柴油发电机组带脉冲负载储能补偿试验研究

侯朋飞，陈静静，范菊旺，孙 凯，许 力

应用研究

柴油发电机组带脉冲负载储能补偿试验研究

侯朋飞1，陈静静2，范菊旺1，孙 凯1，许 力1

（1. 中国人民解放军96881部队，河南洛阳 471000；2. 陆军工程大学，南京 210000）

柴油发电机组带脉冲负载引起系统交流电压畸变、交流频率波动以及直流电压振荡，为改善系统电能质量、提高稳定裕度、增强系统带负载能力，本文提出了在直流侧加储能控制以提升系统稳定性。储能电池一方面可作为系统的冗余备用，一方面可以降低直流侧母线电压波动，进而改善交流侧电能质量，满足负荷对电源的需求。在直流侧配置储能单元改善柴油发电机-整流器的运行特性，搭建储能补偿柴油发电机组带脉冲负载试验平台，验证本文提出的方法。

柴油发电机组 脉冲负载 储能补偿 电能质量

0 引言

与大电网并联运行的微电网，由于有大电网的支撑，不足的电能可由大电网提供补充，因而功率稳定容易实现。而对独立离网运行的微电网，负荷功率必须与自身电源功率相匹配，才能满足能量的实时平衡。微电网中的电源种类各异，输出特性也有很大不同，电源的功率特性给系统的稳定运行带来了许多问题。通常在微电网中需要采用储能补偿来提高系统稳定性，并通过合适的控制方法以及能量管理策略来满足电源与负荷的供需平衡。当系统电源功率充裕时，可以把电能一部分存储于储能单元中；当系统电源功率不足时，将储能单元中的电能释放出来，满足负荷需要[1, 2]。

对于储能平抑系统功率和电压波动方面的研究，国内外学者开展了相关的研究，从不同的技术层面考虑，研究了光伏发电、风力发电等具有波动性的新能源功率平抑策略，实现新能源并网要求[3, 4]。文献[5]针对风电场功率波动，提出了采用液流电池提高风电并网效率，并研究了液流电池的控制策略，根据风电波动大小设置充放电的控制方式。文献[6]针对含风力发电与光伏发电的微电网，采用滑模控制方法对蓄电池进行控制，为离网运行的微电网提供频率和电压支撑。文献[7, 8]基于超级电容器快速释放功率的特点，研究了并网运行风电场采用超级电容储能补偿的控制策略，有效改善了系统的运行指标，可提高系统的动态响应能力。

目前大部分的研究都是针对电源的波动性、随机性，采用储能系统补偿平抑系统的功率波动或支撑微电网系统频率，较少从负载层面进行研究。负荷的波动对独立小容量电力系统的稳定运行影响很大，柴油发电机组带脉冲负载运行时产生的电压畸变、频率波动、直流母线电压振荡等现象，脉冲负载的作用更为显著，因此针对脉冲负载的功率变化对系统的影响，研究储能补偿与控制方法具有重要的理论意义和实用价值。

1 储能系统补偿柴油发电机组带脉冲负载方法

由于在脉冲负载的作用下，系统的频率发生波动，采用传统的有源电力滤波技术和功率因数校正技术都无法从根本上解决系统的稳定问题，而增大系统惯量的方法在实际应用中造成了一定体积和重量的占用，且柴油发电机组带脉冲负载采用“大马拉小车”的方法往往没有理论依据，只是从工程应用中做了一定的冗余备份。滤波电容在设计时已经确定了一定的范围，增加滤波电容的大小可以提高系统的稳定性，也能够有效改善系统的运行指标，由于电容并联于直流母线上，直流母线电压的波动在一定的范围内，电容能量释放与母线电压的波动有关，因此配置电容不能完全将能量释放出来。如果按照脉冲负载需要的补偿能量大小计算，则需要的滤波电容值会非常大，所以需要针对脉冲负载的实际运行状况，对系统进行有针对性的补偿。

通常对于独立系统的补偿方法主要是由储能系统来完成，根据实际的需要，要针对不同的场合选择合适的储能，本文针对脉冲负载的实际运行中的电流脉冲特性，选择功率型和能量型兼顾的储能电池，磷酸铁锂电池符合上述标准。由于负载大多是交流负载，为满足负载的实际需要，目前在微电网的储能配置主要在交流侧，连接在逆变器上并网运行。系统的运行特性和电能指标在交流侧较为严重，频率的时变性也决定了交流侧补偿的困难性，有可能频率跟踪不匹配造成电能质量的进一步恶化。本文在综合考虑负载特性与供电指标关系的基础之上，提出了在直流侧进行储能补偿的方法。脉冲负载为直流负载，对直流侧的影响最为直接。在脉冲负载工作期间，母线电压会有一定的下降，而在脉冲消失的时候，母线电压会慢慢上升恢复额定电压值，因此直流母线电压始终处于不断振荡的状态。采用直流侧储能补偿方法，能够及时的响应负载的需求，在系统最末端进行直接的补偿，效果要好于在交流侧进行补偿的方法，通过控制储能电池能够短时间内释放负载需要的能量，平衡柴油发电机组与脉冲负载的功率关系。

2 储能补偿柴油发电机组带脉冲负载试验系统

图1 储能系统补偿柴油发电机组带脉冲负载结构图

如图1所示为柴油发电机组带脉冲负载储能补偿试验装置，其中选用2组锂电池串联，单个锂电池的额定电压为48 V，系统电源为100 kW柴油发电机组和30kW柴油发电机组，锂电池后接双向DC/DC变换器并联于直流母线处，变换器功率为5 kW，输入电压为70～110 V，输出电压为350～700V，整流器和脉冲负载均为自研装置，通过控制面板可以调节整流器输出的电压大小，按照不同的工作模式可以调节脉冲负载的占空比、脉冲周期以及峰值功率大小。测量装置为泰克示波器一台和高速同步采集系统一套，其中高速同步采集系统能够满足最大64通道的实时测量需求，将传感器分别布置于交流侧和直流侧，测试柴油发电机组的输出电压和输出电流、整流器的输出电压和输出电流、蓄电池的端电压和输出电流，以及DC/DC变换器的输出电压和输出电流。实时分析系统中各部分的电气量变化，从而可以得到采用储能系统补偿柴油发电机组带脉冲负载的运行特性。

3 储能补偿柴油发电机组带脉冲负载试验结果分析

考虑储能电池的额定电压为96 V，根据DC/DC中的电压变比关系，确定DC/DC输出电压为390 V，设定整流器的输出直流电压为390 V，脉冲负载的占空比为0.4，柴油发电机组的额定输出功率为30 kW，额定输出电压为400 V，整流器设定输出直流电压为390 V，与直流母线电压一致，工作周期为100 ms，峰值功率为17 kW。

由图2(a)可以看出直流母线电压在储能系统未投入补偿前存在大幅波动，电压幅值在300 V-480 V区间波动，峰值差达到180 V，当储能补偿系统在7.4s左右投入运行后，直流母线电压振幅逐渐减小，电压幅值在340 V-420V区间波动，峰值差缩小为80 V。图5-21(b)所示为蓄电池的输出电流，由图中可以看出，蓄电池在7.4s前未投入运行，在7.4 s时，电流出现短时尖峰，峰值达30 A，主要是因为这一刻开关合闸，蓄电池对滤波电容短时放电，电流较大，之后蓄电池电流随着负载的变化周期性放电。图2(c)所示为蓄电池的电压，本文采用的储能电池为磷酸铁锂电池，额定电压为48 V，2组串联使用实际工作电压约为86 V，可见电池在投入工作后相当于对储能电池不断的加减载，电压也有一定的波动，脉冲负载的作用对储能电池的端电压测量结果也有一定的影响。图2(d)所示为负载侧的总电流，即脉冲负载上的电流，由图中可以看出，在储能电池未投入的时候脉冲负载的峰值电流具有大幅度的波动，在35 A-50 A的范围内振荡，储能投入运行后，负载侧的电流峰值逐渐平稳，平均峰值电流在45 A左右，系统趋于稳定。图2(e)所示为交流侧的三相电压，由图中可以看出，在储能补偿系统投入前，三相交流电压存在一定的振荡，振荡的频率约为2 Hz，小于脉冲负载的工作频率以及柴油发电机组的额定工作频率，在储能电池投入后，柴油发电机组慢慢稳定下来，在9 s之后不再发生振荡。

4 储能系统补偿前后系统运行指标变化

图3 储能系统补偿前后直流母线电压波形

图4 储能系统补偿前后直流电流波形

图5 储能系统补偿前后总谐波含量

图3为储能系统补偿前后直流母线电压波形变化，从图中可以看出未补偿前直流母线电压振荡幅度较大，最低点为300 V，最高点达480 V，有180 V的幅值差，而在加入补偿之后，直流母线电压最低点为340 V，最高点为420 V，幅值差缩小至80 V，减小了100 V的振荡幅差；图4为储能系统补偿前后直流电流波形，从图中可以看出在未补偿前，脉冲负载的电流幅值具有一定的波动性，实际系统中如果出现以上现象，脉冲负载可能无法正常工作，或者带来消极影响，加入储能补偿后，脉冲负载的电流基本保持平稳，恢复到额定工作状态；图5为储能系统补偿前后总谐波含量变化，从图中可以看出未加入补偿时THD为37.60%，加入补偿后THD降为28.16%，且6k±1次谐波电压含量均有所降低，提高了柴油发电机组的供电电能质量。

5 小结

针对柴油发电机组带脉冲负载运行时产生的电压畸变、频率波动、直流母线电压振荡等现象，本文提出了通过直流储能补偿改善系统稳定性方法，该方法增大了直流滤波电容的放电能力，可有效提高系统惯性。采用双向DC-DC变流器与锂电池，构建了柴油发电机组带脉冲负载储能补偿试验平台，进行了储能系统补偿柴油发电机组带脉冲负载试验，试验结果分析表明：柴油发电机组带脉冲负载在直流侧进行储能补偿，交流电压波形得到一定程度的改善，总谐波畸变率有所降低，直流母线电压波形得到显著改善，直流电压的振荡幅值大大降低，直流母线电压的波动率也有较大程度降低，同时系统的非线性程度明显改善。

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Study on energy storage compensation test of diesel generator set with pulse load

Hou Pengfei1, Chen Jingjing2, Fan Juwang1, Sun Kai1, Xu Li1

(1. 96881 Unit of the Chinese PLA; Luoyang 471000, Henan, China; 2. Army Engineering University, Nanjin 210000, China)

TM314

A

1003-4862(2022)04-0056-05

2021-09-09

侯朋飞(1989-)，男，讲师。主要研究方向: 新能源发电技术及应用。E-mail: 443215084@qq.com