基于跃变电流的微电网蓄电池出力控制

刘特，滕青芳，路小娟，王文生

（兰州交通大学自动化与电气工程学院，兰州730070）

基于跃变电流的微电网蓄电池出力控制

刘特，滕青芳，路小娟，王文生

（兰州交通大学自动化与电气工程学院，兰州730070）

独立微电网中通常包括微型燃气轮机、光伏、风力发电和储能装置等。针对储能装置放电大小和出力多少的控制问题，该文提出一种利用突加负载引起的母线电流跃变来估计微电网中有功缺额的方法。将所得有功缺额作为储能PQ控制的参考值，实时调整储能输出，从而保证微电网供需平衡。利用Matlab/Simulink搭建了一个由4种微电源组成的微电网模型，以验证控制策略可行性。仿真结果表明，文中提出的方法可以有效地维持微电网的功率平衡。

独立微电网；储能装置；跃变电流；PQ控制

微电网是以分布式发电技术为基础，以靠近分散型能源或用户的小型电站为主体，结合终端用户电能质量管理和能源梯级利用技术形成的小型模块化、分散式的供能网络[1]。微电网中的电源多为含有变换器的微电源，包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏和风力发电以及超级电容、飞轮、蓄电池等储能装置[2-4]。

储能是微电网中十分重要的环节之一，能提高微电网电能质量、增加系统稳定性、提高微电网经济效益和承担电力调峰。随着新能源的快速发展，其在微电网中将得到更加广泛的应用[5-6]。

微电网的首要目标是稳定运行，这是微电网技术可行的基础。在微电网独立运行情况下，储能单元的输出功率随系统频率和电压波动，此时考虑的首要问题是系统供电的稳定性，而不是经济性[6-7]。

文献[6]以储能装置为主电源，建立并维持系统电压及频率。独立微电网运行时，储能装置不能作为长时间供电单元[5]。文献[8-9]采用的下垂控制对蓄电池控制，虽然可以较好地平抑波动，但是输出功率是自调节，易超出放电上限。同样是长时间供电。文献[10]采用串联和并联方式把储能装置接入系统，也存在输出功率不可控和长时间供电现象。鉴于以上情况，本文提出了一种基于瞬时电流跃变值估计突加负载有功功率值的方法，估计值作为PQ控制参考值，对蓄电池组进行出力调节。

1 蓄电池及特性

独立微电网模型如图1所示。采用主从控制模式，微型燃气轮机作为主要支撑电源，其逆变器采用V/f控制；风能、光伏和蓄电池组作为从电源，逆变器采用PQ控制。为了简化模型，突出重点，设光伏和风能的输出功率不变，当突加负载时，由于微型燃气轮机不能及时补偿突加负载产生的有功缺额，此时通过突加负载有功缺额估计模块可得所需有功功率，作为蓄电池组逆变器PQ控制有功参考输入值，以补充微电网中的有功缺额。

图1 独立微电网模型Fig.1Model of independent micro-grid

蓄电池是目前微电网中应用最广泛、最有前途的储能方式之一。尽管铅酸蓄电池还有不少缺点，但是目前能够商业化运用的主要还是铅酸蓄电池，它具有几个比较显著的优点：成本低廉、原材料丰富、制造技术成熟、能够实现大规模生产[5]。所以本文只讨论铅酸蓄电池作为储能装置。

蓄电池的充电时间长，充放电次数仅数百次，因此限制了使用寿命，维修费用高。在微电网中，放电电流大小和温度对蓄电池组的出力有较大的影响，因此要考虑对电池的保护。

（1）放电电流。铅酸电池的放电电流要控制在低于2 C，而实际应用中，通常理论放电电流大约0.5 C。过大的放电电流会导致电池极化现象严重，电压和容量快速下降，不符合放电要求。

（2）电池温度。大电流放电会导致电池的电解液温度升高，其结果使板栅抗张强度变小。活性物质脱落，当腐蚀产物变得很厚或板栅变得相当薄时，板栅电阻增大，使电池容量下降，直至蓄电池失效。在大于40℃，温度升高10℃，蓄电池的寿命是原来的1/2[11]。

根据以上两个限制可知：需要对蓄电池组的放电电流大小进行限制，在可放电状态下，可认为电压恒定，所以要控制电池的输出功率。文献[7-9，12-13]尚未考虑这部分影响，文献[14]也只考虑了剩余容量问题。

2 独立微电网运行控制方案

微电网中的微电源以逆变型为主，不具备传统电网较大的系统惯性和较好的抗扰动能力，风力发电和光伏发电的间歇性变化及负荷的随机投切会造成整个系统的电压、频率的波动，影响系统的稳定运行。此外，由于微电网线路的R/X参数值较大，系统有功和无功不能充分解耦，使得传统的下垂控制效果不佳。

2.1 微型燃气轮机V/f逆变控制

V/f控制法的电压源型换流器为微电网独立运行提供频率和电压支撑，维持所接入节点的电压和频率恒定，输出有功功率和无功功率由下垂特性、微电源容量和负荷共同决定。

V/f控制方法是利用逆变器的反馈电压调节交流侧电压以保证输出电压的稳定，一般采用电压外环与电流内环的双环控制方法。电压外环可以保证输出电压的稳定，电流内环构成电流随动系统可提高抵御扰动的能力。

V/f控制模型如图2所示。参考频率50 Hz。电压环采用PI控制，输入为dq轴分量的参考电压udref、uqref和负载电压ud、uq。为了稳定负载电压，减小或消除负载电压稳态误差，提高系统的动态响应速度，电流内环采用比例控制P，电压环输出的idref和iqref作为电流内环的参考输入，滤波电容电流转换值id和iq作为反馈电流值，Vd和Vq是电流环控制输出的电压。

图2 V/f控制模型Fig.2Model of V/f control

根据选取的状态变量不同，双环控制方法可以分为电感电流内环电压外环和电容电流内环电压外环两种。本文采用电容电流内环，系统抗干扰能力更强，具有更好的外特性[15]。

2.2 其他微电源PQ逆变控制

光伏和风力发电等新能源微电源，其输出功率值受外界环境的影响很大，发电具有较明显的间歇性，若是保证恒功率输出，则必须配备较大容量的储能设备，如此将大大增加成本，所以此类型微电源的控制目标应该是尽量保证可再生能源的最大利用率，所以一般采用参考输入跟随最大功率值的PQ控制策略。

PQ控制模型如图3所示，控制器主要由功率控制器和电流控制组成。Pref和Qref分别为有功和无功功率参考值，功率控制器的输出电流iLdref、iLqref作为电流环的参考输入。经电流内环控制，以微电网实际电流变换值iLd、iLq作为内环反馈，实现有功电流跟随参考电流。软件锁相环SPLL（software phase-locked loop）保证了PQ控制的微电源跟踪微电网的频率。

图3 PQ控制模型Fig.3Model of PQ control

设逆变器输出电流为iLn，则经过dq变换后得iLd、iLq。因为转换后uq=0，所以逆变器输出电流参考值为

式（1）把对逆变器输出功率控制转化成对电流的控制问题。只要实现对参考电流iLdref的跟踪，就实现了对参考有功功率的跟踪。其中有功功率P由iLd决定，无功功率Q由iLq决定，如此实现了三相组网的有功和无功功率的解耦。

3 突加负载功率估计

3.1 突加功率估计原理

微电网由于容量小，惯性不足，独立运行时可再生能源出力和负荷的不可预测性、多变性会引起较大波动。当有负载接入时，除了频率有变动外，电流也会在极短时间内突变。因为主逆变器提供电压支撑，所以电压波动很小，因此可通过测量主逆变器的滤波后输出电流跃变值估计突加负载功率大小。三相有功功率为

式中：I为微电网相电流有效值；U为微电网相电压有效值；cos φ为功率因数。因为加负载时电压波动很小，可以认为电压恒定，设负载有功功率变化值为ΔP，电流跃变前系统的有功功率为Py，则有

式中：ΔIy为跃变引起的相电流增加值；Iy为跃变前相电流幅值。所以由式（3）得采样后估计功率为

式中：ΔPg表示突加负载有功功率变化估计值；ΔIg表示采样获得的相电流增加值。

3.2 突加负载有功功率变化估计

突加负载有功功率估计框图如图4所示。

图4 功率估计结构Fig.4Structure of power estimator

信号采集是获得一个采样周期内相电流差值ΔIk，信号除杂是除去小于门限电流差值ΔIm信号，降低系统小干扰波动和投入更多新电源时产生的电流跃变值，信号计算是计算有功差额ΔPg，并选取三相中同一时刻ΔIg/Ib值最大估计有功功率。信号保持是保持蓄电池组输出功率时间长短。

因为极短时间内电流突变，所以可知选取合适的采样周期，一个采样周期内相电流增加值ΔIk在跃变阶段值要远大于稳定阶段值，把ΔIk简称相电流差值，如图5所示。

图5 b相电流差值Fig.5Current difference of phase b

因为加入负载时功率是瞬时平衡的，所以电流瞬时增大，在不同时刻加负载，三相电流各相跃变值不同，但是增加倍数相同。

在获取电流跃变值时，可能会有小干扰导致微电网产生小的波动，为了减少小干扰产生的电流差值ΔIk，导致蓄电池组频繁的投切，所以要设定门限电流差值ΔIm，以除去干扰。选取的采样周期不同，则ΔIk、ΔIm值也不同，采样周期越小，估计值误差越小。而ΔIm值选取越大，抗干扰越强，电池组对小波动越不灵敏，投切次数越少，但是负载功率估计的误差值越大，所以要选取合适的电流差门限值，本文选取的采样周期为1×10-5s，则设定ΔIm=1.03 A。获取电流跃变值算式为

式中：M表示ΔIk>ΔIm的个数；当ΔIk>ΔIm时，设定k=0，开始累加电流差值ΔIk；当ΔIk≤ΔIm时，停止累加，获得此时的总电流差值。

为了保护蓄电池，其输出电流不能过大，即输出功率有上限。为了进一步滤除小扰动已产生的估计功率，因此输出功率也不能太小，则要设置蓄电池组出力上下限ΔPmax和ΔPmin。只有满足ΔPmin≤ΔPg≤ΔPmax时，蓄电池组才进行出力。

4 仿真分析

为了验证上述方法可行性，搭建了基于Matlab/ Simulink的仿真模型，为了简化模型，突出研究重点，V/f控制的逆变器前采用稳定的电压源，来代替经过整流的微型燃气轮机的输出。另外并入两个以PQ控制的光伏和风能微电源并设为恒功率输出，以电压源代替整流后的微电源。蓄电池组也采用PQ控制，用Simulink中已有的电池模型。

独立运行时，设初始值，光伏发电50 kW，风力发电50 kW，静态负荷150 kW，蓄电池组最大输出功率50 kW，所以稳定时微型燃气轮机输出50 kW。在0.25 s时加入40 kW负载。运行结果如图6～图8所示。

不管是加负载还是蓄电池组投入，图6显示电压波形未受太大影响。图7显示微型燃气轮机逆变输出电流在加入负荷前后，通过估计模块让蓄电池组迅速出力的电流波形，在0.04 s时基本稳定。图8所示蓄电池组输出功率响应较快，大约0.04 s基本稳定。在突加负载后，燃气轮机输出有一小段波动，基本保持输出功率不变。表1是根据b相电流增加值ΔIb估计突加负载有功功率。由于采样产生的误差，估计值偏小，所以选取三相中估计功率最大的相作为最终估计值。本文在0.25 s时加入负载，b相电流估计最接近真实值。由仿真结果可知，此种测量估计方法速度快，对于突加功率越大的负载估计误差越小，这与门限值设定有关。

图6 微电网相电压Fig.6Phase voltages of micro-grid

图7 微型燃气轮机逆变器输出电流Fig.7Inverter’s output current of microturbines

图8 有功功率Fig.8Active power

表1b相电流及估计的有功功率Tab.1Current of phase b and estimation of active power

5 结语

本文提出了一种基于瞬时电流跃变值估计负载有功功率变化值的方法，把得到的最终有功功率值作为PQ控制的P参考值，来控制蓄电池组出力。通过对突加负载有功功率估计，可以保证出力频繁程度和多少在可控范围内，保证蓄电池组的放电电流大小在规定范围内，以保护蓄电池。所选的采样周期和门限电流差值ΔIm根据不同系统需不同设置。此方法估计值可给微电网上层控制器，作为整个系统的优化调度使用，为提高微电网中储能设备的利用率提供了一定的参考。下一步要做的是微型燃气轮机增加输出时蓄电池组退出方法，以保证微电网稳定。

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Controlling Output of Batteries Based on Jump Current in Micro-grid

LIU Te，TENG Qingfang，LU Xiaojuan，WANG Wensheng
（School of Automation and Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China）

Independent micro-grid usually includes microturbines，PV，wind power and energy storage devices.For controlling the amount of discharge and output of energy storage devices，the method is presented that the active power vacancy is estimated by the current jump in the bus caused by sudden loads in micro-grid.Owning to active power vacancy regarded as the reference value of PQ control in energy storages，the output of energy storages is real-time adjusted and the balance of supply and demand is ensured in micro-grid.A model of micro-grid including four micro-powers is built by Matlab/Simulink，thus verifying the feasibility of the control strategy.Simulation results show that the proposed method is effective in maintaining the power balance in micro-grid.

independent micro-grid；energy storage device；jump current；PQ control

TM727

A

1003-8930（2015）12-0052-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.12.10

刘特（1987—）男，硕士研究生，研究方向为微电网控制及其能量管理。Email：923499863@qq.com

2014-04-24；

2015-04-14

甘肃省自然科学基金资助项目（1208RJZA180）

滕青芳（1964—）女，博士，教授，研究方向为控制理论与工程、电气控制工程。Email：tengqf@mail.lzjtu.cn

路小娟（1975—）女，博士研究生，副教授，研究方向为测控技术。Email：luxj@mail.lzjtu.cn