风储直流微网孤岛运行控制研究

2017-01-20陈宇豪米芝昌曹国栋韩肖清

分布式能源 2016年1期

关键词：微网线电压电容器

陈宇豪，王磊，杨宇，米芝昌，曹国栋,韩肖清

(1.电力系统运行与控制山西省重点实验室(太原理工大学)，山西太原 030024;2.国网山西省电力公司，山西太原 030001)

风储直流微网孤岛运行控制研究

陈宇豪1，王磊1，杨宇2，米芝昌1，曹国栋1,韩肖清1

(1.电力系统运行与控制山西省重点实验室(太原理工大学)，山西太原 030024;2.国网山西省电力公司，山西太原 030001)

针对偏远地区电力资源缺乏且风能充足的特点，设计了一种孤岛运行的小型风储直流微网系统。该系统采用双极性直流母线结构，降低了母线对地电压，同时满足各种变换器和负荷对不同电压等级的要求，使系统更加安全可靠。利用电压平衡器保证了正负母线电压平衡，并分别设计了风力发电单元和混合储能单元(hybrid energy storage system，HESS)在不同工况下的最优工作方式。将该小型风储直流微网系统运行分为五种模式，通过对风机、混合储能以及负荷进行协调控制，确保直流母线电压的稳定和负荷的可靠供电。最后通过仿真验证了系统运行的稳定性和控制策略的可行性。

直流微网；双极性结构；协调控制；电压平衡器；混合储能系统(HESS)

0 引言

直流微网作为新的能源结网形式成为研究热点[1-2]。以直流微网集成风力、光伏等新能源发电单元、储能单元及本地负荷，一方面可以解决偏远地区用电需求，减少传统大电网架构的投入和对环境的破坏，同时实现可再生能源的高效利用，并与国家实施全球能源互联网的发展战略保持一致[3-6]。因此，对小型直流微网独立运行控制的研究具有重要意义。

文献[7]中的风电直流微网与交流电网连接，主要考虑主网对子网的影响，并没有对孤岛运行深入研究。文献[8]从能量管理的角度对一种风-柴-氢偏远地区的供电系统进行研究，母线电压受风速影响波动较大，并且没有对各单元运行方式进行分析。文献[9]采用了低压双极性网络结构，并通过实验验证了该结构的稳定性与优越性，为双极性结构的直流微电网应用奠定了基础，但没有考虑各单元间的协调控制。

本文设计了一种孤岛运行的小型风储双极性直流微网系统，可以解决偏远地区的供电短缺问题。电压平衡器优化了母线电压，减少了能量转换的消耗；风力发电单元根据工况采用最大功率跟踪(maximum power point tracking，MPPT)、恒功率和限功率恒压这3种运行模式；混合储能单元根据电压采用不动作、下垂控制和恒流充放电这3种运行状态。设计了系统运行时的5种工作模式，通过仿真搭建风储直流微网结构，验证了提出的协调控制策略可以在直流母线电压波动时保证系统在各模式间平滑切换，实现稳定运行和能量的高效利用。

图1 风储直流微网系统示意图Fig.1 Schematic diagram of wind power and energy storage DC Microgrid

1 系统结构

图1描述了本文设计的孤岛运行的风储直流微网系统。直流母线采用双极性结构，通过中性线接地，降低了母线对地电压，使直流微网更加安全和可靠。

(1) 电压平衡器：由于末端负荷不平衡，容易造成正负母线电压不能稳定在额定值，电压平衡器不仅能够保证负荷的可靠供电，而且可以平抑输出端电压的波动，维持电压稳定[10]。

(2) 风力发电单元：Boost斩波型变换器成本低，结构简单，系统可靠性高，并能在一定风速范围内实现最大风能捕获，因此选取二极管整流桥与Boost变换器作为风机侧变流器[11-12]。

(3) 混合储能单元：由于风机的间歇性和随机性，还需配置储能环节用以协调直流母线电压稳定与功率平衡[13]。锂电池和超级电容储能装置具有较好的互补特点，通过控制锂电池吸收或释放低频功率，超级电容吸收或释放高频功率，可以抑制负载突变对直流母线造成的冲击。本文采用锂电池和超级电容器级联方式的混合储能单元，确保系统稳定运行[14]。

(4) 本地负荷单元：直流负荷通过DC-DC变换器接入直流微网，单相或三相负荷通过DC-AC变换器接入微网，用来满足各种用电设备的需求。

2 各单元控制与运行模式

2.1 电压平衡器

本文采用的电压平衡器的拓扑结构如图2(a)所示。其中，Udc为电压平衡器的输入电压，即直流正负母线之间的电压；Up、Un分别为电容C1、C2上的电压，即直流正负母线对地电压；开关S1、S2分别控制上下桥臂通断；iL为流过平衡电感L的电流。电压平衡器具体控制如图2(b)所示。该控制策略能够有效实现电压平衡，在稳定负荷电压的同时，提高负荷供电质量。

2.2 风力发电单元

该单元存在3种运行模式，当风速小于额定风速时，工作于MPPT模式；当风速大于额定风速时，工作于恒功率输出模式；当直流母线电压过高时，工作于限功率恒压模式。

图2 电压平衡器的拓扑及控制Fig.2 The topology and control of voltage balancer

(1) 在额定风速以下时，对于定桨距(β=0°)风电机组，风能利用系数CP(β,λ)仅为关于叶尖速比λ的函数，故当风机运行于MPPT模式时，风机捕获风功率为Pw为：

Pw=0.5ρ πR2v3Cpmax

(1)

式中：ρ为空气密度;R为风轮半径;v为风速;Cpmax为最大风能利用系数。

同时叶尖速比存在关系，

(2)

式中：n为风轮转速;ωr为风轮角速率。

将(2)带入(1)并运行于MPPT模式时，风机的最优输出功率Pwopt为：

(3)

对于永磁同步发电机，其相电动势E与角速率ωe存在线性关系，同样对应于风轮角速率ωr，即：

E=Keωe=Keωr

(4)

式中Ke为E与ωe之间的比例系数[15]。

基于发电机外特性，不计发电机绕组的电阻和电抗，考虑发电机机械角速率与电角速率、二极管整流桥电压整流前后的变换关系，DC-DC 升压电路的输入电压Uin与风轮角速率ωr存在线性关系，即

Uin=Kωωr

(5)

式中Kω为Uin与ωr之间的比例系数。

假设从风机捕获的功率到整流器输出功率的过程中，不考虑损耗，则DC-DC 升压电路的输入电流iin与输入电压Uin的关系为：

(6)

式中K为iin与Uin之间的比例系数。

(2) 在额定风速之上时，通过改变发电机的输出功率，使得风机进入失速区运行，降低风能利用系数，达到机组较少捕获功率的目的，使机组运行于恒功率工作模式，此时输入电流iin与输入电压Uin存在关系：

(7)

式中PwN为风机的额定输出功率。

(3) 当直流母线电压Udc超过限值时，如果风机继续以MPPT或恒功率方式运行，会导致Udc持续升高，系统功率过度盈余，此时应限制风机的输出功率，稳定直流母线电压。

本文通过检测DC-DC 升压电路的输入电压和电流，调整占空比实现最大风能跟踪或恒功率输出；通过控制直流母线电压恒定，实现限功率恒压输出，并可以进行模式切换，具体控制如图3所示。

图3 风力发电单元控制框图Fig.3 Control block diagram of WECS

2.3 混合储能单元

为实现功率型和能量型储能器件优势互补，提升储能系统的性能，采用锂电池和超级电容器以级联方式接入直流母线。

本文设计超级电容器优先充放电，作为功率缓冲器，平衡母线电压；锂电池是主要的能量来源，调节超级电容器的荷电状态，并辅助调节母线电压。图4为提出的混合储能系统控制框图，其中Udc为直流母线电压实际值，Usc、isc为超级电容器的出口侧电压和电流，ib为锂电池的出口侧电流，qSOC是锂电池的荷电状态，Udc _ref、Usc_ref为直流母线电压和超级电容器端电压的额定值。

图4 混合储能单元控制框图Fig.4 Control block diagram of HESS

图5 储能下垂特性曲线Fig.5 Droop curve of energy storage

图5为储能装置的i-U下垂特性曲线。Uref为额定电压参考值；UH1、UL1为储能装置的动作阈值，超级电容器UH1, L1=Udc_H1, L1=Udc_ref±ΔUdc，ΔUdc为可接受的直流母线电压波动范围，锂电池UH1,L1=Usc_H1, L1=Usc_ref±ΔUsc，ΔUsc为可接受的超级电容器端电压波动范围；ilimit为储能装置的充放电电流限制；UH2、UL2分为对应储能装置达到充放电限值时的电压阈值，超级电容器和锂电池分别对应Udc_H2, L2和Usc_H2, L2；m为储能装置的下垂系数。对应下垂系数公式，可求得储能装置充放电电流表达式为：

(8)

本文将储能元件的工作分为3个运行状态：当UL1UH2或U

对应于超级电容器，当Udc_L1

运行状态的划分同理对应于锂电池。为防止过度充放电对锂电池的影响，采集其荷电状态qSOC，保证安全运行。

3 基于直流母线电压的直流微网协调控制

对于直流微网中各类型的变换器，控制系统中稳定的母线电压是其运行的关键。但风机输出功率变化以及负荷消耗功率变化都会引起直流母线电压的波动。系统中存在的功率平衡关系为：

Pwind+Phess=Pload

(9)

式中：Pwind、Phess分别为风力发电单元和混合储能单元向直流母线输送的功率；Pload为负荷消耗的功率。

本文提出的协调控制策略是：根据直流母线电压将系统分为不同的运行模式，在不同的模式下合理调节各单元的工作方式以使系统在不同工况下都能稳定运行。各单元具备即插即用功能，无需相互通信，简化了控制的复杂性，提高了实时性，快速实现系统内的功率平衡和电压稳定。

设定系统运行开始时，各单元处于良性工作区域，具体控制策略如图6所示。

图6 直流微网协调控制示意图Fig.6 Schematic diagram of coordinated control of DC microgrid

在模式1中，直流母线电压Udc允许变化范围是UL1到UH1，风力发电单元采用MPPT控制。当风机输出功率或负荷消耗功率出现小波动时，为防止储能装置的频繁动作，设置该模式下混合储能不动作，允许直流母线电压小范围波动。

3.2 模式2/模式3

当风机输出功率或负荷消耗功率波动导致直流母线电压波动超过UH1, L1，需要混合储能系统投入工作来平抑功率波动。

当风力发电单元输出功率较大或负荷较轻时，此时系统的功率平衡关系变为：

Pwind+Phess>Pload

(10)

系统内出现功率盈余，直流母线电压上升到模式2的电压区间(UH1

当风力发电单元输出功率较小或负荷较重时，母线电压波动范围在UL2

Pwind+Phess

(11)

与模式2类似，HESS通过释能来弥补功率缺额：超级电容器优先进行放电，当其端电压下降至Usc_L1时，锂电池开始动作，工作在放电模式。

心脏彩超为无创伤性，不会损伤患者，同时可将心脏舒张和收缩功能直观体现，患者的心腔结构、心脏搏动和血流动力学变化会动态显示，与心功能分级结合后可对病情的判定奠定基础，从而使诊断准确率显著提升。此次数据中，研究组患者LVM、LIMI、LVESD、LVEDD、LAD显著高于参照组LVEF、LVFS和E/Ea低于参照组，组间数据比对判定有统计学意义（P＜0.05）。说明左心衰竭会将心肌损害和重构程度加重，从而损害心功能。

3.3 模式4/模式5

当HESS 超过安全的运行区域，为保护装置，HESS退出运行，系统失去调节功率的能力。若直流母线电压高于UH2，系统进入模式4，此时风力发电单元输出功率大于负荷总需求。为防止母线电压持续升高，风力发电单元应减少功率输出，从MPPT控制或恒功率控制变为限功率恒压控制，稳定母线电压。

若直流母线电压低于UL2，系统进入模式5。此时风力发电单元输出功率小于负荷总需求，为防止电压崩溃，需要根据负荷的优先级切除负荷，保证重要负荷的供电安全，直至系统稳定。

4 仿真验证与结果分析

为验证本文所提控制策略，采用Matlab/Simulink软件进行仿真。仿真参数如下：风机的额定输出功率3 kW(额定风速vN=12 m/s，空气密度ρ=1.2 kg/m3)；直流母线电压额定值400 V，锂电池组的额定电压128 V，容量40 A·h；超级电容器组的额定电压380 V，容量58 F。

根据直流母线额定电压Udc_ref=400 V，设置ΔUdc=5 V，故超级电容器的动作阈值为：Udc>405 V时充电，Udc<395 V时放电；同时设置Udc_H2=420 V，Udc_ L2=380 V。

设置超级电容器的工作电压为70～330 V，取Usc_ref=200 V，ΔUsc=60 V，故锂电池的动作阈值为：Usc>260 V时充电，Usc<140 V时放电。

4.1 模式1

图7 模式1系统运行状态Fig.7 System operation state in model 1

图8 模式2系统运行状态Fig.8 System operation state in model 2

当395 V

当直流母线电压波动在+3 V或-4 V时，未超过阈值，为减少损耗和频繁切换，设置HESS不动作，两者充放电电流均为0，如图7(c)所示。

4.2 模式2/模式3

模式2：当405 V≤Udc≤420 V时，系统运行在模式2，风电单元处于MPPT控制模式，输出功率大于负荷消耗功率，引起母线电压上升，达到HESS工作条件，开始投入运行。

当直流母线上升至408 V时，超级电容器开始投入运行，充电电流不断增大，达到限值时以5 A恒流充电，限制了直流母线电压的持续上升。随着超级电容器的不断充电，其端电压也在持续上升，当Usc=260 V时，达到锂电池的动作条件Usc_H1，锂电池充电电流平滑增大，限制了超级电容器端电压的持续上升，此时超级电容器充电电流不断减小，直流母线电压平稳限定在405 V，如图8所示。锂电池和超级电容器协调配合，吸收盈余功率，起到调节直流母线电压的作用。

模式3：当380 V≤Udc≤395 V时，系统运行在模式3，风电单元仍处于MPPT模式，输出功率小于负荷消耗功率，直流母线电压下降，HESS投入运行。

当直流母线下降至390 V时，超级电容器首先放电，电流不断增大，达到限值时以5 A恒流运行，限制了直流母线电压的持续下降。随着超级电容器的继续放电，端电压随之下降。当Usc_L1=140 V时，锂电池投入运行，充电电流平滑增大，限制了超级电容器端电压的持续下降，此时超级电容器放电电流不断减小，直流母线电压平稳限定在394 V左右，如图9所示。通过两者的配合，稳定了直流母线电压。

图9 模式3系统运行状态Fig.9 System operation state in model 3

4.3 模式4/模式5

模式4：当Udc>420 V，系统进入模式4，超级电容器电压达到最高工作限制Usc_H2=330 V时，退出运行，锂电池以5 A电流恒流充电，当qSOC=90%时，锂电池也退出运行。此时直流母线电压上升至430 V，通过改变风机的运行模式，升压电路的输入电压降为226 V，输入电流降为9.6 A；母线电压被控制在418 V，系统稳定运行，如图10所示。

图10 模式4系统运行状态Fig.10 System operation state in model 4

模式5：当Udc<380 V时，系统进入模式5，此时超级电容器电压达到最低工作限制Usc_L2=70 V，退出运行，只有锂电池以5 A电流恒流放电，当qSOC=20%时，锂电池也退出运行。此时直流母线电压下降至373 V，而通过及时逐次切除负荷，母线电压回到383 V，确保系统运行，如图11所示。

图11 模式5系统运行状态Fig.11 System operation state in model 5

5 结论

针对偏远地区风能充足的特点，本文设计了一种由风力发电单元、电压平衡器、混合储能单元及本地负荷单元构成的孤岛运行的小型风储双极性直流微网系统，并通过Matlab/Simulink仿真验证，得出如下结论：

(1) 系统采用双极性直流母线结构，可以满足各类用电设备对不同电压等级的要求，使微网更加可靠；风力发电单元能够根据不同工况在各模式间平滑切换；混合储能单元能够结合超级电容器和锂电池的特性合理安全运行。

(2) 根据直流母线电压将系统运行划分为5种工作模式，通过对直流微网各单元进行协调控制，确保了母线电压的稳定和负荷的可靠供电，实现了风储微网在各工况下的稳定运行。

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Study on Autonomous Operation and Control of Wind Power and Energy Storage DC Microgrid

CHEN Yuhao1, WANG Lei1, YANG Yu2, MI Zhichang1, CAO Guodong1, HAN Xiaoqing1

(1. Shanxi Key Laboratory of Power System Operation and Control(Taiyuan University of Technology)，Taiyuan 030024, Shanxi Province, China;2. State Grid Shanxi Electric Power Corporation, Taiyuan 030001, Shanxi Province, China)

This paper designs a small-scale wind power and energy storage DC microgrid system operating in autonomous conditions, in view of the shortage of power energy and the abundance of wind energy at remote areas. The bipolar-type distribution system can reduce the bus voltage to the ground and meet the requirements of various converters and loads. The voltage balancer contributes to balance the bus voltage between the positive and negative values. The wind turbine and hybrid energy storage system (HESS) operate in optimal models with different conditions. The system operation is divided into five patterns, and also the wind turbine, HESS and loads are coordinated controlled, which can ensure the stability of the DC bus voltage and the reliability of the power supply. The simulation results validate that this system operation is reliable and the control strategy is effective.

DC microgrid; bipolar-type; coordinated control; voltage balancer; hybrid energy storage system(HESS)