为

式中：Pbat为蓄电池功率；Psc为超级电容功率；Pw为风机功率；Pload为负荷功率；Pnet-load为微网孤岛净负荷（微网孤岛运行时，净负荷的计算是微网内负荷值减去可再生能源的最大功率，而可再生能源的最大功率是依照当前的风速情况计算出来的）。

混合储能系统中，超级电容属于功率型储能装置，输出功率变化范围大、变化速率快，且充放电循环次数多，因此在微网孤岛运行时超级电容对可再生能源输出功率和负荷功率的波动快速响应；而蓄电池属于能量型储能装置，输出功率变化范围小、变化速率慢，且充放电循环次数少，因此在微网孤岛运行时蓄电池主要用来在系统稳定后对系统净负荷的功率缺额进行补偿[7～9]。

蓄电池与超级电容混合储能控制方法是指在负荷变化时，超级电容输出功率迅速去响应功率需求，同时超级电容对直流侧母线电压进行控制，但实际微网孤岛中由于风机和负荷的功率采集、数据处理和数据通信需要一定时间进行，则此时蓄电池需要经过一定延时才开始缓慢对净负荷功率进行补偿，这样减少了蓄电池的充放电次数，延长了蓄电池的使用寿命。

在直流侧母线电压稳定时，超级电容不再输出功率，此时微网孤岛系统净负荷的功率缺额由蓄电池全部补偿，则此时微网孤岛净负荷功率为

蓄电池的功率控制框图如图2所示，图中延迟时间为实际微网孤岛中风机和负荷的功率采集、数据处理和数据通信所需要的时间，即为蓄电池延迟启动的时间，该时间的存在对直流侧母线电压的稳定速度有一定影响，延迟时间越短，直流侧母线电压恢复到稳定状态的时间越短，电压波动的幅度越小。

图2 蓄电池功率控制框图Fig.2Control block diagram of battery power

2 双级式变流器孤岛运行协调控制

本文介绍的微网孤岛系统所采用的双级式变流器主电路结构如图3所示，包括前级DC/DC功率变换单元和后级DC/AC功率变换单元。DC/DC模块允许能量的双向流动，为减小开关损耗，本文采用独立PWM控制方式：当下桥臂进行PWM调制，上桥臂关断时，电路处于Boost放电状态；当上桥臂进行PWM调制，下桥臂关断时，电路处于Buck充电状态。DC/AC为三相电压源型双向变流器VSC（voltage source converter），最后经LCL滤波器负荷相连。

图3 双级变流器主电路结构Fig.3Structure of two-stage converter main circuit

DC/DC模块和DC/AC模块通过直流母线电容解耦，两级模块之间的功率变化将直接导致直流母线电容电压出现波动，直流母线电容电压动态方程为

式中，udc、io和idc分别为直流母线电压、直流侧输出电流及DC/AC侧输入电流。

忽略变流器损耗，直流侧输出功率为

式中，Pdc、ubat、ibat、usc和isc分别为直流侧功率、蓄电池端电压、蓄电池输出电流、超级电容端电压及超级电容输出电流。

为维持两级功率模块的动态平衡，即保证直流母线电容电压udc恒定，需要对直流母线电压udc进行闭环控制，因此该系统控制目标包括输出功率控制和直流母线电压控制。

基于双级式变流器的风机、蓄电池和超级电容等分布式电源孤岛运行时，蓄电池DC/DC侧控制系统功率输出，超级电容DC/DC侧控制直流母线电压，两者的电流环通常都采用PI控制结构[10]。

当直流侧为风机时，电流参考值Iwind_ref可通过MPPT算法得到[10]。

当直流侧为蓄电池，电流参考值Ibat_ref可根据功率参考值直接得到，蓄电池DC/DC变流器控制框图如图4所示。

图4 蓄电池DC/DC模块控制框图Fig.4Control block diagram of battery DC/DC module

当直流侧为超级电容，电流参考值Isc_ref可根据直流侧母线电压值直接得到，超级电容DC/DC变流器控制框图如图5所示。

图5 超级电容DC/DC模块控制框图Fig.5Control block diagram of super capacitor DC/DC module

即当电流参考值ibat_ref和isc_ref为正时，蓄电池和超级电容器支路DC/DC模块工作于Boost放电状态；当电流参考值ibat_ref和isc_ref小于零时，超级电容器支路DC/DC模块则运行在Buck充电模式。

为了维持两级功率模块的动态平衡，即维持直流母线电容电压恒定，交流侧DC/AC模块采用“V/f”的控制方法，控制框图如图6所示，图中的f为微网孤岛运行的系统频率，u为储能系统与微网连接处三相电压uabc的系统值。

其中外环控制包括两部分：d轴由PI控制器对系统的交流侧的电压幅值进行控制，从而得到d轴的内环电流环的参考值idref；q轴由PI控制器对系统频率进行控制，从而得到q轴的内环电流的参考值iqref。内环为基于空间矢量调制（SVPWM）的dq电流解耦闭环控制。

图6 DC/AC模块控制框图Fig.6Control block diagram of DC/AC module

3 PSCAD仿真验证

在PSCAD中搭建相应微网孤岛仿真模型，如图1所示，利用恒压直流源接DC/AC变换器模拟风力发电系统的出力；电池采用理想电压源与内阻串联的模型；超级电容采用电容值与电阻串联的模型；假设实际微网孤岛中风机和负荷的功率采集、数据处理和数据通信时间为0.1 s。

蓄电池储能系统额定功率为20 kW，按照其满容量且以最大功率输出时，持续时间不小于10 h的原则，确定其容量为1 440 kC，额定电压为500 V；超级电容储能系统额定功率为40 kW，按照其满容量且以最大功率输出时，持续时间不小于30 s的原则，确定其电容值为16 F，额定电压为400 V。

仿真中所用风力发电系统输出功率数据波形如图7所示，风电功率波动范围为0～22 kW。

图7 风机有功功率波形Fig.7Active power waveform of wind turbine

三相对称负荷有功功率波形如图8所示，波动范围为0～35 kW，峰值为20 kW，在微网孤岛第一次达到稳定后负荷功率每秒钟改变一次，在2 s时发生阶跃变化，负荷需求功率突增20 kW，在3 s时发生短暂突变，骤减15 kW后迅速恢复，在4～5 s时负荷功率随时间逐步减小，在5 s后负荷功率保持恒定，最终稳定在20 kW。

图8 三相对称负荷功率波形Fig.8Power waveform of three-phase symmetric loads

直流侧母线电压波形如图9所示，在仿真模型运行1.3 s后进入稳定状态，直流侧母线电压第一次稳定在750 V，其后在三相对称负荷每秒变化后直流侧母线电压在短时间内恢复到750 V。微网孤岛仿真模型的净负荷和储能系统功率波形如图10所示，在微网孤岛系统稳定后，净负荷曲线Pnet-load和储能系统曲线PESS基本重合，储能系统输出功率完全补偿净负荷功率。

图9 直流侧母线电压波形Fig.9Waveform of bus voltage at DC side

图10 净负荷和储能系统功率波形Fig.10Power waveforms of both net-load and energy storage system

超级电容和蓄电池功率波形如图11所示，在负荷波动时刻，超级电容功率曲线Psc立刻响应，蓄电池功率曲线Pbat延迟0.1 s响应，而且蓄电池功率曲线Pbat并不像超级电容功率曲线Psc那样频繁穿越零点。当超级电容输出功率等于零时，直流侧母线电压调节完成，稳定在750 V，此时，蓄电池功率完全补偿净负荷，进行功率控制。

图11 超级电容和蓄电池功率波形Fig.11Power waveforms of both super capacitor and battery

图12为延迟时间为0.05 s时的直流侧母线电压。和延迟时间为0.1 s时的直流侧母线电压（图9）比较发现，延迟时间缩短为0.05 s，直流侧母线电压恢复到稳定状态的时间变短，电压波动的幅度变小，可以看出实际微网孤岛中风机和负荷的功率采集、数据处理和数据通信所造成的延时对微网孤岛系统的稳定有一定影响。

图12 直流侧母线电压波形Fig.12Waveform of bus voltage at DC side

4 结语

储能对于实现微网孤岛运行内部能量的瞬时平衡、维持微网孤岛的稳定运行具有非常重要的作用。本文提出了适用于微网孤岛运行的超级电容与蓄电池混合储能系统，并采用双级式变流器进行协调控制，由于超级电容具有的高功率密度特性，大幅度提高了混合储能系统的功率输出能力，有效实现了微网的瞬时功率平衡，提高了微网运行的稳定性。仿真结果表明，本文所提出的混合储能系统能够充分利用超级电容器功率密度高和循环寿命长的优点来补偿可再生能源输出功率和负荷功率的瞬时波动，蓄电池缓慢进行补偿功率波动分量，优化了蓄电池的工作过程，延长蓄电池使用寿命，提高储能装置应用于微网的技术经济性。

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Analysis and Simulation of Energy Storage System under Micro-island Operation

YANG Hai-jing1，LI Zhao-hui1，SHI Guang1，LIU Zhong-sheng2，SONG Chun-hui2
（1.HAEPC Electric Power Research Institute，Zhengzhou 450052，China；
2.Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co．，Ltd．，Tianjin 300384，China）

In order to maintain the stable operation of micro-island system and avoid the greater negative impact of frequent charge and discharge on the performance of traditional battery energy storage system（BESS），this paper introduces a new energy management method of hybrid battery super-capacitor storage system.When the load changes，the super-capacitor responses to the power demand quickly and controls the bus voltage of DC side at the same time.When the DC-side bus voltage is stable，the super-capacitor no longer outputs power and the payload power shortfall is compensated by the battery.This method prevents the battery from being destroyed by the sudden changes of the net-load demand power，optimizes the working process of the battery，and extends the battery lifetime.Finally，a PSCAD model is used to verify the validity of this method.

hybrid energy storage；battery；super capacitor；bipolar converter；energy management

TM743

A

1003-8930（2013）03-0067-05

杨海晶（1977—），男，博士，从事电力系统分析、保护与控制以及智能电网技术方面研究。Email：hkyoung@163.com

2012-11-08；

2012-12-21

国家电网科技项目“微电网应用模式与协调控制技术研究开发及应用”（EPRIPDKJ[2012]3120）

李朝晖（1971—），男，高级工程师，从事自动控制、可靠性与电能质量研究。Email：lee5476@sina.com

石光（1971—），男，高级工程师，从事电力系统继电保护技术工作。Email：shiguang@ha.sgcc.com.cn