分布式电源的微电网储能系统仿真

2018-08-08，，，

单片机与嵌入式系统应用 2018年8期

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(西安工业大学电子信息工程学院，西安 710021)

引言

储能技术作为智能电网“采发输配用储”六大环节之一，是智能电网建设重要的组成部分。由于储能装置具有灵活的充放电控制功能，电网特别是微网引入储能环节后，可以很好地进行需求侧管理，不仅能更有效地利用电力设备降低供电成本，还可以有效抑制不稳定微源产生的电压波动等问题[2-3]。在微网中，新能源发电装置具有非线性、间接性和波动性的特点，容易在微网中产生电压波动与闪变、电流畸变，但如今的复合储能模式单一[5]，不能很好地解决现有的问题，如受容量、控制策略复杂等原因限制[4]，电能质量综合治理的功能在储能装置或其它电力电子并网装置是难以实现的。

近年来，储能技术发展迅速，主要分为三类：机械储能、电化学储能、电磁储能。机械储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能，电化学储能主要包括各种蓄电池储能，电磁储能主要有超级电容器储能、超导磁储能[6]。微电网对接入其中的储能装置的要求包括：响应速度快，微电网中的新能源波动、离并网模式切换等都对微电网的稳定运行造成很大的威胁，为了保证微电网的暂态过程稳定需要储能装置的快速响应；功率密度大，在系统功率发生较大波动时，为了保证系统稳定，需要储能装置提供或者吸收差额功率；能量密度大，新能源发电过程不可控，功率流动变化比较大，需要储能有较大的容量。

参考文献[1]根据储能系统要同时具备高功率密度和高能量密度的特点，提出了超级电容与蓄电池混合储能模型。将超级电容与蓄电池分别与双向半桥连接，把分布式发电系统中的直流负载、独立运行逆变器、并网运行逆变器统称为直流母线的负载。参考文献[7]提出一种独立风光储微网系统模型，将储能系统与直流母线电压相连，并建立了储能蓄电池模型。参考文献[8]对独立型微电网储能类型选择与商业运营模式进行了探讨，介绍了主流储能技术类型，并分析了各种各样不同储能模式的优劣，从中可以看到，锂电池的应用前景非常可观。参考文献[9]根据锂电池的充放电状态设计混合储能系统，将功率型储能器件超级电容与能量型储能元件锂电池相结合，就储能元件之间的过充过放保护和最大功率限制保护的协调控制进行详细讨论。通过 PSCAD仿真算例分析验证了控制策略的有效性。

参考文献[10]通过对直流微电网储能系统自动充放电改进控制策略的研究充分证明了单蓄电池组储能和双向DC-DC相连接，通过采用PI控制和PWM控制来实现蓄电池恒流充电和恒压放电的可行性。参考文献[11]分析了铅酸蓄电池和超级电容器特性，将铅酸蓄电池具有通用、廉价、比能量适中、高倍率放电性能好、高低温性能良好、效率较高等优点,与超级电容循环寿命长、功率密度大、充放电效率高，以及高低温性能好的优点相结合构成储能系统并在仿真平台验证。储能系统能够优化间歇性可再生能源的电力输出，并提高间歇性可再生能源发电系统的稳定性，改善间歇性可再生能源对电网的不利影响，更好地促进低碳经济的发展。各种储能技术在能量密度、功率密度和响应速度等方面表现各不相同，很少有哪一种储能技术可以完全满足系统的各种要求。因此混合储能装置的提出和研究应用得到了重视。超级电容响应速度快、功率密度高、寿命长、效率高但是其能量浓度低；蓄电池具有能量密度较大，但是功率密度小且充放电次数及放电深度受使用寿命限制；锂电池具有循环寿命长、工作电压高、可大电流充放电、安全性好，本课题将铅酸蓄电池、锂电池及超级电容三者结合组成混合储能，取长补短。

1 系统总体结构

本微网储能系统由铅酸蓄电池、锂电池、超级电容、DC-DC变换器、逆变器以及负载构成。典型微网储能系统结构如图 1所示。

图1 典型微网储能系统结构

2 系统模型设计

图2 蓄电池非线性模型

2.1 蓄电池组数学模型

蓄电池模型可等效为一个受控电压源与一个定值电阻串联，如图2所示。蓄电池的输出电压不仅与电流有关,还与蓄电池SOC状态有关，其具有非线性特性。

描述蓄电池状态的两个关键参数是端口电压Vb及荷电状态(State of charge)SOC，这两个参数可由以下两式表示：

图中V表示为

式中，V0为开路电压，Rb为蓄电池内阻，Ib为蓄电池充放电电流，K为极化电压，Q为电池容量，A为指数电压，B为指数容量。图2中的模型是基于以下假设建立的：①Rb和Q在充放电过程中保持恒定，不随电流幅值变化而变化；②由放电特性推导出的模型参数在充电时假定不变；③模型不受电池温度影响，忽略记忆特性和自放电特性。此模型中，V0最小为0，Vb最大不受限制，Q最小为0，最大不受限制，因此如果过充，SOC可能大于100%。

2.2 超级电容器数学模型

超级电容器作为一种新型储能装置，在微电网、电动汽车等领域得到越来越广泛的使用。目前，在实际工程和仿真实验中主要采用其经典RC串联模型。

图3 经典RC模型等效电路

图3为超级电容器的经典串联RC等效电路，它由理想电容C和电阻RE串联而成。图中，USC为超级电容器的端电压，ISC为流过理想电容C的电流，RE为等效串联电阻，它的大小反映了超级电容器充放电过程中能量损耗的大小。

对图3所示等效电路列电路方程：

超级电容器储存的能量JSC可表示为：

其中Qt为超级电容器t时刻存储的电荷量，QN为超级电容器的总容量，Umax、Umin分别为超级电容器正常工作时的最大电压和最小电压，U0为超级电容器的初始电压。

2.3 DCDC变换器

DC-DC变换器是超级电容器组与负荷之间能量传输的桥梁，其作为松弛端口通过电压闭环控制来维持整个系统功率的动态平衡。如图4所示为DC-DC变换器的控制框图。其中：Udc-ref为直流母线电压参考值，Udc为直流母线电压采样值滤波后的结果。电压误差经过限幅、PI放大和再次限幅后，根据电压误差方向不同，确定开关管工作方式与占空比DSC，再与三角载波比较后生成互补的PWM极脉冲信号。

图4 DC-DC变换器控制框图

2.4 锂离子电池

调度周期内，锂电池的折旧成本fST可表示为:

式中，nST为调度周期内锂电池的充放电循环次数。

锂电池充、放电功率的上、下限约束为：

锂电池的运行状态约束为：

过充、过放均会影响锂电池的使用寿命，为了保证锂电池的荷电状态处于合理的范围内，需考虑其荷电状态EST(t)(单位为kWh)的上下限约束：

由于锂电池的初始荷电状态对微网运行调度有较大影响，为了使调度结果具有可持续性，即锂电池当日的调度结果不影响第二天的调度，应使锂电池在一个调度周期始末处于相同的荷电状态，即：

EST(t1)=EST(tN)

式中，t1、tN分别表示调度周期内的起始时段和末尾时段。

2.5 储能系统逆变器的研究

为搭建微电网系统，从下层控制的角度实现复合储能容量配置对蓄电池、超级电容器和锂电池的功率输出需求，从基本的逆变器出发，对其控制方式进行探讨，为构建微电网整体控制平台打下基础。微电网中包含各种微电源(如风电、光伏等)，另外还有储能装置(如蓄电池、超级电容器、锂电池或其它复合储能等)。微电源大多经由逆变器接入母线，因此微源接口逆变器控制性能的好坏对一个微电网系统能否稳定运行起着关键作用。选择三相电压源型逆变器作为微源接口逆变器，并对其主电路进行建模分析，然后对微电网中常用的两种控制方式分别进行控制系统的设计。最后，利用Matlab/Simulink软件平台搭建了微源控制系统仿真模型。

3 案列分析仿真

分别对铅酸蓄电池采用电压控制，铅酸蓄电池的模拟电压为360 V，实时SOC控制在60%，电池响应时间设置为30 s，超级电容采用功率控制，其设置参数为500 F，电压为160 V，串联多个超级电容，温度控制在25 ℃。锂电池采用恒流控制，设置电压为360 V，SOC控制在60%，电池响应时间为30 s。在Matlab软件中搭建模型并仿真，图5～图8为模拟微电网储能系统在Matlab软件中搭建的仿真电路图。图9为仿真结果图。