基于复合储能的微网运行特性分析

韩洲，任永峰，刘海涛，布赫，陈建

(1.内蒙古工业大学电力学院，内蒙古呼和浩特010080；2.内蒙古电力科学研究院，内蒙古呼和浩特010051)

基于复合储能的微网运行特性分析

韩洲1，任永峰1，刘海涛2，布赫1，陈建1

(1.内蒙古工业大学电力学院，内蒙古呼和浩特010080；2.内蒙古电力科学研究院，内蒙古呼和浩特010051)

微网中含有分布式电源的发电形式具有强随机性和间歇性，而且负荷的变换也具有随机性。为了维持微网内部的能量平衡，储能单元需要频繁地吸收和释放功率，这对传统的蓄电池储能带来了非常严重的负面影响。结合超级电容和蓄电池特性互补的优点，采用了超级电容和蓄电池相结合的储能方式。通过对比分析复合储能和传统蓄电池储能在微网并网运行和孤网运行时微网内部功率的变化情况，证明了复合储能的有效性和实用性。

微网；分布式电源；超级电容；蓄电池；复合储能

本文以内蒙古电力科学院的示范性工程——智能微电网为基础，主要研究在复合储能和常规蓄电池储能下，微网并网运行和孤网运行投切模拟负载时，母线功率变换的情况。通过对比分析，复合储能能够有效、快速地补偿和吸收功率的缺额，改善电能质量，使电能质量符合国家并网标准。

1 复合储能的控制策略

储能对于实现微网内部能量的瞬时平衡、维持微网的稳定运行具有非常重要的作用。由于储能单元能够起到削峰填谷和运行模式无缝切换的功能，因此储能VSC的控制策略非常关键。

本文分别由电网侧、滤波电感和电容侧提取了电压和电流的测量值，可以提高储能逆变器的动态响应性和接受微网的能量管理系统的调度。

图1 储能逆变器控制图

2 微网的控制策略

微电网系统可以运行于并网和孤岛两种模式，在并网和孤岛两种运行状态下的微电源控制策略是不同的。通常有三种控制方式：并网状态下的P/Q控制，孤岛状态下的U/f控制和Droop(下垂)控制[2]。本文主要介绍并网状态下的P/Q控制和孤岛状态下的U/f控制。

2.1 微网的P/Q控制策略

微网在并网运行时，对微电源的控制实际上就是对并网逆变器的控制。由于频率和电压由大电网支撑，各微电源不参与频率和电压调节。通常采用P/Q控制(图2)，其控制目的是使微电源输出的有功和无功实时跟踪其参考信号[3-4]。

图2 并网PQ控制图

并网母线电压可以表示为：

将式(1)变换到旋转dq0坐标系，则可表示为：

式中：为线路电压电流的角频率，并网运行时由电网频率决定，孤岛运行时由下垂控制或U/f控制的微电源决定[5]。

在dq0旋转坐标系中选择参考轴，则逆变器的输出功率可以表示为：

由此可以得到电流内环dq0参考值：

变换得到：

2.2 微网的U/f控制策略

微网在孤岛运行时，首先保证网内的电压和频率满足负荷的要求；其次由于孤岛容量有限，一旦出现功率缺额，需切除次要负荷以确保重要负荷的工作，因此U/f控制必须能够响应跟踪负荷投切，并具有一定的动态响应性能[6-7]。孤网U/f控制如图3所示。

双环控制在旋转dq0坐标系的控制框图如图4所示。

图3 孤网U/f控制图

图4 双环控制图

电压外环控制器主要用于维持电压和频率恒定，一般动态响应较慢，同时产生电流内环参考信号；电流内环控制器主要用于微量调节，用于提高逆变器输出的电能质量，一般动态响应较快。

在dq0坐标系下逆变器系统为强耦合系统，需要在控制系统中引入电流前馈解耦控制，从而实现dq0轴间的解耦控制[8]。实现电流环前馈dq解耦控制的方程为：

所以有：

3 实验对比分析

本实验平台是基于CSCP-3000的基础上开发的，能够对风速、光照强度、内部的功率、电压、电流等变化情况进行实时监测。风机参数：工作风速3～25 m/s，额定风速10 m/s，额定功率10 kW。光伏发电单元的主要参数：峰值功率260 W，峰值电压31 V，组件效率16.2%。能量型锂电池储能参数：标称容量40 Ah，额定电压3.2 V，充电截止电压3.6 V，放电截止电压2.0 V。铅酸电池参数：额定电压12 V，额定容量45 Ah，循环次数1 000次。超级电容的主要参数：额定电压2.7 V，电容量1 200 F，最大持续电流81 A，最大峰值电流95.5 A，漏电流2.7 A，峰值电压2.8 V，循环次数50万次。

3.1 微网并网运行

本文通过采集某一天的风速和光照强度，基于CSGC-3000平台，模拟加入复合储能与只有蓄电池两种情况下的实验。

风力发电的出力情况如图5所示，其中蓝色曲线为只加入蓄电池情况下风力发电机的输出功率变化情况，绿色曲线为加入复合储能时风力发电机的输出功率情况。可以看出当采用复合储能时，能够利用超级电容和蓄电池互补特性，很好地抑制风机输出功率的波动。

光伏发电的出力情况如图6所示。

图5 风力发电机的输出功率

图6 光伏发电的功率变化曲线

在上述风速和光照强度下，分别对微网在并网时，通过投切复合储能，来验证其在微网中的作用，如图7、图8所示。

图7 超级电容的功率变化曲线

图8微网中的功率曲线

图8 中，在微网并网运行时，绿色曲线为加入复合储能时的功率波动情况，蓝色曲线表示只有蓄电池时的功率波动情况。说明加入复合储能后，利用超级电容的快速充放电特性，抑制风机瞬时功率的波动，利用蓄电池能量密度大的特性调节微网内部的功率平衡问题，能够很好地抑制整个微网内部的功率波动情况，维持微网内部功率平衡。

3.2 微网孤网运行

孤网运行时，由光储混合单元工作于U/f控制模式，建立并维持微网内部的电压与频率，当稳定运行2 min后投入风机与相应的模拟负载。通过录波器分析母线上电压和电流的波动情况。

当孤网运行时，不带复合储能观察到的电流、电压波形如图9所示。电压和电流的波形都存在一定程度的失真，电流波形的失真度严重。这是因为只含有蓄电池储能时，投入风机后，风机的随动性和整个微网系统中含有较强的感性负荷。

图9 孤网运行时不带复合储能母线上的电压电流

当孤网运行时，投入复合储能后的实验波形如图10所示，可以看出电压和电流的波形得到了明显的改善。这是因为复合储能可以充分利用蓄电池和超级电容特性互补的优点，即利用超级电容充放电速率快来补偿风机出力的随动性，利用蓄电池的能量密度大来补偿微网内部的功率缺额，使微网孤网运行时内部的功率达到平衡状态。

图10 孤网运行时带复合储能母线上的电压电流

4 总结

微网是可再生能源分布式发电高效利用的有效载体，储能通过功率变换装置，可以作为组网电源，是微网稳定运行和优化控制的重要环节。

本文的复合储能采用了电流、电压双环控制策略，能够提高复合储能的稳定性和快速性。在微网并网运行时，通过CSGC-3000分析了并网PQ控制下，投入复合储能能够很好地抑制微网中的功率波动情况。在孤网运行时，在U/f控制下，投入复合储能能够改善微网中的电能质量。最后通过录波器提取了系统的电压、电流波形，验证了复合储能在微网中的重要性。本文所采用的参数均为内蒙古电力科学院智能电网所提供的实际参数。

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Analysis of micro-network operation characteristics based on composite energy storage

HAN Zhou1,REN Yong-feng1,LIU Hai-tao2,BU He1,CHEN Jian1

Micro-network containing distributed power generation was with strong randomicity and intermittent,and load transform also had intermittent.In order to maintain energy balance within the micro-nets,Energy storage unit needed frequent absorption and release of power.Very serious negative effect for the traditional battery energy storage was brought.Based on super capacitor and battery characteristics of complementary advantages,the combination of the super capacitor and the battery energy storage were adopted.Analysis of micro-network parallel operation and the isolated network operation into the simulated load was done,by comparing the compound of energy storage and the traditional battery energy storage power within the micro changes,the validity and practicability of composite energy storage was proved.

micro–network;distributed power supply;super capacitor;battery;composite energy storage

TM 91

A

1002-087 X(2015)03-0539-04

2014-08-25

教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-11-1018)；教育部科学技术研究重点项目(210037)；内蒙古自然科学博士基金项目(2011BS0903)

韩洲(1987—)，男，山东省人，硕士研究生，主要研究方向为微网及光伏并网。