配合分布式发电的储能变流器控制策略研究

配合分布式发电的储能变流器控制策略研究

余永元，张晓航，龙航，罗奇

(贵州大学电气工程学院，贵州贵阳550025)

摘要：功率平衡是供电系统稳定运行的基础，储能系统储存释放能量，平抑能量波动、负荷扰动，有效提高可再生能源利用率。针对储能变流器提出控制策略，联网模式下，运行功率解耦控制策略，孤岛模式下，运行恒压恒频控制策略，以及孤岛模式切换联网模式时，执行频率扰动控制方法。该控制策略的研究，实现含储能供电系统的可靠、稳定运行。

关键词:储能系统功率解耦模式转换功率平衡

中图分类号：TM715文献标识码：A

作者简介：余永元(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向：电能质量变换与功率变换技术。

收稿日期：2015-03-17

The study of the control strategy for power storage convertor with distributed generation

YU Yongyuan, ZHANG Xiaohang, LONG Hang, LUO Qi

Abstract:Power balance is the basis of the stable operation of the power system. Energy storage system (ESS) is used to store and release energy, stabilize energy fluctuation, load disturbance, so as to effectively improve the utilization of renewable energy. This paper proposes a control method for energy storage converter, that is, under the mode of network, operating decoupled power control strategy, under isolated mode, operating constant voltage constant frequency control strategy, and under switching mode between island and network, frequency disturbance is in operation. This control strategy realizes the reliable and stable operation of the system.

Keywords:ESS；power decoupling；mode switching；power balance

0引言

全球面临着不可再生能源的日渐枯竭，以及能源消耗带来的环境污染日趋严重等问题，可持续发展受到严重威胁，能源的升级转型和低碳环保势在必行[1-2]。风能、太阳能凭借其绿色环保、可再生的优势得到优先发展，然而由于风能、太阳能等间歇式能源自身具有能量密度低、间歇性、随机性等特点，这给风能、太阳能发电系统的稳定性运行带来一定的影响[3-4]。在含间歇式能源供电系统中运用储能技术，可以有效改善供电质量。储能技术可以在高能量区间储存能量，低能量区间释放能量，这不仅可以平抑间歇式能源的能量波动和负荷的投切扰动，而且提高能量有效利用率[5-7]。

在此本文深入研究储能变流器控制策略，含储能供电系统运行于孤岛模式时，执行频率电压恒定的控制策略，解决功率平衡，频率电压恒定等一系列问题。含储能供电系统运行于联网模式时，执行定功率控制策略，响应调度指令，提高电网运行效率。

1系统建模与控制策略

图1　带储能供电系统 结构简图

图1为含储能供电系统结构简图，系统为多个负载(Load)供电，同时储能单元(ESS)和间歇式分布式发电单元(DG)连接系统母线。该系统主要工作在两种运行模式，孤岛模式和联网模式，两种模式切换时储能单元的控制方式也要相应切换[8]。孤岛供电模式时，为了维持系统母线电压频率恒定，系统功率平衡，储能变流器运行恒压恒频控制策略。联网供电模式时，有电网支撑，储能变流器定功率输出，此时储能变流器运行功率解耦控制策略，实现储能单元能量管理，可有效提高能量利用率和延长储能装置寿命[9-10]。

1.1功率解耦控制

图2为储能单元电路拓扑结构图，根据基尔霍电压定律，建立储能变流器数学模型，由Park变换可得dq坐标系下状态方程。选取dq坐标系定向，使得ud=U，uq=0，U为电网电压幅值。

图2　储能单元电路拓扑结构图

其中，u为母线电压，L为平波电抗器，R为线路电阻，i为变流器输出电流，ω为电网角频率，P为输出有功功率，Q为输出无功功率，下标d与q表示dq坐标系下的对应轴分量。由状态方程可知，变流器输出有功功率与id相关，无功功率与iq相关，由此可以实现带储能供电系统联网模式运行时，储能变流器功率解耦控制。

图3为功率解耦控制策略结构框图，采用双闭环控制，外环功率控制和内环电流控制，外环功率控制产生内环电流参考信号，跟踪功率给定参考值。内环电流控制提高动态响应速度，改善鲁棒性能。

图3　功率解耦控制策略原理图

1.2恒压恒频控制策略

孤岛供电系统失去电网支撑，负荷波动和风能、太阳能等间歇式能源的接入，都会给孤岛供电系统供电质量带来影响。含储能供电系统孤岛模式运行时，储能变流器运行恒压恒频控制策略，调节储能单元功率输出，实现孤岛供电系统的功率平衡，稳定系统频率和电压。

图4为恒压恒频控制策略原理图，反馈系统母线电压并与电压给定值uref比较，通过PI调节输出电压参考信号，调制信号经过SVPWM处理，产生PWM脉冲，驱动IGBT功率模块。

图4　恒压恒频控制策略原理图

1.3控制策略的切换

系统并网需要检测电压、频率、相位等信号，当电压幅值、频率、相位满足并网条件时才能并网合闸[11-12]。如果电网频率与孤岛系统频率一致但相位不一致，相位一致条件很难达到。本文提出频率扰动的方法解决这一问题，频率扰动方法就是检测电网和孤岛系统的相位差值，经过PI调节后产生频率扰动量，频率扰动方法加快电网和孤岛母线的电压相位同步。当电压幅值与相位一致时并网合闸，同时切换到功率解耦控制策略。联网运行模式切换到孤岛运行模式时，及时检测孤岛状态，迅速切换到恒压恒频控制策略。

2仿真分析

为验证储能变流器控制策略，本文基于Matlab/Simulink搭建带储能供电系统仿真模型，并进行离线仿真实验，仿真步长5×10-5s，仿真时间10s。

(1)孤岛模式仿真

孤岛运行模式下，0 s到4 s间歇式能源输出有功功率为0 W，4 s到10 s间歇式能源输出有功功率为100 kW。 0 s到7 s接入400 kW负荷，7 s到10 s接入500 kW负荷。图5为系统各单元有功功率曲线，由图可知控制策略有效调节储能单元功率输出，实现孤岛运行模式下的功率平衡。图6为系统A相电压波形，系统线电压有效值690V，即使间歇式能源功率输出变化，还是负荷容量变化，系统电压维持恒压恒频，满足供电质量要求。

图5　系统各单元有功功率曲线

图6　系统A相电压波形

(2)联网模式仿真

联网运行模式下，电网是储能系统的电压同步源，锁相环锁定电网相位，储能单元运行功率解耦控制策略，响应功率输入输出指令。图7为各单元有功功率曲线，图8为系统A相电压波形。0 s到4 s间歇式能源输出有功功率为0 W，4 s到10 s间歇式能源输出有功功率为100 kW。 0 s到7 s接入400 kW负荷，7 s到10 s接入500 kW负荷。0 s到10 s储能单元响应充电指令，输入有功功率100 kW。由图可知该系统联网运行时，即使系统工况发生变化，该系统依然可靠、稳定运行。

图7　系统各单元有功功率曲线

图8　系统A相电压波形

(3)模式切换

图9为孤岛模式切换到联网模式电网与系统母线A相电压波形，4 s时刻运行频率扰动控制策略，4.55 s时刻电网与系统母线同相位，此时并网合闸。图10为系统各单元有功功率曲线，0 s到10 s间歇式能源输出100 kW,接入负荷400 kW，4.55 s前系统孤岛运行模式，功率平衡。4.55 s后切换到联网模式，储能变流器响应调度指令，输入有功功率100 kW。仿真结果表明控制策略可以实现运行模式的平滑切换。

图9　A相电压波形

图10　系统各单元有功功率曲线

3结论

本文提出了一种储能变流器控制方法，使得含储能供电系统工作在孤岛模式时，储能变流器具有电压源输出特性，实现系统内部功率平衡，提供电压频率支撑；工作在联网模式时，储能变流器具有定功率输出特性，响应调度指令实现储能系统的能量管理；同时该控制方法可实现孤岛模式到联网模式的平滑切换。仿真结果表明该控制方法合理、有效。

参考文献

[1]李春曦, 王 佳, 叶学民. 我国新能源发展现状及前景[J]. 电力科学与工程, 2012, 28(4)：1-7

[2]韩芳. 我国可再生能源发展现状和前景展望[J]. 可再生能源, 2010, 28(4)：137-140

[3]董伟杰, 白晓民, 朱宁辉. 间歇式电源并网环境下电能质量问题研究[J]. 电网技术, 2013, 37(5)：1265-1271

[4]孙元章, 吴俊, 李国杰. 风力发电对电力系统的影响[J]. 电网技术, 2007, 31(20)：55-62

[5]罗星, 王吉红, 马钊. 储能技术综述及其在智能电网中的应用展望[J]. 智能电网, 2014, 2(1)：7-12

[6]张文亮, 丘明, 来小康. 储能技术在电力系统中的应用[J]. 电网技术, 2008, 32(7)：1-8

[7]曹云峰, 施刚, 彭思敏. 风-蓄混合孤立发电系统的运行控制[J]. 电力电子技术, 2011, 45(8)：75-77

[8]张继红,李华, 杨培宏. 分布式多能互补微电网协调控制策略[J]. 可再生能源, 2015, 33(1)：11-15

[9]李金鑫, 张建成, 周阳. 风光储联合发电系统能量管理策略研究[J]. 华东电力, 2011, 39(12)：2 026-2 028

[10]李树雷, 展海艳, 薛松. 考虑间歇性分布式电源并网的分布式储能系统最优控制策略[J]. 东华电力, 2013, 41(11)：2 338-2 343

[11]王继东, 张小静, 杜旭浩. 光伏发电与风力发电的并网技术标准[J]. 电力自动化设备, 2011, 31(11)：1-7

[12]刘杨华, 吴政球, 涂有庆. 分布式发电及其并网技术综述[J]. 电网技术, 2008, 32(15)：71-76

张晓航(1990-),男，硕士研究生，主要研究方向：电力电子在电力系统中的应用。

龙航(1987-),男，硕士研究生，主要研究方向：电能质量变换与功率变换技术。

罗奇(1990-),男，硕士研究生，主要研究方向：电能质量变换与功率变换技术。