基于多储能调节的直流微电网电压波动分层协调控制策略

陈育中,高 鹏

1.南京高等职业技术学校,江苏 南京 210019

2.河海大学机电工程学院,江苏 常州 213022

3.常州朗锐凯迩必减振技术有限公司,江苏 常州 213125

微电网是能够实现自我控制、保护和管理的电能自治系统。通过与储能设备的有效配置以及合理的控制策略，可以减少分布式发电并网对电力系统稳定性的冲击，保证离网状态下的电能质量。直流微电网作为微网技术的一个重要分支，无需考虑频率波动、功角稳定、无功环流等因素的影响[1-3]，直流微网以其高效性、可靠性、易控性等优势成为未来电力系统自动化一个重要的组成部分。

可再生能源具有明显的间歇性和不可预测性，严重影响着分布式发电的电能质量，以微电网对其产生的电能进行有效的管理和储存，可实现良好的效果。近年来国内外众多学者对微电网技术进行了深入的探索[4-6]，对高频波动和低频波动的抑制，实现了双储能系统补偿功率的优化分配；文献[7-9]对直流微电网母线电压波动进行抑制和均衡，但仅限于双储能系统；文献[10-12]介绍了直流微电网的电压分层协调控制，实现对直流母线电压的分区，并采用相应控制策略，但文章只涉及电压分区，并未考虑到多储能自身负荷的特性。

本文应用超级电容高功率密度和蓄电池高能量密度的性能互补特点，设计超级电容超前蓄电池工作的储能结构，并引入飞轮储能辅助超级电容和蓄电池对母线电压的调节。根据直流母线和蓄电池的剩余荷电状态SOC，结合飞轮储能的调节作用，将直流微电网的工作模式进行详细划分，建立不同工作模式下的储能设备的电压下垂控制模型，实现均衡直流母线电压，减少电能损耗。

1 直流微电网结构

直流微电网拓补图(图1)所示，光伏阵列和风力发电机分别通过各自的变换器与母线相连，超级电容和蓄电池组成的双储系统通过模块化的变换器与母线连接。飞轮储能装置通过AC-DC2 变换器与母线相连。用电负荷分为敏感和非敏感负荷。微电网系统经变流器和隔离变压器与大电网连接。

图1 直流微电网拓补图Fig.1 Systemic structure of DC microgrid

当ΔP大于零时，系统内输出功率大于负载消耗的功率，此时多储能系统为充电状态。反之系统内输出的功率不足以提供负载使用，多储能系统为放电状态。

2 储能系统

2.1 储能设备

蓄电池是最早在微电网中使用的储能设备，频繁的充放电，导致蓄电池使用寿命缩短。根据蓄电池的输出电流，可以检测到其剩余电荷量所处的状态，进而可以针对荷电状态采取合理的充放电方式，达到蓄电池的维护效果。

超级电容因其高功率密度，可以瞬时补偿高频功率缺额；循环使用寿命长，根据超级电容的端电压对其电量控制。超级电容端电压Usc与剩余容量成正比，可根据超级电容端电压近似代表其剩余容量，对超级电容的充放电进行控制。飞轮储能系统[13]是一种机电能量转换的装置，以物理储能代替传统的化学电池储能，通过互逆式双向电机，可实现电能与机械能的转换和能量储存间的互换。

图2 双储能系统结构示意图Fig.2 Structure of dual-storage system

2.2 双储能控制结构

图2 为混合蓄电池和超级电容的储能系统结构图。超级电容属于功率型储能元件，可以短时间内快速的吸收或补偿盈亏的功率，且其使用寿命不受充放电次数的限制，但超级电容的容量有限，对低频功率波动作用不明显，仅能平衡小范围的功率，因此需要结合蓄电池组，补偿超级电容的不足，扩大平衡功率的范围。

将超级电容在电路结构上超前蓄电池，可以实现快速直接的与母线交换功率，蓄电池位于超级电容的后方，可以根据超级电容的电压信号对实现对蓄电池的充放电进行控制，基本实现超级电容电压的稳定，又可通过蓄电池间接的均衡母线电压的低频功率，实现整个系统的调压作用。

对储能系统变换器简化，减少电子电子开关的动作带来的谐波影响和开关的电能损耗。蓄电池通过IGBT 开关S3与超级电容间接并联，使两者储能元件隔离，实现各自的单独自由充放电。当直流母线向储能元件充电时DC-DC 变换器工作在buck 模式。

式中：x1—表示Udc，x2—表示Udc关于时间的导数，Usc—超级电容两侧的电压，Q—双储能系统充放电系数，值为1 表示放电，值为-1 表示充电。

由空间状态表达式可以表达出直流母线的电压与双储能设备之间的关系，通过实时监测到直流母线的电压值，反馈给处理器，通过调节各自的下垂因子，控制超级电容和蓄电池的充放电量，实现母线功率的均衡。

2.3 飞轮储能

飞轮储能系统作为协助超级电容和蓄电池的调节系统。当直流母线电压差额较大，超过超级电容和蓄电池的调节范围，可引入飞轮储能协助调节母线电压。

当母线电压过高且超过双储能系统的调节范围，可利用飞轮储能，电能通过电力转换装置后驱动电机运行，带动飞轮加速转动，能量以机械能形式储存在高速旋转的飞轮中；当母线电压过低且双储能系统无法补偿母线电压，给飞轮储能系统释放能量的信号，将高速旋转的飞轮带动电机发电，经电力变换装置将释放的电能补偿母线电压的偏差，完成由机械能到电能的传递。

3 单元级控制策略

3.1 改进电压下垂控制策略

直流母线电压受光伏电池、风力发电机和用电负荷的影响，多储能系统对母线电压的调节作用可使其在一定范围内波动，并不严格等于额定电压，波动范围按照国家标准《电能质量供电电压偏差》[14]和《电能质量电压波动和闪变》[15]要求。

本文采用改进电压下垂控制策略，可以修善传统下垂控制策略不可兼顾母线电压压降和均流效果。传统的电压下垂公式为：

式中：ΔI—储能系统对直流母线调节的电流。；Udc—母线电压瞬时值；Udc-ref—母线电压额定值；n—功率下垂系数。

改进下垂控制策略在传统下垂控制基础上引入了下垂补偿系数k，实时更新电压输出设定值Udc-ref，以便可以及时反馈母线电压信息。加入补偿系数后的改进母线下垂控制公式为：

由上式可以看出，改进后的下垂公式设定值Udc-ref加上其自身与实际母线电压值的差值与补偿系数的乘积，最终可以体现在增大下垂因子上，此时母线电压的压降要小于传统下垂控制的压降，压降效果可视为下垂系数为n/(1+k)时的母线电压。改进后的下垂控制可以在保证均流效果的同时改善母线电压压降过大的问题，以此来实现小范围的调节母线电压。

采用改进下垂控制稳定母线电压，在母线电压不同阶段选取合适的下垂系数n，可以使母线电压在其预定的额定值范围内波动。储能系统下垂控制数学模型可表示为：

式中：n1、n2、n3、n4、n5为储能系统DC-DC 变换器的下垂系数。k1、k2、k3、k4、k5为各阶段对应的补偿系数。

3.2 变换器控制策略

蓄电池采用单一充放电模式，势必会损坏电池的内部结构，加速电池的损耗程度。若结合三段式充法[16]，在蓄电池的不同荷电状态，调节电力电子开关的占空比，采用合理的充电方式，可延长蓄电池的寿命。

（1）蓄电池荷电状态SOC>90%时，应采用涓流充电，既可以使蓄电池达到完全充电，又可以维持蓄电池的电量以备放电时使用，涓流充电的控制框图如图3 所示。

（2）蓄电池荷电状态10%

图3 恒流充电控制框图Fig.3 The circuit of constant current charging control

图4 恒压充电控制框图Fig.4 The circuit of constant voltage charging control

图5 光伏模块工作模式Fig.5 Running pattern of PV modules

（3）蓄电池荷电状态SOC<10%时，应采用恒定的小电流充电，避免大电流对电池内部结构的冲击，同时应避免过度放电，恒流充电控制框图同图3。

光伏电池有最大功率点跟踪(MPPT)模式和恒压模式。为最大限度的提高太阳能资源的利用率，光伏电池通常工作于MPPT 模式。当母线电压超过最大限值范围，功率满足所有负荷且蓄电池饱和时，应转换为恒压模式。光伏模块工作模式如图5。

风机通常采用功率控制运行，工作模式同光伏发电，通常情况下工作于最大风能跟踪捕获状态下，当母线电压超过最大限制范围，应为恒压恒频运行模式，维持母线电压的均衡。

4 系统内分层控制策略

微电网最核心的作用就是为用电设备提供良好的供电质量，直流微电网中，控制母线的电压使其在国标允许的范围内波动，保证用电设备的正常运行。本文结合超级电容和蓄电池的电路结构，以飞轮储能作为辅助设备，采用母线电压分层控制策略，保证母线电压的波动要求。

根据相关规定直流母线电压的限值为UH1(1.05Udc-ref)，UL2(0.9Udc-ref)，UH2(1.1Udc-ref)，UL1(0.95Udc-ref)。故母线上的电压为5 个分区。根据蓄电池的电荷性能，蓄电池的荷电状态限值为SOCbat-L(10%SOCbat_max、SOCbat-H(90%SOCbat_max)，可将蓄电池荷电状态分为3 个区域。将直流母线和蓄电池上述分析的各区域取交集，可以得到15 种工作情况。

（1）当UL1<=Udc<=UH1时，微电网母线电压达到预期的稳定状态，因此勿需储能系统的调节，储能系统变换器处于空闲状态，母线和储能系统无能量交换。为工作模式1。

（2）当UH190%，为避免蓄电池过充现象，开关S3关断，为工作模式3。

（3）当UL2<=Udc10%，开关S3开通，为工作模式5。

（4）当Udc>UH2时，母线电压超过系统储能设备的调节范围，分布式发电由MPPT 模式转换为恒压模式。储能系统变换器处于buck 状态，当蓄电池SOC<90%，开关S3开通，为工作模式6；当蓄电池SOC>90%，开关S3关断，启动飞轮储能系统的储能模式，为工作模式7。

（5）当Udc10%，开关S3开通，为工作模式9。

在上述详细的分类中，根据DC-DC 变换器和开关S3的开关状态，保证直流母线功率处于稳态的前提下，尽可能的减少蓄电池充放电次数为原则，对DC-DC 变换器、IGBT 开关、光伏电池变换器的通断进行控制，将其处于相同开关状态的工作情况归纳为9 种工作模式（图6）。

图6 微电网工作模式分类图Fig.6 Classification of running patterns in micro-grid

根据直流母线的电压限制，判断直母线上功率波动和蓄电池不同荷电状态时对应的工作模式，以此确保母线电压在允许的范围内波动，保证系统内功率均衡，如图7 所示。

5 微电网系统仿真验证

采用PSCAD/EMTDC 电力系统仿真软件按照图1 结构图搭建微电网仿真模型，仿真主要参数为：直流母线额定电压Udc-ref为200 V，电压动作限制为0.9Udc-ref，0.95Udc-ref，1.05Udc-ref，1.1Udc-ref。光伏电池G=1000 W/m2、环温T=25 ℃，蓄电池为120 A/h、超级电容容量为5 F，整个系统的负载阻抗为80 Ω，线路阻抗忽略不计。时间以ms 为单位。仿真结果如图8 所示。

图8 仿真结果Fig.8 Simulation results

（1）当UH1

（2）当Udc>UH2时，20 ms 给定干扰使电压上升波动，波动范围超过双储能系统的调节范围，如图8c，为抑制电压波动，系统应工作于模式6 或7，分布式电源由MPPT 转换为恒压模式，启动飞轮储能补偿双储能系统的调节差值，直流母线电能流向双储能和飞轮储能系统(图8d)。由于电压波动范围大，调节时间长，经多储能系统和分布式电源的调节作用，母线电压最终恢复至预定范围。

（3）当UL2

（4）当Udc

6 结论

本文为保证微电网内的电能质量和延长蓄电池等储能设备的使用寿命，结合超级电容、蓄电池和飞轮储能等组成的多储能系统，提出了一种适用于直流微电网母线电压调节的控制策略，根据蓄电池的容量限值，以飞轮储能系统为辅助调节，来调节母线电压的波动。通过PSCAD/EMTDC 电力系统仿真软件验证该控制策略的合理性和可行性。

最终得出，提出的控制策略可以有效的实现对母线电压的分段控制，可以减少电力电子开关的频繁动作引发的谐波对系统的影响；分层控制可以提高了整体系统的稳定性和灵活性，为用电负荷提供良好的电能质量。