基于复合储能的微电网运行的切换控制策略

冯天舒，刘　芳

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.中国电力建设工程咨询有限公司，北京 100120))

基于复合储能的微电网运行的切换控制策略

冯天舒1，刘芳2

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.中国电力建设工程咨询有限公司，北京 100120))

摘要：微电网是实现主动式配电网的一种有效形式，微电网技术能够促进分布式发电的大规模接入。针对微电网中并网模式和孤岛模式之间的切换，提出一种含复合储能装置的微电网优化控制策略。这种复合储能的微电网优化控制将超级电容器和蓄电池的优点结合到一起，用于由分布式电源作为主控式电源的微电网，以实现微电网平滑切换的目标。利用PSCAD/EMTDC软件对系统进行研究，结果表明：在切换时间、频率、电压上，复合储能均优于蓄电池储能。

关键词：微电网；复合储能；运行模式；无缝切换；控制策略

微电网是一种将分布式电源、储能装置、负荷、变流器以及监控保护装置等有机整合在一起的小型发配电系统。它可以充分发挥分布式发电在经济、节能及环保中的优势，协调与大电网的矛盾，具有较高的灵活性与可调度性。微电网中主要电源的输出功率具有较大的波动性和随机性，利用储能技术可以解决这些问题[1]。微电网对储能既有速度方面的要求，又有容量方面的要求，一种储能元件很难同时满足这些要求，因此，复合储能技术需要深入研究。蓄电池由于技术成熟、能量密度大、价格低廉得到广泛应用，容易实现大容量储能，为此蓄电池主要完成微电网中宏观上的功率平衡作用。但是微电网中频繁的充放电容易造成蓄电池温度升高，严重影响蓄电池的寿命，且不能用于功率的快速补偿；超级电容器充电功率大，速度快，使用寿命长，可以完成稳定频率、电压、补偿随时电压变化等功能[2]。所以，蓄电池与超级电容器组成的复合储能系统，具有容量密度高、功率密度大、使用寿命长等特点[3]，对于平抑由分布式能源组成的微电网的功率平衡及安全稳定运行具有积极的意义。

近年来，许多国内外专家学者，在利用混合储能平抑间隙式电源功率波动方面进行了卓有成效的研究。文献[4]将锂电池与超级电容器的组合形式应用在独立光伏电站，快速平衡系统瞬时功率，维持系统的可靠性；文献[5]将锂电池与超级电容器组成的复合储能装置应用于并网光伏电站，优化了光伏电站的输出功率、降低储能系统运行成本。文献[6]利用超级电容器与蓄电池的组合，提高储能系统的技术经济性。基于上述研究可知，由超级电容器和蓄电池组成的复合储能系统，在应对由分布式新能源组成的微电网频繁快速功率变化、无缝切换控制等方面具有良好的应用前景，但目前在关于这方面研究应用的文献还不多。

本文在详细分析了由风电机组、光伏阵列组成的微电网安全稳定运行对储能需求的基础上，建立了风电机组、光伏阵列及超级电容器和蓄电池组成的复合储能系统及控制模型。提出了适应于微电网的复合储能结构及优化控制策略，并进行仿真研究，分析复合储能系统在微电网运行方式切换及平衡系统功率，提高系统可靠性等方面产生的成效。

1系统模型

本文采用的微电网系统结构如图1所示，交流母线电压为 0.4 kV，通过升压变压器(T)经公共连接点(PCC)接入10 kV 配电网(Distributed Network，DN)。系统主要由风力发电机组(Wind Turbine，WT)、光伏阵列(Photovoltaic Array，PV)、蓄电池(Battery，BAT)、超级电容器(Super Capacitors，SC)及控制器组成。

图1　微电网结构

图2　光伏电池等效模型

图3　复合储能系统等效模型

图4　P/Q控制框图

图5　U/F控制框图

图6　微电网控制流程

1.1光伏电池的模型

光伏电池阵列由一定数量的单体电池经串并联构成。它的输出功率与光照强度、环境温度等因素有关。单体光伏电池的等效电路如图2所示。

图2中，U，I 分别为光伏电池输出电压、电流；Iph为光生电流；ID，UD分别为电池P-N 结产生的扩散电流和端电压；Rs，Rsh分别为电池的串联和并联电阻。

1.2复合储能装置模型

由蓄电池和超级电容器组成的复合储能系统装置等效电路如图3所示。UB，RB分别为蓄电池的等效电压和内阻，L 为双向DC/DC的电感；S1，S2，D1，D2分别为功率开关管；C为直流母线电容；USC，RSC分别为超级电容器等效电压和内阻。

超级电容器由于其容量大，充放电周期长，可用一个理想电压源和一个等效内阻串联来等效。超级电容器和蓄电池由储能控制器控制经双向变换器(DC/DC)后接入直流母线。这种连接方式的优点是可以使蓄电池、超级电容器工作在不同的电压范围，是两者的容量配置与组合形式灵活可变。

在复合储能的容量配置方面，蓄电池的容量应能保证微电网中重要负荷的正常供电；超级电容器主要应对切换瞬间的功率平衡，所配容量应满足微电网中所有负荷的功率要求。

双馈风力发电机组模型，参见文献[7-8]。

2系统控制

2.1并网运行控制策略

当并网运行时，微电网内的功率缺额由配电网来平衡，频率调整和电压控制都由配电网来负责，网内分布式发电(Distributed Generation，DG)逆变器均采用P/Q控制方式，控制流程如图4所示。

图4中，P、Q分别为逆变器输出的有功功率和无功功率；Pref、Qref为中央控制器指定的有功功率和无功功率参考值；ud、uq、id、iq分别为逆变器端电压、电流的d、q轴分量；usd、usq分别为控制器输出电压的d、q轴分量；idref、idref为逆变器电流的d、q轴分量参考值；uref为电压参考值。

2.2孤岛运行控制策略

当孤岛运行时，复合储能系统采用U/F控制方式，为微电网提供频率和电压支持，并跟踪负荷的变化，其余DG采用P/Q控制方式。控制流程如图5所示。

图5中，ω为角频率信号；θ为角度信号； f为工频；udref、uqref为逆变器端电压的d、q轴分量参考值。

2.3复合储能控制策略

复合储能系统的双向DC/DG变换器采用Buck/Boost功率变换器形式，见图3。这种结构体积小、工作效率高。当S1动作，S2驱动闭锁时，变换器处于Buck模式；当S1驱动闭锁，S2动作时，变换器处于Boost模式。这种策略可以灵活多层次地设定蓄电池的充放电电流及其相互之间的转换过程。

2.4无缝切换控制策略

当微电网处于并网模式、孤岛模式或者在并网/孤岛无缝切换模式的情况下，微电网最主要的任务就是保证微电网系统内的所有敏感负荷可靠正常的运行；另一方面，在并网模式和孤岛模式之间进行无缝切换的过程中，微电网内负荷端的电压幅值和相位不能发生较大的变化；同时在并网过程中不能产生很大的电流冲击，导致系统的崩溃。只要上述条件能够得到保证，微电网就可以在并网模式和孤岛模式之间成功地进行无缝切换。

当微电网在并网模式和孤岛模式之间进行无缝切换时，不仅需要保证控制策略的成功转换，而且需要PCC点静态开关的准确配合。如果PCC点静态开关配合不当，很可能就会导致无缝切换的失败。此外还需要依靠大电网状态快速准确的检测，并网时电压的同步检测等诸多方面，只要有一方面配合不当，很可能就会导致无缝切换的失败。如果切换失败，将导致很严重的后果。例如，当微电网系统从并网模式向孤岛模式转换时，如果PCC点的静态开关没有正常关断，就可能导致大电网的不良影响进入微电网，如果没有敏感负荷实时的保护，微电网系统内的敏感负荷就会全部损坏。

在并网运行情况下，当配电网故障或电能质量不能满足要求时，检测公共耦合点(PCC)电压、频率，超出允许的范围时，微电网需要与配电网快速断开，转入孤岛运行方式，储能系统的控制方式由P/Q控制转变为U/F控制方式，其余DG仍采用P/Q控制方式。此时，若网内功率不能保持平衡，就要考虑切负荷或者切机；在主网恢复正常运行后，需要将微电网与配电网重新连接。此时，为了避免互联过程中对配电网造成较大的暂态冲击，必须对微电网进行同期，为此，检测公共耦合点微网侧及配电网侧的电压、频率及相角，当对应量相差在允许的范围之内时，完成同期并列。之后，复合储能系统由U/F控制方式转变为P/Q控制方式，并恢复负荷或DG。微电网控制流程图见图6。

3仿真结果及分析

本文在PSCAD/EMTDC软件平台上搭建了微电网模型。仿真主要参数设置如下：光伏发电容量为15 kW，风力发电为20 kW；蓄电池容量为100 A·h，额定电压为240 V，额定放电率为0.3 C，超级电容器为10 F，额定电压360 V；负荷功率为40+j10 kVA。

微电网并网运行，所有DG均采用P/Q控制，在1 s时，配网发生故障，检测到电压或频率越限，保护动作，微电网与主配网断开，由并网转入孤网运行，储能装置控制方式由P/Q转为U/F方式；在2 s时，配网故障消除，经检测，微电网与配电网侧电压、频率、相角差符合同期要求，保护动作，微电网重新与配电网并列运行，电气量恢复到孤网运行前的状态。仿真结果分别见图7、图8。

图7 微电网和配网频率图8 微电网和配网电压

为了便于比较，图7、图8中分别给出单独使用蓄电池储能和使用复合储能两种情况下的结果。

由图7可知，在1 s之前，并网运行，蓄电池储能和复合储能情况下，微电网与配电网的频率都是50 Hz，在1s时，功率不再平衡，由于蓄电池输出限制，频率波动较大；而复合储能，由于超级电容器功率密度大，及时弥补功率差额，频率波动也在允许的范围之内。2 s后，转入并网运行，系统频率逐渐恢复到50 Hz，复合储能比蓄电池储能情况所用时间更短。

由图8可知，在1 s之前，并网运行，蓄电池储能和复合储能情况下，微电网与配电网的电压近似为220 V，在1 s时，功率不再平衡，由于蓄电池输出限制，电压波动较大；在复合储能情况下，由于超级电容器功率密度大，及时弥补无功功率差额，使得孤网运行期间，电压波动符合要求。2 s后，转入并网运行，电压逐渐恢复到孤网运行前水平，复合储能情况下，恢复速度更快。

4结论

基于蓄电池与超级电容器的特性，建立微电网的复合储能系统，提出微电网并网与孤岛运行方式平稳切换的控制策略，通过仿真实验得出如下结论：

1)复合储能兼具能量型储能及功率型储能的优点，且控制方式灵活、方便。对于实现微电网能量的瞬时平衡，维持微电网的稳定运行具有重要作用;

2)多层次的控制模式，在运行方式切换前后，使微电网的频率、电压都能保持在允许的范围之内，实现平滑切换;

3)在线检测频率、电压，切换时对电网的冲击很小，保证电网电能质量。

在下一步的研究中，将考虑超级电容器与蓄电池的容量优化配置及微电网系统经济性的改善。

参考文献

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Control Strategy for Operation Transfer of Micro-grid Based on Hybrid Energy Storage System

FENG Tian-shu1,LIU Fang2

(1.Electrical Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.China Power Coustruction Engineering Co.LTD.Beijing 100120)

Abstract：Micro-grid is to achieve an effective form of active distribution grid，micro-grid technology can facilitate access to large-scale distributed power generation.Switching micro-grid grid between pattern and island modes against proposed micro-grid energy storage device containing a compound of optimal control strategy.This composite storage optimization micro-grid control and advantages of the super-capacitor battery to come together for the distributed power as a master micro-grid power supply to achieve the goals micro-grid smooth handover.Using PSCAD /EMTDC software of the system，the results show that：the switching time，frequency，voltage，complex storage are superior battery energy storage.

Key words：Micro-grid；Hybrid Energy Shortage System；Operation Modes；Seamless Switching；Control Strategies

收稿日期：2016-03-22

作者简介：冯天舒(1992-)，男，吉林市松原市人，东北电力大学电气工程学院在读研究生，主要研究方向：分布式发电及微电网运行与控制.

文章编号：1005-2992(2016)03-0011-05

中图分类号：TM715

文献标识码：A