基于混合储能的直流配电网改进电压分区控制策略

杨李星，郝思鹏，严晓杰，黄堃

（南京工程学院电力工程学院，南京211167）

基于混合储能的直流配电网改进电压分区控制策略

杨李星，郝思鹏，严晓杰，黄堃

（南京工程学院电力工程学院，南京211167）

为提高直流配电网的电能质量，提出了一种基于蓄电池-超级电容混合储能的母线电压分区控制策略，对母线电压进行6层分区治理，并网点采用定电压控制策略，蓄电池用于平抑母线电压波动较小时的功率缺额，超级电容用于协助平抑母线电压急剧变化时的功率缺额。最后，通过Matlab/ Simulink仿真验证了在所有区间中所提控制策略都能够有效切换，维持母线电压稳定。

直流配电网；超级电容；混合储能；电能质量

0 引言

随着新能源和电力电子技术的快速发展，城市用电量逐年提高，分布式能源和电动汽车充电站大量接入，使得传统交流配电网面临着供电可靠性和经济性等方面的巨大挑战。与传统交流配电网相比，直流配电网具有以下明显优势：在同等宽度的输电走廊上，直流配电网的传输功率为交流配电网的1.5倍左右；直流配电网线路理论上不存在无功损耗，线路损耗仅为交流配电网的15%～50%；直流配电网不存在频率偏移和无功补偿，能够简单地解决复杂网络的并网难题；直流配电网减少了大量分布式能源和直流负荷AC/DC的电能转换环节，经济性更加优越[1-3]。

国内外对直流配电网的研究刚刚起步，平抑分布式电源和大功率负载对母线电压造成的波动是亟待解决的问题之一。蓄电池具有能量密度高和功率密度低的特点，超级电容具有能量密度低和功率密度高的特点，将两者的互补特性结合起来的混合储能控制系统能在一定程度上平抑母线电压波动，提高配电网的电能质量。但是由于造价昂贵和容量限制，储能装置无法单独控制结构复杂、负荷变化大的配电网母线电压。

目前，大多数文献还集中在直流配电网换流站和微电网混合储能控制技术的研究。文献[4-6]研究了直流电网换流站自身的控制策略，其本质是在传统主从控制、下垂控制和电压偏差控制基础上的策略改进；文献[7-8]研究了直流电网系统级的控制策略，通过设计换流站之间有通信和无通信2种模式下的控制策略为直流电网故障工况的电压控制提供了控制方案；文献[9-16]研究了混合储能的控制策略对提高微电网稳定性的影响，本质上是将传统的电压控制策略应用于混合储能来达到稳定母线电压的目的。但上述文献均没有对作为上层控制的换流站和下层控制的储能设备之间的协调控制进行深入研究。

针对上述问题，在单端直流配电网拓扑结构的基础上，提出基于混合储能的母线电压分区控制策略。换流站采用定直流电压控制策略，平衡母线电压；蓄电池采用下垂控制策略辅助补偿系统的功率差额；超级电容根据母线电压的变化速率平抑急剧的电压波动。最后通过Matlab/Simulink仿真验证了该控制系统的可行性和有效性。

1 含混合储能的直流配电网拓扑

图1为单端直流配电网拓扑结构，主要由分布式电源（光伏、风电场等）、直流负载、交流负载、储能和EVCS（电动汽车充电站）组成，并通过并网点的变流器连接交流主网和低压直流配电网。其工作原理如下：

（1）蓄电池与超级电容分别通过双向DC/DC变换器并联到直流母线上，两者相互独立的充放电电路使系统的控制方式更加简单，可靠性更高。

（2）低压直流配电网主要任务是接入通信设备等敏感负荷。

（3）EVCS具有负荷和电源双重特性。正常工作状态下，EVCS作为直流负荷吸收直流配电网的能量；当配电网的母线电压跌落越限时，EVCS可作为电源向配电网释放能量，维持母线电压稳定。

为了简化分析，将EVCS和低压直流配电网消耗的有功功率分别等效为两个直流负载，则整个直流配电网的功率平衡方程为：

式中：Pbat为蓄电池的充放电功率；Psc为超级电容的充放电功率；PAL，PDL分别为交流负载和直流负载消耗的有功功率；Pd为所有分布式电源的输出总功率；Pc为交流主网对中压配电网的输入功率。

直流配电网与交流主网的并网点处于定功率控制状态时，若由混合储能维持母线电压的稳定，则混合储能需要提供的功率为

式中：ΔPAL，ΔPDL分别为交流负载和直流负载有功功率的变化量；ΔPd为所有分布式电源输出总功率的变化量。

直流配电网中几乎不存在无功功率，母线电压是电能质量的唯一指标。由式（2）可知，通过控制蓄电池和超级电容的充放电功率可以平衡分布式电源和负载的功率差额，从而稳定母线电压。

鉴于蓄电池能量密度大、功率密度小，超级电容能量密度小、功率密度大的特点。因此将两者的互补特性相结合，构建蓄电池和超级电容混合储能系统，利用超级电容的高动态响应性平衡母线电压急剧变化时的功率，提高配电网的故障穿越能力。但由于超级电容储能深度小，面对母线电压偏差值较小的响应会导致能量的匮竭和盈余，无法长时间工作在单端稳压模式，因此利用蓄电池的大储能深度作为超级电容的补充，平抑波动较小的母线电压。

2 直流配电网母线电压控制方案

以下提出一种针对单端直流配电网的母线电压分区控制策略。如图2所示，将直流母线电压Udc分为6个区间，根据母线电压的位置确定相应的工作模式，对变流器实施相应的控制策略。

图2 母线电压分区控制策略

由图2可知，在6个区间中，直流配电网与交流主网PCC（并网点）的双向AC/DC变流器处于定电压工作模式；第3，4区间，母线电压存在大量纹波且偏差值较小，为防止变流器频繁切换工作模式，蓄电池与超级电容处于恒流充放电模式，进入并网备用状态，保证其他区间对母线电压的电压调节能力；第2，5区间，蓄电池采用电压下垂控制策略，超级电容根据母线电压变化速率来补偿配电网的功率缺额或盈余；第1，6区间，并网变流器、蓄电池和超级电容共同维持母线电压稳定。当母线电压偏差超过临界点0.90和1.10时，判定直流配电网需要停机工作，在故障点断开后重新并网[17]。具体控制策略如下：

2.1 双向AC/DC控制策略

基于VSC（电压源换流器）技术的双向AC/DC变流器中，根据功率守恒定律可知，交流侧与直流侧的电流关系为：

式中：Udc，Idc分别为直流侧电压和电流；Ud，Id分别为交流侧电压、电流的d轴分量。

由式（3）可知，控制交流侧的d轴电流Id可以调节VSC直流侧的电流Idc，从而调节直流配电网的功率，稳定母线电压。

图2（a）中，PCC作为系统的平衡节点，采用定直流电压控制方式来支撑母线电压，同时可以防止各分布式电源和储能之间的功率震荡。

2.2 蓄电池控制策略

图2（b）中，当直流母线电压位于第3，4区间时，蓄电池处于恒流充放电模式，为了保证在其他区间的电压调节能力，蓄电池的SOC（荷电状态）目标值设定为70%。当直流母线电压位于其他区间时，蓄电池采用电压下垂控制方式，即电压下垂外环和电流内环双闭环调节。

图3为蓄电池的DC/DC控制框图。其中，DC/DC变流器选用双向DC/DC变流器；ibat为蓄电池的充放电电流；ibatref为蓄电池的电流控制信号；udcref为蓄电池接入点的母线电压参考值；kb为蓄电池下垂控制系数。

需要注意的是，第2，5区间的udcref取值分别为1.02和0.98。

2.3 超级电容控制策略

图3 蓄电池DC/DC控制策略

超级电容控制策略如图2（c）所示，直流母线电压位于第3，4区间时，超级电容处于恒流充放电模式，为保证超级电容对母线电压的瞬时大幅度跌落或上升有足够的调节能力，SOC目标值设为最大电压的70%；直流母线电压位于第2，5区间时，超级电容根据母线电压变化速率α选择工作模式，α的表达式如下：

式中：Ut，Ut-Δt分别为直流母线当前时刻和前一时刻的采样电压值；Δt为采样周期。需要注意的是，Δt的取值不能过大，否则可能出现无法正确判断当前电压变化速率的问题，一般选取Δt为毫秒级。

通常情况下，电压骤变的斜率大于70°，因此根据式（4）计算出的α取值范围来选择超级电容的充放电模式，超级电容的输出电流Isc为：

式中：ksc为超级电容下垂控制系数；Udc_ref为超级电容的电压控制信号，将Udc_ref设定为1.02和0.98。当α≤-2.75或α≥2.75时，直流母线电压急剧变化，超级电容启动电压下垂控制补偿系统的功率差额。需要注意的是，由于超级电容需要一定的快速补偿能力，所以ksc不宜像传统的下垂控制一样取值过小。

直流母线电压位于第1，6层时，超级电容采用定电压控制策略，此时配电网已经脱离了正常工作状态，超级电容的任务是与其他功率源共同补偿系统功率差额，快速回到正常工作区间。

超级电容的双向DC/DC变流器控制策略如图4所示。其中，iscref为超级电容的电流控制信号；udcref为超级电容的电压控制信号；1.05和0.95为直流母线额定电压的±5%的标幺值。

图4 超级电容DC/DC控制策略

综上所述，整个直流配电网母线电压控制系统的工作流程如图5所示。其中，0.02，0.05，0.1为直流母线电压偏差的标幺值。

3 仿真分析

3.1 仿真参数

图5 直流配电网母线电压控制流程

为了验证基于混合储能的直流配电网改进电压分区控制策略的有效性，在Matlab/Simulink仿真软件中搭建了图6所示的单端直流配电网模型。仿真模型中母线电压为380 V，分布式电源由4个光伏发电系统模拟，并通过MPPT（最大功率点跟踪）控制器和DC/DC变流器与直流母线连接，其中基本参数值如下：最大功率点电流Im=25 A，最大功率点电压Um=120 V，开路电压Uoc=150 V，短路电流Isc=27.2 A，光照强度Sref=1 000 W/m2，工作温度Tref=25℃，补偿系数a=0.025 A/℃，b= 0.7 A/℃；蓄电池端电压220 V，根据蓄电池持续充放电时间不少于20 h确定额定容量为1 000 A·h，最大充放电电流60 A，初始SOC为70%；超级电容使用RC串联等效模型，额定电压为240 V，电容量为4.3 F，串联电阻0.2 Ω，最大充放电电流100 A；采用4组纯电阻负载的投切来模拟电网的电压波动、电压暂降等运行状态下的电网稳定性。

图6 单端直流配电网仿真模型

3.2 母线电压仿真分析

仿真采用了4组负载的投切来模拟电网运行过程中出现的电压波动和电压暂降状态，并用切断并网变流器来模拟电压中断事故。图7（a）模拟直流配电网母线电压，1～6 s采用切除负载来模拟2次电压波动；第7 s采用切断并网变流器来模拟电压中断；第9 s采用2组负荷同时切除来模拟电压暂降。图7（b）为混合储能并网运行后的母线电压。通过对比混合储能介入前后的母线电压曲线可以看出，母线电压波动在±0.1 pu范围内，表明混合储能能够对直流系统产生的各种电压问题起到很好的抑制作用。

图7 母线电压运行仿真结果

3.3 蓄电池并网运行仿真分析

蓄电池的运行状态如图8所示。可以看出，当直流母线出现电压波动等问题时，蓄电池能够快速精准地跟踪母线电压波动，补偿配电网的功率差额，表明所提出的控制策略具有良好的动态响应性。蓄电池经过10 s的连续运行后，SOC降低了不到0.002%，由此可以计算得出稳态状况下蓄电池能够持续支撑电压超过40 h，因此所选蓄电池容量能够满足系统长期不间断工作的需求。

图8 蓄电池运行仿真

3.4 超级电容并网运行仿真分析

图9给出了超级电容运行的电压和电流波形。在1～5 s内，由于母线电压波动较小，根据式（4）的结果可判断超级电容在电压快速变化的初期出现小幅波动。经多次仿真发现：此类现象主要是由于采样周期选取较大所致，将采样周期变小后，超级电容误动作的几率降低，但减小采样周期会增加系统的通信成本。第6～10 s出现电压中断和电压暂降故障时，超级电容迅速响应，对电网进行快速补偿。从图中可以看出超级电容的暂态响应迅速，表明配电网受到较大冲击时，系统能够快速平抑母线电压的波动，提高了直流配电网的故障穿越能力。

整个仿真过程表明：基于蓄电池-超级电容混合储能的母线电压分区控制策略能够快速平衡配电网功率差额，具有良好的动态响应性。蓄电池和超级电容的容量均可满足电网的要求。

4 结论

针对直流配电网对平抑母线电压波动的需求，提出了一种基于蓄电池-超级电容混合储能的母线电压分区控制策略。仿真结果表明：

（1）提出的控制策略具有良好的动态响应性，能够实时平衡配电网功率差额。

图9 超级电容运行仿真

（2）蓄电池只有恒流充放电和下垂控制2种工作模式，避免了在多种工作模式下的频繁切换，有利于延长设备的使用寿命。

（3）超级电容根据电压变化速率平抑母线电压的暂态变化功率，提高了系统的故障穿越能力。

[1]MONADI M，ZAMANI M A，CANDELA J I，et al.Protection of AC and DC distribution systems Embedding dis tributed energy resources∶A comparative review and analysis[J].Renewable&Sustainable Energy Reviews，2015，51∶1578-1593.

[2]JUSTO J J，MWASILU F，JU L，et al.AC-microgrids versus DC-microgrids with distributed energy resources∶A review[J].Renewable&Sustainable Energy Reviews，2013，24（10）∶387-405.

[3]JUSTO J J，MWASILU F，JU L，et al.AC-microgrids versus DC-microgrids with distributed energy resources∶A re view[J].Renewable&Sustainable Energy Reviews，2013，24（10）∶387-405.

[4]王凯，孙海顺，胡晓波，等.五端直流电网电压控制及功率分配策略[J].电力建设，2015，36（4）∶52-58.

[5]刘云，荆平，李庚银，等.直流电网功率控制体系构建及实现方式研究[J].中国电机工程学报，2015，35（15）∶3803 -3814.

[6]吴金龙，刘欣和，王先为，等.多端柔性直流输电系统直流电压混合控制策略[J].电网技术，2015，39（6）∶1593-1599.

[7]季一润，袁志昌，赵剑锋，等.一种适用于柔性直流配电网的电压控制策略[J].中国电机工程学报，2016，36（2）∶335-341.

[8]蒋智化，刘连光，刘自发，等.直流配电网功率控制策略与电压波动研究[J].中国电机工程学报，2016，36（4）∶919 -926.

[9]杨海晶，李朝晖，石光，等.微网孤岛运行下储能控制策略的分析与仿真[J].电力系统及其自动化学报，2013，25（3）∶67-71.

[10]田慧雯，李咸善，陈铁，等.基于混合储能的光伏微网孤网运行的综合控制策略[J].电力系统保护与控制，2014（19）∶122-128.

[11]于会群，钟永，张浩，等.微电网混合储能系统控制策略研究[J].电子测量与仪器学报，2015，29（5）∶730-738.

[12]张国驹，唐西胜，齐智平，等.超级电容器与蓄电池混合储能系统在微网中的应用[J].电力系统自动化，2010，34（12）∶85-89.

[13]柳丹，张宸宇，郑建勇，等.基于混合储能的直流微电网母线电压控制策略[J].电器与能效管理技术，2016（6）∶47-52.

[14]黄莉，孙淑莲.基于电压偏移量的直流微电网分层控制策略仿真研究[J].浙江电力，2016，35（5）∶7-12.

[15]DOUGAL R A，LIU S，WHITE R E.Power and life extension of battery-ultracapacitor hybrids[J].IEEE Transactions on Components&Packaging Technologies，2002，25（1）∶120-131.

[16]LEVI E，LAMINE A，CAVAGNINO A.Impact of stray load losses on vector control accuracy in current-fed induction motor drives[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2006，21（2）∶442-450.

[17]WU H，XU P，HU H，et al.Multiport Converters Based on Integration of Full-Bridge and Bidirectional DC-DC Topologies for Renewable Generation Systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，61（2）∶856-869.

（本文编辑：方明霞）

An Improved Control Strategy for Voltage Partitioning of DC Power Distribution Network Based on Hybrid Energy Storage

YANG Lixing，HAO Sipeng，YAN Xiaojie，HUANG Kun
（School of Electric Power Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China）

In order to improve power quality of DC power distribution network，this paper presents a bus voltage partitioning control strategy based on hybrid battery and super capacitor energy storage for six-interval segmentation of bus voltage.The integration point adopts constant voltage control strategy.The battery is used to stabilize the power shortage in the case of small voltage fluctuation，and the super capacitor is used to compensate power shortage in the case of drastic bus voltage changes.Finally，it is demonstrated through Matlab/Simulink that the proposed control strategy can effectively switch and maintain bus voltage stability in all sections.

DC distribution network；super capacitor；hybrid energy storage；power quality

10.19585/j.zjdl.201706005

1007-1881（2017）06-0020-06

TM712；TM721.1

A

2017-03-20

杨李星（1991），男，硕士研究生，从事直流配电网研究。