基于光伏-蓄电池-超级电容的微电网协调控制策略

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(国网浙江省电力有限公司舟山供电公司，浙江 舟山 316021)

0 引 言

新能源系统的功率受气候和天气影响存在较大波动性，影响电能质量和电力系统的可靠性。为保持稳定的电力输出，通常需增加储能装置。国内基于光、储能供电微电网系统的研究也处于发展阶段，基于光伏和蓄电池-超级电容的微电网系统运行特性及其控制策略研究具有一定的理论参考价值和实用价值[1-5]。

为确保微电网系统安全可靠运行，混合储能的协调控制策略是关键技术。为解决此问题，文献[6-7]采用蓄电池与燃料电池发电系统作为车辆微电网的辅助电源，蓄电池主要吸收功率波动。文献[8]分析了含光伏和蓄电池的微电网储能技术，但其中蓄电池结构过于简单，充放电过程不可控制。文献[9-11]采用了一种新型拓扑结构，通过变换器集成燃料电池与光伏使得光伏发电单元工作在最优状态。

首先确定了光伏-蓄电池-超级电容混合储能系统类型，并对混合储能系统的连接方式进行了选择，进而提出了混合储能的控制策略，这种策略的控制目的是实现直流母线电压的可控，并且通过仿真软件仿真验证了控制策略的优越性和正确性。

1 直流微电网建模

1.1 光伏电池模型

光伏电池等效电路如图1所示。

光伏阵列在参考日照强度与参考电池温度下的输出电流Ipv和输出电压Upv关系式及相应方程为

(1)

ΔT=T-Tref

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：Iph为光生电流；Is为二极管饱和电流；Rs、Rsh分别为串联电阻和分流电阻；k为波尔兹曼常数；T为蓄电池的温度。

图1 光伏电池等效电路

1.2 蓄电池模型

通过分析比较不同类型的蓄电池性能，结果显示锂离子蓄电池性能更好，所以采用该类型蓄电池。其充放电数学模型如下：

(9)

(10)

(11)

式中：Ec、Ed为充放电电能；E0为电压常数；i*为低频动态电流；K为极化常数；it为可提取的电能；i为充放电电流；t为充放电时间；Q为蓄电池最大容量；A为指数电压；B为指数容量；SOC为荷电状态。

1.3 超级电容储能系统数学模型

超级电容器等效模型一般为RC等效电路，其具体结构如图2所示。

相应数学表达式如下：

P=U0I=(U-IR)I

(12)

(13)

(14)

图2 超级电容等效电路

(15)

(16)

(17)

超级电容组的总电阻和总电容通过式(18)、式(19)计算：

(18)

(19)

式中：Umax、Umin为超级电容允许的最高、最低工作电压；U0为初始电压；Ic、Id为充、放电电流；Ec、Ed分别为充、放电能量；E为超级电容能量输出；η为超级电容的效率；ηc、ηd分别为充、放电效率；Ucmax、Ucmin分别为充电截止电压和起路电压；Udmax、Udmin分别为放电起始电压和截止电压。

2 混合储能并联方式的选择

为了弥补超级电容(supercapacitor,SC)和蓄电池独立应用时的不足，结合两者的特点分析，不难看出两者是有互补作用的：蓄电池适合长时间持续放电，但对突变情况反映缓慢；而超级电容则可以快速反应各种突变，但不具备长时间持续放电的特点。以SC和蓄电池储能系统(battery energy storage,BES)组成的混合储能为例，通过分析各种结构的优缺点，确定了最终方案。SC和BES通过共用逆变器与电网连接，控制直流母线电压实现功率调节。通过功率变换器并联混合储能，如图3所示，将大大提高系统的灵活性。

综上所述，不难看出带混合储能的独立光伏发电系统只需将蓄电池与超级电容通过各自的变换器并联即可。图3中并未涉及交流负载，但可以通过DC/AC与交流负载相连。

图3 混合储能并联结构

3 混合储能系统控制策略

混合储能的控制方法依然采用以稳定直流母线电压为目的的控制策略，如图4所示。结合两种储能方式的特点，通过低通滤波器将功率差值分为低频、高频两部分。基于SC充、放电速度快的优点，由SC负责吸收和释放因多种原因产生的高频功率。BES因能量密度大，作为长时间的储能装置，负责吸收和释放低频功率。

图4 外环控制框图

图5为混合储能系统的控制框图。当Udc-ref>Udc时，此时PI环的输出为正值，Ibat-ref、Isc-ref均为正值，混合储能处于放电状态。反之，混合储能处于充电状态。为保证BES吸收能量中的低频部分和SC吸收能量中的高频部分,引入低通滤波器和比例系数K。

图5 混合储能系统控制框图

4 仿真验证

为验证基于PV、BES、SC的微电网控制策略的可行性，基于Matlab/Simulink搭建微电网模型，如图6所示；各部分参数如表1至表3所示。

图6 带混合储能的光伏发电系统仿真模型

名称数值名称数值开路电压/V215MPP电压/V175额定功率/kW5短路电流/A31.65MPP电流/A29.55内阻/Ω0.20

表2 蓄电池参数

表3 超级电容参数

在该模型中，直流负载C3=200 Ω，C4=200 Ω，设定Ideal Switch的触发信号，t=0.3 s时，触发信号由0变为1，等同于将直流负载由200 Ω增至400 Ω。t=0.6 s时，触发信号由1变为0，等同于将直流负载由400 Ω减至200 Ω。仿真波形如图7至图9所示。

由图7可以看出，无论是负载由200 Ω增加到400 Ω的过程还是负载由400 Ω减少到200 Ω的过程，直流母线电压为150 V，波动幅度小于0.5 V。因此所提出的基于直流母线电压平衡的储能控制策略能够达到预期效果。

图7 直流母线电压波形

图8 蓄电池充、放电波形

图9 超级电容器充、放电波形

由图8和图9可以看出，在t=0.3 s和t=

0.6 s，负载发生增减时，在突变的瞬间，SC的充、放电电流骤增或骤减，而BES的充、放电电流缓慢上升或下降，约0.02 s后达到稳定状态。

通过分析混合储能系统的仿真波形可知，当负载发生突变时，由SC进行快速的充、放电，缓冲瞬间的功率差变化；待稳定后，由BES吸收和释放能量以弥补不平衡功率。仿真结果表明BES的充、放电状态一直很平稳，SC在突变情况下弥补BES不能快速放电和放电电流小的缺陷。

5 结 语

首先确定了所研究系统中储能方式为混合储能方式，然后确定了混合储能系统的连接方式。在设计混合储能系统的控制策略时，采用基于直流母线电压平衡的控制策略，同时加入低通滤波器，能够有效地区分能量差中的高频部分和低频部分，这样不仅充分地发挥了各储能装置的作用，也提高了系统的响应速度。仿真验证了该控制策略可以通过协调控制SC和BES，确保在负荷和光照强度大幅波动的情况下直流母线电压处于允许范围内。