微电网混合储能系统设计

赵彦龙 曹以龙

（上海电力学院电子与信息工程学院，上海 200090）

微电网混合储能系统设计

赵彦龙 曹以龙

（上海电力学院电子与信息工程学院，上海 200090）

微电网中的光伏、风力及其他电源受外界条件影响不够稳定，将蓄电池和超级电容组成的混合系统应用于微电网能有效增强微电网的稳定性。DC/DC双向变换器，通过多滞环和PID控制可以将蓄电池和超级电容并联起来；将SVPWM技术和改进解耦应用于储能系统的并网系统中，SVPWM技术有效利用了直流电压，改进解耦控制方法减少了电网谐波含量和系统响应时间。将这些方法组合应用于储能系统的并网，提高微电网的稳定性。

混合储能；微网；双向DC/DC变换；改进解耦

1 引言

微电网是由包括风能光能等多种分布式电源、配电线路、储能设备、各级负荷及各种监测继保装置组成的系统[1]。微电网的运行方式主要包括并网运行和离网运行，为了提高微电网的供电可靠性和能量利用效率，可以利用储能系统储存电能。通过储能系统的调节，微电网在并网运行时，储能系统能够储存多余的电能或者在用电高峰期向微网反馈电能，并能补偿功率因数，提高电能质量；当微电网离网运行时，储能系统能够通过变换电能保证微网的基本运行，保证重要负荷不断电运行，提高了系统稳定性。

超级电容器通过合适的变换装置可以与蓄电池并联成混合储能系统。并联后的混合储能系统占地面积更小，维护方便，经济性能更优，对于各种负载都具有良好的适应能力，减少了因为停电或者故障响应电网正常运行的事故概率。蓄电池由于受极化的影响，应避免频繁的和过大的电流进行充放电，与超级电容器混合使用后，有效地降低了蓄电池的充放电循环次数和电流，延长了蓄电池的使用周期[2]。为了将蓄电池和超级电容高效地并联起来，文献[3][4]提出了一种双向DC/DC变换器，可以将这种变换器应用于此，有效地利用两种储能方式的优点。文献[5]在分析传统逆变器过程中提出一种改进解耦策略，结果表明能加快系统响应速度，改善电网电流谐波，本文将其应用于储能系统的并网控制。当混合储能系统放电时：混合储能系统通过三相DC/AC变换器将直流电逆变为交流电送至微网中；当微网中含有多余的电能时，向储能系统充电，三相DC/AC变换器将微网中的交流电变换为直流电。混合储能系统就是通过与微电网之间的功率交换实现系统的瞬时功率平衡和稳定控制。

基于以上，本文设计一种总体控制方法，将混合储能系统高效地接入微电网系统。

2 系统结构

通常超级电容与蓄电池连接有三种形式：第一种是中间不加任何装置直接将两者并联，第二种是通过在两者间加电感作为缓冲并联，第三种是通过功率变换器并联混合储能系统。由于在并联两个电源时需要保持两者端电压一致，避免出现环流，本文采用图 1所示的并联结构，通过双向Buck/Boost变换器[4]并联混合储能系统。

图1　混合储能系统接入电网结构示意图

这种并联方式结构简单，没有交流变压的繁琐，具有很好的经济性和易控性。这样既充分发挥了电容响应速度快的优点，也降低了蓄电池的频繁充放电次数，延长了蓄电池使用寿命。

3 系统建模与分析

3.1双向DC/DC变换器模型

假设变换器带的是恒功率负载RL，开关V1导通时间为m，以直流侧电感电流iL和电容器电压Udc作为状态变量，建立如下状态方程：

在系统的稳态工作点(0CU,0Li,0m)对式（1）进行线性化[6],最终可以得到系统的稳定条件及在系统实际稳定运行需要满足的条件：

式中，P0为混合储能系统的输出功率。

3.2三相变换器模型

三相并网逆变器主电路结构如图2所示，其中ua，ub，uc表示逆变器输出桥臂电压，ia，ib，ic表示逆变器并网电流，ea，eb，ec表示三相电网馈线电压。

图2　三相变换器示意图

以电感电流iL为状态变量，根据KCL和KVL定律，列出状态方程：

经过Clark变换，将模型由三相静止坐标系转换到两相静止坐标系。

两相静止坐标系经过式（5）的转换矩阵可以变换到两相旋转坐标系。

将（4）、（5）两式相乘可以得到逆变器在旋转坐标系下的方程：

通过dq变换，可以使控制系统的设计简化很多，但是也造成了d轴分量和q轴分量的耦合，必须找到一种有效的方法将此耦合关系解开[7]。

4 系统控制方法

传统SPWM技术是使逆变器的输出电压波形尽可能的接近于正弦波[8]，这种方法不能充分利用直流电压，而且会产生高次谐波，不利于数字化实现。现在逆变器和变频器广泛使用的是空间矢量PWM控制技术（SVPWM）。相较于传统的脉冲宽度调制技术（即SPWM技术），空间矢量PWM控制技术的直流电压利用率提高了15.74%，并且有更低的电压和电流谐波畸变率[9][10]。

控制前先加入蓄电池 SOC检测[11]，由于蓄电池的 SOC处于0.2～0.8之间时，受极化影响较小，因此当SOC<0.2时，蓄电池应该停止向电容侧供电；当SOC>0.8时，电容侧应该停止向蓄电池充电。这样系统中的蓄电池可以增加循环使用次数，减小运行和维护成本。

4.1DC/DC多滞环控制策略

为了优化微电网的储能结构，充分利用超级电容响应速度快、功率密度大的优点，改善混合储能系统的充放电过程，文章采用多滞环调节控制，如图3所示。

图3　参考电流计算原理图

由直流侧电容两端电压UC的大小，通过滞环判断参考电流iL_ref的数值，再经由滑模变结构控制方法实现前端电流iL对参考值iL_ref的无静差跟踪。其工作过程如下：

iL_ref>0时：

当UC从U5→U3时，电容器组储存的能量充足，iL_ref=0，功率变换器不作用；

当UC从U3→U1时，电容器组储存的能量不足，蓄电池组以电流 I3向超级电容器组充电，iL_ref=I3，此时电路工作在Boost状态；

UC

当超级电容器组电压逐渐升高时，UC→U2时，蓄电池组仍以大电流 I4向超级电容器组充电，iL_ref=I4，此时电路工作在Boost状态；

当UC从U2→U4时，电容器组储存的能量不足，蓄电池组以电流 I3向超级电容器组充电，iL_ref=I3，此时电路工作在Boost状态；

当UC从U4→U6时，电容器组储存的能量充足，iL_ref=0，功率变换器不作用；

当iL_ref<0时，情况类似，电路工作在Buck状态。

4.2改进解耦

传统的储能装置并网变换器解耦控制，是通过采集电网电流的d轴分量id和q轴分量iq,将它们分别和滤波电感总感抗相乘再加到系统中。本文 2.2中已经得到三相变换器的模型，由式（6）可得：

图4　传统解耦原理示意图

改进解耦控制方法[4]是将给定的、代替传统解耦方法中的id、iq，如图5所示。该方法由于解耦时没有采集电网电流的分量，而引入的是人为给定的、，因此不会受到电网电流的直接影响，动态响应速度快，波形质量高。

图5　改进解耦控制图

在系统中进行仿真，在图 6比较两种解耦方式的并网电流THD可以发现，改进解耦控制方法的并网电流THD大约在3.06%，比传统解耦方法THD（6.88%）含量小，并网电流波形质量更高。

图6　两种控制方法仿真波形及THD

5 仿真及验证

根据上述混合储能系统设计的结构和控制算法，在Matlab/Simulink中对系统进行仿真分析并在样机中验证。设定系统功率为15kW，蓄电池容量为100Ah，额定电压为120V，内阻为0.2Ω；超级电容容量为10F， 额定电压200V，内阻为0.2Ω；直流变换器电感为1mH，直流变换和交流变换的开关频率都设定为 12kHz。由于系统功率满足公式(8)，系统可以稳定运行。

在仿真中比较单一蓄电池储能和混合储能对系统频率的影响和两种储能对直流母线电压的影响，从图7和图8可以看出，混合储能系统有效地提升了系统的稳定性，频率和直流母线电压的仿真波形都得到有效改善。

图7　两种储能方式对频率的影响

图8　两种储能方式对直流母线电压的影响

6 结论

充分利用超级电容和蓄电池组成的混合储能系统，构建适用于微网的整体结构和控制方法。蓄电池技术成熟，但功率密度不足，循环次数少；超级电容功率密度大，循环次数多，但能量密度低，通过多滞环控制混合储能系统能有效满足微网运行的需求。SVPWM技术提高了直流电压利用率，改进解耦技术减少了谐波含量 ，加快了响应系统速度。仿真表明，这套系统能应用于微网的储能系统。

[1] R.H.Lasseter.Microgrids[C].Power Engineering Society Winter Meeting, IEEE,2002:305-308.

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[9] 张成,王心坚,衣鹏,等.SVPWM与SPWM比较仿真研究[J].机械与电子,2013,(1):3-7.

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[11] 李相男.混合储能技术在微电网中的应用[D].秦皇岛:燕山大学,2013.

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

赵彦龙（1988－），男，河南商丘人，上海电力学院电子与信息工程学院在读硕士，研究方向为储能技术及其在微网中的应用；曹以龙（1965－），男，安徽当涂人，上海电力学院电子与信息工程学院教授，博士，研究方向为电力电子技术。