脉冲负载下微电网储能电池虚拟惯量控制研究

李 洋，王春明，侯朋飞，王金全，徐 晔

(中国人民解放军理工大学 国防工程学院，江苏 南京 210007)

脉冲负载下微电网储能电池虚拟惯量控制研究

李 洋，王春明，侯朋飞，王金全，徐 晔

(中国人民解放军理工大学 国防工程学院，江苏 南京 210007)

随着信息化技术发展，装备数字化已成必然趋势，负载功率脉冲特性日益显著。脉冲负载的典型特点是峰值功率大、平均功率小，与常规负载不同，对电网的影响也有显著差别。微电网充分利用绿色可再生能源，将其就地转换为电能向负载供电，成为电力系统重要的发展方向之一。采用基于虚拟惯量的直流侧储能电池功率控制方法，平抑脉冲功率扰动对微电网的影响。基于模糊逻辑规则，提出储能电池虚拟惯量控制策略，并搭建系统仿真模型，对比分析储能电池工作前后微电网运行特性指标。结果表明在直流侧配置储能后，直流母线电压跌落幅度明显减小，同时，交流侧电压畸变程度与频率波动幅度均降低。

脉冲负载；微电网；储能；虚拟惯量；控制

0 引言

随着信息技术的发展，以相控阵雷达、通信设备为代表的负载包含了大量的电力电子开关器件，这类负载工作周期通常为毫秒级，消耗功率并不恒定，呈典型的脉冲特性，表现为平均功率低、峰值功率大，因此被称作脉冲负载。不同于常规负载启动或停止时单次冲击的特点，脉冲负载对电网的作用是周期性连续扰动。以大容量、大机组为主要特征的公用电网，因其容量近似无穷大，系统惯性大，负载突变的功率扰动并不会引起电网电压和频率发生大幅度波动，对电网的影响很小；而在容量较小的微电网中，情况则明显不同，由于微电网的惯性小，机电调节控制器响应时间长，不能及时满足脉冲负载对瞬时功率需求，造成微电网抵御负载扰动的能力差，给脉冲负载下微电网运行特性分析与控制带来困难。

如何增大微电网的惯性，使之具备调频能力，成为目前微电网稳定研究的热点之一。增大惯量的方法有两种：一是增大转子转动惯量，从物理特性上提高转动惯量，但是柴油发电机组机械结构通常是固定的，转子的质量、结构难以改变；二是通过控制提高同步发电机虚拟惯量，人为改变转子转速，在脉冲负载峰值功率来临时刻，短时间内强制降低转子转速，可以释放出更多的动能，虚拟出更大的转动惯量，但是柴油发电机组输出频率短时间内下降较大，将影响其他交流负载正常工作，因此，调节柴油发电机组的虚拟惯量对于提高脉冲负载下微电网运行特性是不可行的。

为实现虚拟同步发电机组的惯性响应特性、频率响应特性及调压特性，侍乔明等人[1]提出了一种适用于风电机组频率响应控制研究的模拟同步发电机组设计方法；吕志鹏等人[2]建立了逆变器用虚拟同步发电机控制方案的数学模型，研究了基于虚拟转矩和虚拟励磁的并网有功、无功调节方案；丁明等人[3]基于虚拟同步机概念研究了离网和并网时逆变器的工作特性；此外，基于虚拟同步机技术，LUNG C等人[4]对分布式发电离网和并网平滑转换进行了研究，BANJO等人[5]研究了逆变器独立运行的特点，SAKIMOTO等人[6]研究了逆变器并联运行的特点。此外，SAKIMOTO K[7]对虚拟同步机控制的分布式发电运行稳定性进行了分析。针对多级并联运行的逆变器，SHINTAI T等人[8]研究了振荡阻尼特性，TORRES M等人[9]分析了大规模太阳能电站逆变器运行情况。上述文献表明，虚拟同步发电机技术是控制变流器的一种方法，目的是使微电源与变流器级联系统具有同步发电机的功率控制和调频调压能力，核心之一就是虚拟惯量控制。

储能设备在微电网中占有重要地位，它能够根据电源与负载的功率需求释放或吸收功率，起到“削峰填谷”、平滑功率波动的作用，克服新能源发电易受自然资源限制而出现输出功率波动的缺点，同时也可以缓解负荷随机开关或变化而导致的用电功率波动。储能系统接入微电网的拓扑结构与直流电源类似，虚拟同步机技术同样适用于控制储能系统，如研究较多的功率控制系统(Power Control System, PCS)[10]。正如前文所述，储能系统用于风力发电机电源侧，可提高风电场惯量，参与风电场调频和调压过程，但是对储能系统自身的惯量尚缺乏研究。

事实上，任何物体都有惯性，在非零状态下均具备一定大小的惯量，储能系统也是如此。储能系统能够根据电源和负载的功率差和控制指令，进行能量的释放或吸收，即通过控制器实现储能系统与微电网的能量交换，以平抑微电网功率的波动，进而稳定微电网频率，这本身就是一种“惯量控制”的表现。现有文献涉及储能系统的虚拟惯量控制技术研究集中于交流侧[11]，特别是风电场，在交流侧配置储能装置，储能装置通过逆变器连接于交流母线，通常是假定储能系统具有无穷大的功率和能量。储能系统配置在直流侧时通常直接并联于直流母线[12]，限制了储能系统虚拟更大的惯性。事实上，将储能系统与双向DC-DC变换器结合后再并入直流母线，也可采用虚拟惯量控制策略，根据负载运行特性，控制储能系统与双向DC-DC变换器系统输出功率，就地补偿负载功率波动，实现储能系统虚拟惯量控制[13]。然而，储能系统虚拟惯量控制与储能系统的功率特性密切相关，研究和利用储能系统的虚拟惯量控制必须深入研究储能系统的功率特性。

1 储能电池虚拟惯量控制

微电网直流母线电压变化的根本原因是系统能量不平衡，利用储能装置补偿系统中的不平衡能量，可以有效地降低系统中的不平衡能量，有效地降低系统电压的变化率。如果要产生与同容量同步发电机相同的虚拟惯量效果，储能系统需要在与发电机惯性时间常数相近的时间内释放同步发电机惯量作用释放的能量。为了使得储能装置在系统发生电压突变时迅速和电网交换能量，通过监测系统直流侧电压偏差和电压变化率信号，采用如图1所示的模糊推理的方法确定储能系统的输出功率。

图1 模糊控制方法

采用反馈系统电压偏差经过微分控制器或者比例-积分-微分(PID)控制器来控制储能功率输出，即：

PESS=-Kdu/dt

(1)

(2)

1.1 储能电池虚拟惯量控制

为了降低模糊逻辑复杂度，分别设计电压及电压变化率、电流及电流变化率的模糊逻辑推理控制器。

电压及电压变化率模糊逻辑推理控制器的输入与输出关系如图2所示，其中输入为直流母线处的电压偏差(-30～+30 V)和电压变化率(-6～+6 V/s)，输出为储能装置的功率指令值(-1～+1 pu，放电为正，充电为负)。

图2 惯量控制储能功率响应图

该控制器根据系统电压的变化情况实时调整储能的有功输出，动态模拟同步发电机的下垂特性和惯量响应特性，有效补偿了系统的虚拟惯量。其输入变量的隶属度函如图3所示，其中NL(负大)、NM(负中)、NS(负小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)、PL(正大)分别表示7个模糊子集；输出变量的隶属度函数如图3所示，包含NL(负大)、NM(负中)、NS(负小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)、PL(正大)7个模糊子集。

图3 输入变量隶属度函数

模糊逻辑推理结果决定了储能装置的功率输出指令，不同的模糊逻辑推理规则会导致不同的储能控制效果。为了实现储能装置与系统的快速能量交换，使得储能装置按照类梯形形式输出有功功率，其基本的推理规则如表1所示：当系统电压偏差较大或者是电压偏差变化率较大时，尽可能增大储能装置和系统交换能量；而系统电压偏差较小并且电压变化率接近零时，尽可能减小储能装置和系统交换能量，使得电压恢复稳定。

表1 模糊逻辑推理表

同理，也可获得电流及电流变化率的模糊逻辑推理控制器。

1.2 虚拟惯量控制实现过程

虚拟惯量控制的实现方法是在储能有功参考值上附加一个与系统电压微分信号(即电压变化率du/dt)成比例的分量。在此基础上，还可以在储能有功参考值上再附加一个与电压偏移量(Δu)成比例的分量。

储能虚拟惯量控制过程如图4所示。

图4 储能虚拟惯量控制过程

(1)电压事件的检测。储能系统实时量测直流母线电压Ue，当系统出现大负荷扰动(脉冲负载接入和切出)时，若电压u超出死区范围(记为[UL,UH])，则储能系统开始虚拟惯量控制过程。

(2)虚拟惯量控制过程。若储能电压在安全允许范围内并且控制持续时间小于设定值，则储能进行虚拟惯量控制，储能虚拟惯量控制模块产生有功参考增量为ΔP。

(3)充电过程，恢复电池电压。若虚拟惯量控制过程中电压超出安全允许范围或者虚拟惯量控制持续时间大于设定值，则储能系统开始电压恢复过程，其中ub0为系统电压变化前储能系统的电压，电压恢复模块所产生的有功参考增量为ΔPrec。

经过上述步骤，储能系统在电压突变后完成了一次完整的虚拟惯量控制过程。

2 系统仿真分析

本文建立了由柴油发电机组模型、整流器模型、脉冲负载仿真模型、储能系统仿真模块构成的系统仿真模型，如图5所示。

图5 柴油发电机组-整流器-脉冲负载系统结构图

启动仿真，对比分析储能系统工作前后系统交流电压和电流、直流电压和电流、电网频率、励磁电压、电网电流等参数的变化趋势。交流相电压和相电流的波形如图6所示。

图6 交流电压电流对比图

直流侧电压和电流的波形如图7所示。

图7 直流电压电流对比图

由图7可知，直流电压波动幅度明显降低，且在脉冲负载工作期间，电流也变得比较稳定，即提高了脉冲负载供电质量。

频率变化对比、励磁电压对比分别如图8和图9所示。

图8 频率变化对比图

图9 励磁电压变化对比图

由图8和图9可知，储能系统投入后，频率波动和励磁电压波动均降低。

脉冲负载峰值来临时，电流变化最为明显。在储能系统投入前，补偿电流由滤波电容提供。在一个脉冲内，电源输出电流、储能系统电流和电容电流的对比如图10所示。

图10 电路电流对比图

由图10可知，在脉冲来临初始，储能系统惯量响应，使系统开始输出电流，此时负载电流由储能系统提供，输出电流比较稳定，一段时间后，电源电流在微电网控制器作用下逐渐增大，与储能系统共同作用向负载供电。

储能系统投入后，电池电压和电流的变化如图11所示。

图11 电池电压和电流变化

由图11可知，电池端电压和输出电流比较稳定，表明在虚拟惯量控制作用下电池工作稳定。

综上所述，储能系统投入工作后，直流侧电压波形质量得到明显改善，波动率明显降低；交流侧频率波动率、电压相对偏差率等指标也有所下降。同时，储能系统运行后，同步发电机励磁电压变化规律较为明显，且变化幅度缩小。上述指标的变化表明储能系统投入运行后微电网运行特性得到改善，即在脉冲负载峰值功率来临时刻，储能系统在虚拟惯量的控制下瞬时释放出更大的能量以满足负载需求，实现了将储能电池与双向DC-DC变换器结合虚拟为大电容的目标，有效降低了脉冲负载对微电网的影响程度，且在脉冲功率持续期间，负载电流波形比较平稳，表明直流侧电能质量得到显著提高，有利于负载稳定工作。

3 结论

随着高技术装备和信息化技术的发展，越来越多的负载表现出脉冲特性，脉冲负载已成为电力负荷的发展趋势。而微电网充分利用绿色可再生能源就近组网并向负载供电，成为电力系统重要发展方向，特别是对解决边远地区和特种工程与装备供电保障难题具有重要意义。为此，本文着重研究脉冲负载下微电网运行控制方法，寻求抑制脉冲负载影响的补偿控制措施，以提高脉冲负载条件下微电网安全运行可靠性。根据储能电池特性，本文提出了选择储能电池的补偿方法，基于模糊逻辑规则，提出储能系统虚拟惯量控制策略。对比分析了储能系统投入前后微电网运行特性。结果表明在直流侧配置储能电池采用虚拟惯量控制后，直流母线电压跌落幅度明显降低，同时交流侧电压畸变程度和频率波动幅度均降低，电能质量得到大大改善。

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Virtual inertia control of energy storage battery in microgrid with pulsed loads

Li Yang, Wang Chunming, Hou Pengfei, Wang Jinquan, Xu Ye

(National Defense Engineering Institute, PLA University of Science&Technology，Nanjing 210007, China)

With the fast development of information technology, the digitized equipments has become an inevitable trend, the power characteristic of load become increasingly significant. There are typical characteristics of pulsed loads, e.g., the peak value of power is large but the mean value is small. Hence, the influence of pulsed load on power system is different from the common loads. Microgirds are becoming a realistic scenario in which distributed energy resources, energy storage systems and power loads can be connected and integrated into grid. The virtual side of the DC-based energy storage battery power control method is used to stabilize the impact on microgrid from the pulse power perturbation. The virtual moment of inertia control strategy to the energy-storage battery has been proposed based on fuzzy logical rule. Then the operating characteristic reactor change of microgrid has been researched by the system simulation. It turned that the DC bus voltage drops amplitude decreases obviously, and the distortion in voltage and frequency fluctuation in the AC side also have reduced.

pulsed load; microgrid; storage; virtual inertial; control

TM743

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.20.026

李洋，王春明，侯朋飞，等.脉冲负载下微电网储能电池虚拟惯量控制研究[J].微型机与应用，2017,36(20)：92-96,100.

2017-03-22)

李洋(1993-)，男，硕士研究生，主要研究方向：新能源发电技术及智能微电网控制技术。

王春明(1966-)，男，硕士，副教授，主要研究方向：新能源发电与智能微电网技术。

侯朋飞(1989-)，男，博士研究生，主要研究方向：新能源发电技术。