基于混合储能的离网型双馈微电网系统控制策略研究

陈柳

摘 要：采取混合储能装置通过双向DC/DC变换器与直流母线相连的方式，根据储能系统自身特性，设计基于高通滤波的功率分配方案，据此设计混合储能系统的双向DC/DC变换器控制策略。通过 Matlab/Simulik仿真验证系统满足电压幅值、频率要求，提高风能利用率。

关键词：混合储能；离网型双馈；电网；控制

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.20.099

1 引言

本文以海岛、岛礁等偏远地区应用分布式能源很广泛的离网型风电系统作为研究对象。研究加入混合储能装置的离网型双馈风力发电系统的结构、能量分配方案和控制方法。根据蓄电池和超级电容的储能特点，设计风力发电的能量分配方案；基于蓄电池用于吸收多余能量或者用于释放不足能量，超级电容用于缓解风能对负荷的冲击功率的原则，对蓄电池设计了基于双向 DC/DC 变换器的“功率外环+电流内环”的双闭环控制，达到使系统最大功率获取的目的；对超级电容设计了基于双向 DC/DC 变换器的“直流电压外环+电流内环”的双闭环控制，达到吸收高频功率，并配合定子侧变换器控制直流母线电压。

2 带有混合储能装置的离网型双馈风力发电系统

离网型风电系统需为负载提供频率和幅值稳定的三相正弦电压，由于风速、风向不能保持恒定，需对该系统进行功率控制，进而保证供电、用电系统的功率平衡。

2.1 含混合储能的风电系统结构

设计基于蓄电池和超级电容混合储能装置的离网型双馈风力发电系统。用双向DC/DC电路将蓄电池和超级电容与直流母线连接，避免蓄电器直接地和直流母线相连时对蓄电池造成电流冲击，比着蓄电池直接和直流母线相连的方式，该方案蓄电池配置不受直流母线电压大小的约束，同时降低配置蓄电池容量，扩大其适用范围。

2.2 系统建模

针对双向DC/DC变换器而言，将电流可以双向流动的非隔型Buck/Boost升降压型电路，功率开关管S1/S2分别于对应的二极管D1/D2组成Buck电路和Boost电路，控制切换S1/S2改变电流方向，进而控制储能装置充电、供电状态。

3 系统能量管理方案及控制策略

3.1 蓄电池、超级电容容量配置

假设蓄电池为负载提供30%的功率，考虑轉换器额定功率，则其最大功率输出（Pb）max应小于双PWM变换器额定功率。风机发电状态时转子侧功率Pr，定子侧功率Ps和额定功率Pbase满足：Pr=-sPs<-sPbase，Smax是最大转差率，双PWM变换器额定功率接近略大于Pr。当风速小负载较大时，假如蓄电池能向系统出力时间tb为30min，则蓄电池容量（Ah）rate：

式中：k是蓄电池充放电电流分数。

考虑超级电容器最坏的情况，即当风瞬时中断情况下超级电容需向负载供电时间tc，负载功率取双PWM变换器达到额定的功率，取tc=10s。则超级电容的电容值Csup：

3.2 混合储能能量控制策略

依据储能装置自身特性，设计能量分配方案，使储能单元分别吸收或者释放不同频率的电功率，避免蓄电池深度放电和存在纹波电流，提高蓄电池使用寿命。当风机发电的最理想功率的（PW）opt大于负载功率PL时，混合储能装置吸收多余的功率（PW）opt-PL，一旦混合储能装置达到极限（即超级电容两端的电压达到最大工作电压（VSC）max，蓄电池达到最大功率（Pb）max，备用负载开始启动吸收多余的功率，如果备用负载功率Pd达到最大值（Pd）max，可以通过调节桨距角大小降低风机发电功率PW的输出，进而可以实现输出、需求功率的平衡关系。当风机发电最理想功率（PW）opt小于负载功率PL时，混合储能装置放电，提供不足的功率PL-（PW）opt，若混合储能释放功率不足，则需要卸掉部分负载。

3.3 混合储能控制方法

蓄电池和超级电容充电方式不同，前者采用恒压限流充电，后者采用恒流限压充电，因此有必要对其分别设计充电控制方法。

3.3.1 蓄电池双向DC/DC控制

蓄电池吸收或释放低频功率，当（Pb）ref为正值时，为蓄电池应当吸收功率，当（Pb）ref为负值时，为蓄电池应当释放功率的绝对值。蓄电池充放电过程采用电流控制法，由（Pb）ref与蓄电池两端电压Ub的比值得出吸收或者释放该功率时蓄电池电流的参考值（ib）ref，其与实际输出电流iL差值由PI控制器输出PWM电路参考信号，产生开关脉冲信号，使iL快速跟踪（ib）ref，提高蓄电池动作的快速性。PWM信号与（Pb）ref值有关，当（Pb）ref>0时，S2截止S1导通，使双向DC/DC电路处于buck电路模式，使蓄电池充电；当（Pb）ref<0时，S1截止S2导通，使双向DC/DC电路处于boost电路模式，使蓄电池释放不足的负载功率。

3.3.2 超级电容双向DC/DC控制

对超级电容采用电压控制方法，即“电压外环+电流内环”组成双闭环控制控制双向DC/DC电路。提高超级电吸收或者释放高频功率速度，保证直流侧电压的稳定。

4 仿真与分析

通过Matlab/Simulink仿真平台搭建带有混合储能装置的离网型双馈风力发电系统仿真模型，其结果为基于混合储能装置的双馈式风电系统输出电压、直流母线电压和风能利用系数波形图。

如图1所示：风速/负荷突变情况下，Udc出现较大偏离；看出其值偏离额定值时，超级电容通过快速的充放电过程，快速使其达到额定值。由于定子侧和超级电容共同控制作用使Udc偏离在额定值的±10%左右，满足控制要求。

5 结论

本文设计一种混合储能装置通过双向DC/DC变换器与直流母线相连的离网型双馈风力发电系统结构，根据储能系统自身特性，设计一种基于高通滤波的功率分配方案，在能量管理策略的基础上分别设计蓄电池和超级电容的双向DC/DC变换器的控制策略。验证带有混合储能装置的离网型风力发电系统能够满足电压幅值和频率的条件要求，最大限度的利用风能。

参考文献

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