微网中蓄电池储能系统的控制策略研究

张惠娟，脱少鉴，李 旭

(河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建国家重点实验室培育基地，天津300130)

微网中蓄电池储能系统的控制策略研究

张惠娟，脱少鉴，李 旭

(河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建国家重点实验室培育基地，天津300130)

微网中太阳能等一次能源发电易受自然条件因素的影响，导致输出功率很不稳定，针对上述问题，对储能系统作为微电网主要电源的主从控制策略进行了研究。以发展技术成熟的蓄电池为储能元件，主控储能装置采用恒压恒频控制算法，检测电网电压波动快速补偿有功无功功率；次控储能装置采用恒功率控制算法，维持最大功率的输出。搭建了微电网仿真模型，模拟微电网并网和孤岛运行模式转换的过程，仿真结果验证了该控制策略的有效性。

微电网；储能系统；电压频率环；有功无功补偿；恒功率控制

大电网一旦局部发生事故，很容易扩散造成大面积停电，加上偏远地区供电困难和能源危机等问题，学者们提出了投资小、供电可靠而且发电方式灵活的微电网技术[1]。储能系统作为微电网必不可少的一部分，它的合理配置值得深入研究。

目前微电网中的储能大部分只做辅助电源，而主要电源是太阳能等一次能源。但一次能源容易受天气等不确定因素影响，在电网发生故障时会导致输出功率很不稳定，具有间歇性和波动性等问题。而储能作为一种稳定能源，它可以持续地为微电网提供电能。

本文以发展技术较成熟的蓄电池为储能元件，主控储能装置采用恒压恒频(V/f)控制算法，检测电网电压波动快速补偿有功无功功率；次控储能装置采用恒功率(PQ)控制算法，维持最大功率的输出。建立系统仿真模型，并研究此算法的有效性。

1 蓄电池储能系统的主要结构及功率转换系统工作原理

储能技术中蓄电池储能系统 (battery energy storage system，BESS)在微电网中应用很广泛，已成为经济发展的一个新热点[2]。

蓄电池储能系统由蓄电池和电力电子变流器组成，主要包括蓄电池系统、电池管理系统、功率转换系统(power conversion system，PCS)等三部分。功率转换系统选择使用电压型三相桥式PWM变流器(简称PWM变流器)[3]。

PWM变流器可以实现能量的双向流动，当蓄电池从电网吸收电能时，PWM变流器运行于整流模式；当蓄电池向电网释放能量时，PWM变流器运行在逆变模式。下面通过建立模型电路分析其工作原理。

从图1可知PWM变流器的直流侧电容可等价为一个直流源，交流侧电路由交流电动势、网侧电阻和网侧电感等组成。分析时只考虑基波分量而忽略整流器谐波分量，且假设交流侧为对称且稳定的三相交流电，可得矢量方程：

图1 PWM变流器的等效电路

2 储能系统的控制策略

2.1 储能系统的构成

系统主要的组成部分包括BESS、控制器、负荷、光伏电池及静态开关(SB)。多个BESS子系统并联构成大型蓄电池储能系统，BESS1作为系统的主控电源，在检测到PCC点电压、电流的变化后，进行并网模式和孤岛模式的转换，其他BESS则一直保持PQ控制方式。大型储能系统的微电网结构如图2所示。

图2 大型储能系统的微电网结构

每个BESS子系统由一个电池模块(由一定数目的单个电池经过串并联构成)和一个功率转换系统(由PWM变流器和滤波器构成)组成，电池模块直接连接在功率转换系统直流母线侧，经过DC/AC变换，得到负载/电网需要的交流电后通过变压器接在PCC上。

2.2 单个储能装置的并网模式(PQ控制)

PQ控制通过锁相环SPLL采集逆变器出口电流和馈线电压，经过Park变化，把三相电压电流转化为轴的分量，进行功率计算和电流控制，得到正弦调制信号，保证储能输出的有功和无功保持在恒定值[5]。图3为PQ控制方法结构框图。

图3 PQ控制方法结构框图

PQ控制的关键在于对有功和无功功率进行解耦，把对功率的控制转变为对电流的控制，然后对电流进行PI控制，从而控制逆变器的输出。

由图3知，母线上电压可表示为：

式中：ω为母线电压角频率，并网时取决于配电网的电压频率，孤岛时为微网电压频率。

由式(2)～式(4)就可以完成PQ的解耦控制。

2.3 单个储能装置孤岛模式(V/f控制)

V/f控制方法适用于微电网孤岛运行，通过控制主控储能系统的变流器，以维持输出的电压和频率在可调范围内，确保微网稳定运行。图4为V/f控制方法的结构框图。

图4 V/f控制方法的结构框图

V/f控制的关键在于电压电流双环控制，外环是瞬时电压环，采用比例积分控制(PI控制)来稳定负载电压；内环是电容电流瞬时调节环，采用比例控制(P控制)来增强系统的抗干扰能力。

电压电流双环控制的原理是将系统滤波器输出电压与参考电压进行比较后，得到的误差信号经PI控制器，叠加电容补偿单元后，同时引入微网电压前馈补偿项，叠加后的输出值与实际电容电流进行比较后，经过P控制器后输出可以驱动开关管的正弦调制信号。

3 仿真验证

为了验证提出控制策略的正确性和有效性，本节研究含有两个储能装置的三相微网系统。微网系统结构如图5所示。

图5 微网结构模型

BESS1作为主控电源，BESS2作为从属电源，并网模式下BESS1和BESS2均采用PQ控制 (按照上级调度指令输出恒定有功和无功功率)，当微网脱离配电网时，BESS1切换为V/f控制，BESS2仍然保持PQ控制。假设光伏系统此时处于晚上(特殊情况)，既不发出电能，也不吸收电能。

微网的电压等级为380 V，配电网用三相理想电压源替代。直流侧为蓄电池的串并联组合模型，BESS1和BESS2端电压均为800 V。BESS1和BESS2按照上级调度指令输出有功和无功功率，其有功无功的给定由负荷而定。PWM载波频率，仿真采样时间为50 μs。

下面对微电网进行仿真，仿真时间为6 s。

闭合K1、K2和K3，接入恒功率负载1、2、3，仿真过程为：

(1)0～2 s，微网处于并网运行，BESS1、BESS2都是PQ控制，2 s时微网孤岛运行，BESS1由PQ切换到V/f，BESS2仍然是PQ控制；

(2)4 s时微电网重新并网，仅BESS1切换为PQ控制。仿真结果如图6所示。

图6 微网系统仿真结果

由图6分析得：

(1)2 s时，图6(a)微网频率在0.2 s内波动较大，短暂调整后恢复到50 Hz左右；图6(b)表示BESS1输出的有功功率由3 500 W增加到6 000 W，无功功率由0增加到2 500 Var。V/f控制的BESS1可以为孤岛模式运行提供稳定的频率支撑。

(2)4 s时，系统频率在转为并网模式时短时间内下降，约0.2 s就恢复到50 Hz水平，频率的变化在允许范围内。BESS1由V/f切换到PQ控制时输出的有功从6 000 W减小到3 500 W，同时无功由2 500 Var减少到0，需要的功率缺额由配电网来补偿。图6(c)表示BESS2始终处于PQ控制，有功和无功给定不变，基本保持恒定，恒功率控制效果理想。

为了检测PCC点电压的波动情况，清楚地观测电压波形是否完整，将仿真时间稍作修改。设仿真时间为0.3 s。仿真过程为：0～0.1 s，微网并网，0.1 s时微电网脱网，0.2 s时微电网重新并网。仿真结果如图7所示。

图7 PCC点电压波形

由图7可知，在0.1 s微网切换运行模式时相电压幅值有了微小的变化，但是很快恢复到了正常水平，幅值在311 V左右趋于稳定，波形基本为正弦波，PCC点电压稳定。

从以上的仿真结果可知，在微电网运行模式转换时储能系统BESS1可以通过改变有功和无功补偿来实现整个微电网的稳定运行，频率和电压变化也符合国家规定的标准，控制效果理想。

4 结论

本文给出了大型蓄电池储能系统的主从控制策略，主控储能装置采用电压频率环和有功无功补偿相结合的恒压恒频控制算法，次控储能装置采用恒功率控制算法。这种控制策略在不稳定电源如光伏电池不能为微网提供电能的前提下，蓄电池储能系统也能在微电网并网和孤岛运行模式转换时保证整个微电网的稳定运行，频率和电压变化也在允许的范围内，控制效果理想，微网可以稳定运行。

[1]王成山，李鹏.分布式发电、微网与智能配电网的发展和挑战[J].电力系统自动化，2010，34(2)：10-12.

[2]黄晓东，郝木凯，陆志刚，等.微网系统中电池储能系统应用技术研究[J].可再生能源，2012，30(1)：38-41.

[3]智刚，梁京哲，金新民，等.蓄电池充放电装置用三相PWM整流器的研究[J].电源技术应用，2008，11(3)：14-17.

[4]徐琳.微电网蓄电池储能系统控制技术研究[D].济南：山东大学，2012.

[5]田野.微网变流器控制关键技术研究[D].杭州：浙江大学，2013.

Study on control strategy of battery energy storage system in micro grid

Primary energy in micro-grid such as solar power is easily influenced by natural factors,which lead to the output power unstable.For the above problem,a master-slave control strategy in which storage system was main power of micro-grid was proposed.With technical mature battery as energy storage component,master energy storage adopted constant voltage and frequency control algorithm, which could detect voltage fluctuation and compensate power;secondary energy storage adopted constant power control algorithm,which could ensure to provide micro grid stable power.The simulation model of micro grid was built, and the switch process of interconnection and isolated net was simulated.The simulation proves the validity.

micro grid;energy storage system;frequency voltage loop;active reactive power compensation;constant power control

TM 727

A

1002-087 X(2016)06-1262-03

2015-12-05

张惠娟(1963—)，女，天津市人，博士，教授，主要研究方向为电力系统分析与预测。