基于混合储能的微电网功率控制策略

吴雨，潘文霞，冯蒙霜，包抒一

（河海大学可再生能源发电技术教育部工程研究中心，南京 210098）

基于混合储能的微电网功率控制策略

吴雨，潘文霞，冯蒙霜，包抒一

（河海大学可再生能源发电技术教育部工程研究中心，南京 210098）

微电网中间歇式微电源输出功率较大的不确定和波动，给微电网孤网运行时的电能质量和并网运行时的功率可调度控制带来了巨大的挑战。采用单一的储能系统平滑功率波动，不仅无法很好解决上述两种问题，且不利于延长储能元件的寿命。文中利用超级电容的高功率密度、快速充放和蓄电池适于平抑长周期功率波动的特点，提出了基于超级电容和蓄电池组成的混合储能系统及相应的控制策略，微电网孤网运行时采用超级电容平滑波动频率较高的功率，并网运行时结合蓄电池平抑频率较低的功率，通过两者的共同作用提高了微电网孤网运行的电能质量与并网运行的可调度性，同时避免了蓄电池频繁充放电。在PSCAD/EMTDC中建立微电网仿真模型，验证了所提出的混合储能结构及其控制策略的可行性。

微电网；微电源；蓄电池；超级电容；混合储能；控制策略

随着可再生能源发电技术的逐步成熟，可再生能源微电源被大量应用到微电网中，满足了人们对电能和环境保护的需求，然而这种间歇性微电源的接入给微电网的运行与控制带来了巨大的挑战，如何提高微电网供电网质量和并网运行的可调度性成为人们极为关注的问题。

随着储能技术的迅速发展，各种储能技术在电力系统中的应用研究日趋广泛。

目前的储能方式有蓄电池、超级电容、超导和飞轮储能[1]等，其中蓄电池储能技术成熟、成本低，但充放电次数受到限制。文献[2]研究利用电池储能系统改善并网风电场电能质量和稳定性，文献[3]着重结合蓄电池储能技术解决了光伏功率波动的问题。相比于蓄电池，超级电容具有超长寿命、高能量密度和快速充放电的优点，文献[4]综述了超级电容的优点及在电车、电子以及电力系统中的广泛应用。根据蓄电池和超级电容的各自特点，文献[5]提出了基于多滞环调解控制的混合储能系统，将蓄电池和超级电容组合在同一单元中，减少了蓄电池充放电次数，但蓄电池和超级电容并不能同时工作。

本文根据微电网运行模式、微电源和储能系统各自特点，提出了基于混合储能的微电网功率控制策略，力求改善微电网在孤网运行时电能质量和并网运行时可调度性问题，并建立PSCAD典型微电网模型，仿真分析说明了本文所提出微电网混合储能结构和控制策略的有效性。

1 微电网及微电源

微电网是将微电源、负荷、储能装置和控制装置等结合起来的一个可控系统，同时向用户供给电能和热能[6]。微电网既可与主网联网运行，也可在主网故障或需要时与主网断开单独运行。微电网中微电源一般可分为非间歇性微电源（如微型燃气轮机等）和间歇性微电源（如风力发电和光伏发电等），微型燃气轮机以可燃性气体或液体为燃料，能同时产生热能和电能[7-8]，其控制方法灵活可采用功率控制和恒压恒频控制，恒压恒频控制能为微电网在孤网运行时提供电压和频率的支撑[9]。风力发电和光伏发电受天气和自然环境较大约束，它们通常采用最大功率跟踪控制方法[10-12]。间歇式微电源输出功率的不确定性，降低了微电网供电的电能质量和并网运行的可调度性，因此往往通过加入储能元件与之形成互补，增强微电网安全经济运行。

2 混合储能系统与控制策略

2.1 超级电容储能系统建模与控制策略

超级电容储能系统主要由超级电容、双向DC/ DC和逆变器组成[13]如图1所示。超级电容采用由等效电容串联等效电阻组成的模型，DC/DC部分为非隔离型Buck-Boost双向变换器（Buck/Boost bi-directional converter），DC/AC部分为电压源逆变器。

为了实现低压侧超级电容器与直流高压之间的能量双向流动且保持高压侧电压恒定，因此本文DC/DC部分采用双PI控制结构，外环高压侧给定值Udcref与实测值Udc2的偏差经PI调节器输出高压侧电流控制信号Idc，由直流变换器占空比定义和功率守恒原则得到超级电容电流参考控制信号Iscref，电流环的输出经PWM脉宽调制控制DC/DC变换器。为了满足超级电容快速吸收和释放电能需求，VSI部分采用功率外环加电流内环PI控制，使调节过程更加快速平稳，实现无差控制。超级电容储能系统控制框图如图2所示，其中Udc1为超级电容电压，Isc超级电容实测电流，Pscref、Qscref分为超级电容输出有功与无功参考值。

图1 超级电容系统结构Fig.1 Structure of super-capacitor system

图2 超级电容控制策略Fig.2 Control strategy of super-capacitor

2.2 蓄电池建模与控制策略

考虑蓄电池在处于充放电状态时表现出电阻电容特性，本文蓄电池模型采用Thevenin等效模型，比简单等效电路模型更接近真实的蓄电池电路，如图3所示。Thevenin模型由理想电源Ub，极化内阻Rbp，欧姆内阻Rbs，极化电容Cbp构成。将蓄电池通过Bi-DC/DC变换器接于直流母线，一方面可实现能量双向流动，另一方面可使所需蓄电池电压等级降低。本文采用变功率充放电方式对蓄电池进行充放电，与恒功率充放电方式相比其更符合实际工作状态。蓄电池电压在正常工作范围内时，通过判断外部需要蓄电池提供电能Cb值大小来控制蓄电池充放电，当Cb＜0时，DC/DC变换器处于Buck工作模式给蓄电池充电；当Cb＞0时，DC/DC变换器处于Boost模式蓄电池放电，其控制策略如图4所示。

图3 蓄电池充放电等效电路模型Fig.3 Equivalent circuit mode of charge and discharge of battery

图4 蓄电池储能系统控制策略Fig.4 Control strategy of battery energy storage system

2.3 混合储能控制策略

微电网并网运行时向主网输出或吸收功率，主网期望微电网与其交换的功率按照微电网前一日预测的净负荷曲线变化，即能实现微电网的可调度。然而实际上由于对间歇式微电源输出的预测误差，因此公共连接点PCC（point of common coupling）净负荷功率必会发生波动，无法满足与预测曲线变化一致，对主网而言波动降低了微电网的可调度性。

本文提出的基于超级电容和蓄电池混合储能控制策略如图5所示，此控制力求改善微电网在孤网运行时电能质量和并网运行时的可调度性。间歇式微电源输出功率Pb通过一阶滞后滤波后得到平滑的间歇式微电源输出的有功指令Pbp，指令功率Pbp与原Pb之间的差额ΔPsc即为超级电容储能系统在电容电压满足Vscmin＜V＜Vscmax情况下向微电网输出的功率，通过降低非间歇式微电源输出瞬时有功波动幅值和频率来改善微电网孤网运行时的电能质量。微电网并网运行时测得的PCC点净负荷由通信设备传输到蓄电池储能系统功率计算单元，判断测得的PCC点净负荷功率是否符合预测得到的PCC点净负荷功率决定蓄电池的动作，蓄电池的充放电的先决条件为Vbmin＜V＜Vbmax，通过超级电容和蓄电池的联合作用提高微电网并网运行的可调度性。图5中Pb为微电网内间歇式微电源输出功率，Ph为非间歇式微电源输出功率，Pl为负荷功率。

图5 混合储能控制策略Fig.5 Control strategy of hybrid energy storage

3 仿真分析

在PSCAD/EMTDC中建立典型低压微电网系统仿真模型[14-16]，对所提出的混合储能系统在微电网的两种运行模式下控制策略有效性进行仿真分析，仿真模型中涉及到电力电子器件一律采用理想模型，且开关频率足够高。微电网仿真模型如图6所示，主要由3种微电源、2种储能系统和可变负荷组成。微型燃气轮机额定功率为30 kW、20 kvar，直驱风力发电机容量100 kVA，光伏阵列容量20 kVA，超级电容器储能系统安装在直驱风力发电机出口，线路阻抗为（0.641+j0.101）Ω/km，超级电容器电容20 F，Vscmin为200 V，Vscmax为900 V，初始电压为625 V，兼顾灵敏度与平稳度一阶滞后滤波器的取值G=1、T=0.5，蓄电池储能系统安装在公共连接点处，考虑一定充放裕度蓄电池容量500 A·h，额定电压500 V，最大工作电压为800 V，最小工作电压为200 V。

图6 微电网系统结构Fig.6Structure of microgrid system

3.1 混合储能对提高微电网孤网电能质量的控制效果

微电网孤网运行时，直驱风机和光伏阵列采用单位功率因数控制。微型燃气轮机采用v/f控制策略，以保证系统功率变化时微电源与负荷之间的功率平衡，并为系统提供电压和频率支撑。

图7为0—6 min内风速曲线，第1 min时微电网孤网运行，1—6 min内考虑到光照、温度及负荷变化较小，在此情况下认为光伏阵列输出功率恒定为18 kW/0 kvar和负荷恒定为60 kW，微电网孤网运行功率波动主要是由风机输出引起。孤网运行时直驱风机输出功率如图8所示，由图看出风机有功输出波动范围较大，该波动直接导致了微电网电能质量下降如图9（a）所示。依据采用本文所提出的混合储能系统，对平滑波动幅度较大的瞬时功率只需投入超级电容储能系统即可，蓄电池处于待工作状态。图10（a）即为在直驱风机输出端口加入超级电容储能系统后送入微电网的功率，比未加储能系统时的瞬时波动降低，由图9（b）看出微电网孤网电能质量得到明显提高，超级电容吸收和释放的功率如图10（b）所示。

3.2 混和储能对提高微电网并网可调度性的控制效果

考虑0—24 h内温度、光照、风速和负荷变化曲线如图11所示，图12为微电网预测PCC点净负荷曲线。

图7 风速曲线Fig.7 Curve of wind

图8 直驱风机输出的功率Fig.8 Output of PMSG

图9 微电网孤网电压Fig.9 Voltage of microgrid on island operation mode

图10 风机输出与超级电容释放和吸收的功率Fig.10 Power of PMSG and supercapacitor

图110 —24 h温度、光照、风速和负荷曲线Fig.11 Curves of temperature，illumination，wind speed and load

图12 微电网PCC点预测净负荷曲线Fig.12 Forecast net load curve of PCC

仿真过程中忽略电机响应时间和电网暂态过程，并网运行时燃气轮机采用功率控制，输出的额定功率为30 kW、20 kvar，直驱风机与光伏阵列采用单位功率因数控制，其功率输出如图13所示。

在无任何储能元件情况下，PCC点净负荷随微电源输出和负荷变化无规律波动，不能满足主网的要求，严重降低了微电网并网运行的调度性。若只在PCC点加入蓄电池储能系统，而蓄电池不能进行快速充放电的动作，因此无法平滑掉波动较快的有功功率，PCC净负荷曲线无法满足主网对微电网的要求，如图14（b）所示。单加入超级电容储能系统，PCC点净负荷波动率减小但仍不满足主网对微电网PCC点净负荷要求，如图14（c）所示。图14（d）为采用本文所提出的混合储能系统的仿真结果图，充分利用超级电容-蓄电池互补特性，使得实际PCC点净负荷与预测净负荷曲线基本吻合，达到了预期的控制目标，有效的提高了微电网并网运行的可调度性，混合储能系统蓄电池和超级电容的充放电曲线如图15所示。

图13 直驱风机、光伏阵列功率输出Fig.13 Output of PMSG and PV

图14 不同情况下PCC点净负荷曲线Fig.14 Net load curves of PCC in different situations

图15 超级电容和蓄电池充放电曲线Fig.15 Charge and discharge curves of supercapacitor and battery

4 结语

储能系统对维持微电网的安全稳定运行具有十分重要的作用，本文针对微电网电能质量和并网功率可调度问题提出了基于超级电容和蓄电池混合储能系统及其控制策略。文中建立了PSCAD/ EMTDC的典型微电网系统仿真模型，对微电网在孤网和并网两种运行方式下的储能控制策略进行了仿真分析，仿真结果表明采用本文提出的混合储能系统和控制策略后，微电网孤网运行的电能质量明显提高；在可调度方面微电网并网运行时混合储能比单一储能更有利于对PCC点功率的控制，增强了微电网运行的可调度性与安全性。

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Power Control Strategy for Microgrid Based on Hybrid Energy Storage System

WU Yu，PAN Wen-xia，FENG Meng-shuang，BAO Shu-yi
（Research Center for Renewable Energy Generation Engineering，Ministry of Education，Hohai University，Nanjing 210098，China）

The output fluctuation of intermittent micro-power in mircrogrid will bring great challenge to the control of power quality at the island operation mode and the power schedulability at the grid-connected operation mode. Using one type of energy storage system to smooth the power fluctuation is hard to perfectly solve the above problems but is not good to extend the life of energy storage device.This paper proposes a control strategy based on hybrid energy storage system consisted of super-capacitor and battery，which takes advantage of the battery to smooth long-periodic fluctuation power and the high power density，fast charge and discharge of the super-capacitor.The super-capacitor is used to smooth the high fluctuation power when the microgrid on island operation mode.By combining with the battery，the super-capacitor can be used to smooth the low fluctuation power when the microgrid on grid-connected operation mode.Therefore，the power quality on island operation mode and schedulability of the microgrid on grid-connected operation mode can be improved，and too much charge and discharge of the battery can be avoided.A simulation model of microgrid is built by PSCAD，and simulation results verify the feasibility of the proposed hybrid energy storage construct and control strategy.

microgrid；micro-power；battery；super-capacitor；hybrid energy storage；control strategy

TM73

A

1003-8930（2013）02-0109-06

吴雨（1987—），男，硕士研究生，研究方向为可再生能源发电技术。Email：rainlchina@yahoo.cn

2012-08-30；

2012-10-08

南通河海大学海洋与近海工程研究院“科技研发与产业化引导专项”

潘文霞（1961—），女，博士，教授，博士生导师，从事电气工程领域的教学与科研工作。Email：pwxhh@yahoo.com.cn

冯蒙霜（1989—），女，硕士研究生，研究方向为储能技术在微电网中的应用。Email：jessicafmsz@163.com