微电网储能系统控制对电能质量的保障

王佳蕊 李德鑫 张家郡 蔡超豪 谷彩连 李宏仲

摘 要：针对微电网中容易出现的电能质量问题，提出对微电网的储能系统采用合适的控制方法来保障电能质量。提出微电网的储能系统采取两种储能电池设备，即能量型储能锌溴液流电池和功率型储能钛酸锂电池，对混合储能系统采取微电网DC/DC变流器和DC/AC变流器的两级控制，其中混合储能的DC/DC变流器控制采用基于功率波动性质的分配方法和恒流快充控制，混合储能的DC/AC变流器采用PQ控制和改进下垂无差调频控制方法，并在控制算法中设置合适的参数，并且在微电网运行当中根据其运行情况自动切换控制算法，实现微电网运行当中电压偏差、频率波动、交流母线电压谐波等电能质量指标达到运行要求。本文也通过对一个实际的微电网搭建了整体的仿真控制模型，通过对典型算例的仿真验证了该微电网主要电能指标远高于国家标准。本文的特点是在微电网中采用了两种不同特性的储能电池的混合储能系统并对微电网的混合储能系统采用了多种成熟且适用的控制技术，用以保障微电网的电能质量。

关键词：微电网;混合储能;电能质量;仿真研究;控制

DOI：10.15938/j.jhust.2021.06.012

中图分类号： TM46

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2021）06-0087-07

The Control of Microgrid Energy Storage System

Guarantees the Power Quality

WANG Jia-rui1， LI De-xin1， ZHANG Jia-jun1， CAI Chao-hao2， GU Cai-lian2， LI Hong-zhong3

（1.State Grid Jilin Electric Power Research Institute， Changchun 130021， China;

2.School of Electric Power， Shenyang Institute of Engineering， Shenyang 110136， China;

3.Electric Power Engineering， Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090， China）

Abstract：Aiming at the problem of power quality which is easy to appear in the microgrid， the paper puts forward a suitable control method for the energy storage system of the microgrid to guarantee the power quality.It is proposed to adopt two kinds of storage battery equipment in microgrid， energy storage zinc bromine flow battery and power storage lithium titanate battery. The hybrid energy storage system adopts micro-grid DC/DC converter and DC/AC converter two-stage control， and the hybrid energy storage DC/DC converter control adopts a distribution method based on the nature of power fluctuations and constant current fast charge control， and the hybrid energy storage DC/AC converter adopts PQ control and an improved droop uniform frequency control method. The algorithm automatically switches in all kinds of operation mode of the microgrid to achieve the power quality indicators，such as voltage sag， frequency deviation， voltage deviation， and voltage fluctuation during the operation of the microgrid to meet the operating requirements. This paper also builds an overall simulation control model for an actual microgrid， and verifies that the main electric energy index of the microgrid is much higher than the national standard through the simulation of a typical example.

Keywords：microgrid; hybrid energy storage; power quality; simulation research;control

0 引 言

微电网电能质量问题是目前学术界微电网研究的主要课题之一，保证微电网的电能质量才能满足对微电网内敏感负荷的供电需求;微电网功率不平衡产生的扰动、谐波电流超过允许值、频率波动过大且恢复较慢等情况必然对与其连接的配电网的不利影响，保证微电网的电能质量能防止产生这些影响;微电网内微电源种类多，其容量大小不同，特性不同，分布位置可能分散，都给保证微电网电能质量带来一定的困难，采取措施提高微电网的电能质量也有利于对微电源产生电能的充分利用，即提高对微电源的利用率。文[1-2]讨论了电能质量统一调节器（unified power quality conditioner，UPQC）在微电网中的应用，并有比较成熟的算法用于对电压跌落进行补偿、谐波检测等方面。文[3]提出对锂电池供电的动态电压恢复器（dynamic voltage restorer，DVR）控制方法并设计了硬件电路。文[4]提出了采用有源滤波器和静止无功补偿器共同作用提高微电网电能质量的方法。文[5]提出准单级DC/AC变流器，优化变流器功率的方法。文[6]提出了本地负载含有非线性负载情况下，储能逆变器控制策略中电压外环采用多比例谐振控制器提高电能质量。文[7]总结了微电网储能拓扑结构，并考虑储能全周期寿命，提出优化储能变流器底层控制方法。文[8]分析了混合储能的拓扑结构，提出分层控制方法好和变流器功率优化算法。文[9]提出微电网在孤岛运行期间電压和频率净差对电能质量的影响及解决方法。文[10]分析了储能系统恒流快充等充电方式的应用。文[11]提出提高微电网电能质量的可行性及微电网中各储能单元的参考发电量确定方法和非线性就地负载补偿控制方法。文[12]引入广义负荷为研究对象，实现减少储能充放电频数而获得一定的经济效益，对储能控制的进一步研究有参考意义。文[13]引入虚拟同步发电机技术于改进下垂控制中，能够实现微电网稳定性，从而提高了电能质量。文[14-15]采用数字信号处理技术及网络技术评估、监测和传输电能质量参数，可参考用于微电网。文[16]采用有源滤波装置提高微电网的电能质量。文[17]提出了一种应用小波理论判断电压暂降源位置的方法。文[18]提到，利用储能系统利用变流器剩余容量并采用合适的算法，可实现与有源滤波器相同的有源滤波功能，在滤波和平滑电压等方面起作用。这些方法在理论和实践上取得了一定的成果，各有特点和应用价值。

本文借鉴部分已有文献的研究成果，从对微电网储能控制的角度来研究保证电能质量的方法，即及时调整储能输出功率使微电网功率平衡，并且在储能变流器的多个控制环节，引入电压、频率进行反馈调整，维持系统电气参数稳定，将控制方法应用于一个实际的微电网实验室，对于结果进行了仿真分析验证，解决了微电网电能质量问题。

电网的电压暂降（电压跌落）、电压骤升对敏感用户的影响较大，是微电网主要的电能质量问题，电压跌落值时电压有效值可降落至额定值的10%～90%，且持续时间为工频半个周期到1min。当与微电网连接的电力系统发生短路故障而故障没有被及时切除情况下，微电网可能发生电压暂降，当微电网内有大容量负载（尤其电动机）投切等原因也可能引起电压暂降或暂升。

微电网中的非线性负荷也是微电网电流谐波的重要来源，微电网内光伏逆变器、储能变流器等电力电子接口会也产生谐波，所以微电网内谐波问题是尤为突出的电能质量问题，一般5、7次谐波占谐波的主要成分，对谐波应采取有效的治理方法。

微电网电能质量问题还包括微电网系统的频率波动、电压偏差等方面。本文从基于对混合储能设备控制的角度研究了保障微电网电能质量的方法。提出采用能量型储能电池锌溴液流电池和功率型储能电池钛酸锂电池的混合储能方式，实现了光储微电网电压的动态调节，采用对储能系统的DC/AC变流器和DC/DC变流器的两级控制策略应用于微电网并网运行，并且采用对储能系统的改进下垂无差调频控制方法应用于该微电网的离网运行控制。

1 微电网系统储能及其变流器部分

图1是本文研究的一个微电网的储能及其变流器部分，采用能量型锌溴液流电池和功率型钛酸锂电池，其中的能量型锌溴液流电池储存容量大，能量密度100Wh/L以上，可深度充放电，即使在SOC在10%以下仍可按额定功率放电，钛酸锂电池的具有充放电效率高，倍率放电特性等特点。本微电网系统中锌溴液流电池，容量为50kW·h，钛酸锂电池，容量为25kW·h。

两种储能电池分别经电压型双向DC/DC变流器可控由400V升压至700V接直流母线，再经电压型双向DC/AC可控变流器输出400V交流电压接交流母线。DC/DC变流器的作用是对直流母线提供稳定的直流电压支持，也控制储能设备与直流母线的功率交换，使控制储能设备的充电或放电，其中对两个DC/DC变流器控制应相互协调，使两种不同特性的储能电池充分发挥自己的优点。

在微电网各种运行方式期间，DC/AC可控变流器是控制微电网储能系统与微电网交流母线之间的功率传输，通过对其采用合适的控制策略，实现储能系统与光伏等微电源预期的能量交换方式以及微电网与大电网之间的预期的能量交换方式。在微电网各种运行方式下，对储能系统的控制使其发挥正常作用是保证微电网电能质量的基础。

2 微电网系统的储能双向DC/DC变流器及其协调控制

2.1 微电网储能系统的双向充放电主电路

微电网储能电池的双向充放电主电路中采用典型的Buck-Boost双向DC/DC变流器结构如图2，主电路中还有电池侧电容CSC、直流母线侧电容CDC、升压电感L和等储能元件。

图2中变流器充放电电路的数学模型为。

LdiSCdt=-uSC+uPWM

CSCduSCdt=iSC+ibat

CDCduSCdt=-iDC+iPWM（1）

LDC≥uDCfPWMΔiSCδ（1-δ）

CDC≥iSCfPWMΔuSCδ（1-δ）（2）

由式（1）可得DC/DC变流器的传递函数，在根据式（2）可计算升压电感和直流母线电容值。

式中：fPWM 为变换器的开关频率;ΔiSC为电感LDC电流脉动幅值最大允许值;ΔuDC为电容CDC电压脉动幅值最大允许值;δ为DC/DC变流器的占空比。实际仿真模型中LDC取值为5×10-3H，CDC取值为4.7×10-3F。直流变换器占空比uSC/uDC=400/700。

2.2 本文中两种储能电池的混合储能控制

图3为DC/DC控制部分采用了两种电池的混合储能控制，用以实现储能系统内部功率合理分配，设battery1为储能电池1，是能量型储能电池锌溴液流电池（储存容量大，能量密度100Wh/L以上）;battery2为储能电池2是功率型储能电池钛酸锂电池（新型锂电池，具有充放电效率高，倍率放电等特性，循环充放电次数三万次）。

基于功率波动性质的分配方法是混合储能系统中比较容易实现的方法，能够实现对混合储能系统的协调控制，实现混合储能系统内部功率的合理分配。进行混合储能系统功率分配的最合适方法是高通低通滤波功率分配方法。

本文对混合储能系统的DC/DC控制中，采用了基于功率波动性质的分配方法协调控制方法，采用低通滤波率分配方法，将功率偏差积分信号分成两部分指令信号，其中的低频指令信号部分用于电池1的控制回路，控制PWM1、PWM2发出脉宽调制脉冲，分别控制电池1的充、放电;另一部分信号是输入信号减去低频信号，看做高频指令信号，用于电池2的控制回路，控制PWM3、PWM4发出脉宽调制脉冲，分别控制电池2的充、放电。

混合储能部分参数设置见表1，其中的参数没有统一的规范，应根据微电网功率分配情况和储能系统的具体情况设置，本文根据仿真结果调整采取合适的数值。

如上所述，对电池1和电池2采用了不同的控制算法，使電池2在微电网的负载变动和运行方式转换过暂态程中放电、充电功率变化显著，响应速度快，使系统瞬间功率平衡，储能电池1在微电网功率逐渐平衡后持续冲放电维持微电网功率平衡，这样充分利用了电池1能量密度大而电池2功率密度大的特点。储能电池2在微电网的负载变动和运行方式转换过暂态程中放电、充电功率变化显著，响应速度快，使系统瞬间功率平衡，储能电池1在微电网功率逐渐平衡后持续冲放电维持微电网功率平衡。因此，通过对储能系统的DC/DC控制，在微电网出现功率平衡被破坏的情况下，混合储能系统迅速发挥作用，能量型锌溴液流电池和功率型钛酸锂电池优势互补，通过充放电及时维持系统功率平衡，以保证系统的电压、频率等方面的电能质量。

2.3 储能系统的快充控制

图3中的基于功率波动性质的分配方法为混合储能协调控制方法，适用于微电网功率平衡关系有较大变化的情况下，如投切比较大的负荷，并离网方式切换等情况下。在微电网稳定运行情况下，储能系统采取采用恒流快充控制，保證微电网正常运行当中对储能系统的快速稳定充电。这两种控制模式由算法控制自动切换。

3 储能系统DC/AC变流器的控制

本文中主电路采用单级式储能变流器、交流侧LC滤波器、三相全桥逆变电路（DC/AC）、直流侧电容等部分构成。并网时控制部分采用由功无功解耦控制（PQ控制），并离网控制模式的转换采用PQ控制转换到改进下垂控制。

通过并网时的对储能变流器的PQ控制，配合能量管理系统实现微电网与大电网的功率交换。电刚从并网运行转为离网运行前，应先将储能变流器由PQ控制转为下垂控制。为保证转换过程中不影响系统的潮流分布，需要确保转换前后储能变流器输出的电压角度、电压幅值、频率、输出功率均没有跳变。要保持变流器控制方式转换到在下垂控制时，储能变流器出口处的输出功率为P0和Q0，初始频率f0和初始电压U0与切换前的电网电气参数相同。因此对储能变流器合理有效控制也是保证微电网电能质量的必要条件。

PQ控制中需要设定微电网的额定有功Pref 和额定无功Qref，如何设定Pref和Qref决定了储能设备与微电源以及大电网交换功率的具体模式。

并网型微网中，储能功能多样，通过平滑分布式电源出力，减小其随机性和波动性对电网的冲击，通过对负荷进行削峰填谷，提高微电网的供电质量和供电可靠性。从这些方面来说应充分利用储能设备。但是储能的优先运行原则直接影响其自身的效率和寿命，微电网进行多次的不同运行策略对储能设备影响显著，在微电网工程寿命内可能需要多次更换。

本文仿真研究了可供选择的储能系统与电网功率交换两种模式：①储能优先模式，即无论在联网运行或单独运行期间，在光伏发电与微电网内负载不平衡的情况下首先考虑由储能设备充放电来平衡微电网内功率，再考虑与配电网交换功率。②储能设备待机模式，即联网期间储能待机模式，当微电网切换到独立运行，再投入储能设备的功能。模式1有利于平滑光伏电源出力，减小微电网对配电网的影响;模式2有利于增加储能设备的寿命。本文仿真模型中采用了模式1。

4 储能系统的改进下垂控制控制

下垂控制属于有差调节，为了减小下垂控制中产生的频率净差，对传统下垂特性进行改进，如图4所示在下垂特性环节前加入积分，得到对微电网储能系统DC/AC变流器的二次调频控制策略[19-21]，在微电网离网单独运行期间，这种控制能够保障微电网的系统频率。

无差调节的结果使微电网在独立运行条件下其电压频率非常接近额定频率，有利于保证电能质量。

传统下垂控制中δPf为有功功率-频率下垂控制的下垂系数，δQV为无功功率-电压下垂控制的下垂系数，反应逆变器输出有功功率变化与输出频率变化的关系以及逆变器输出无功功率变化与输出电压变化的关系，合理设置δPf和δQV用于控制微电网中各微电源有功功率和无功功率的合理分配。

其中δPf、δQV定义为

δPf=-ΔfΔP，δQV=-ΔVΔQ（3）

本文仿真模型中改进下垂控制环节的主要参数设置如表2。

5 微电网电能质量指标分析典型算例

本文研究中，对微电网负荷阶跃和并离网转换[22]典型算例进行仿真。

仿真时间为0s到3s。模拟了微电网在0s至2s联网运行，在2s转为独立运行，在2.5s微电网负载变化的运行情况。

仿真结果如图，光伏输出总有功功率为5+10+18+30=63（kW），微电网在2.5s微电网负载有功功率由30kW增加到63kW，无功功率由10kVar增加到50kVar。

配电网功率传输正方向定义为由微电网向配电网传输为正，图中0s到2s光伏总功率大于负载总有功功率情况下，剩余功率被储能电池吸收;2.5s后光伏总功率与负载总有功功率基本持平。

整个过程中配电网与微电网交换功率保持在很小的数值（接近零），微电网内功率变化由储能电池来平衡，有利于在负载变化时减小微电网对配电网的冲击，也减小连接配电网与微电网的输电线路的传输功率，有利于减小输电线路上的传输功率损耗。

当负载功率数值较大，储能放电功率不足以维持微电网功率缺额的情况下，微电网将向微电网输入功率。图5为算例中微电网功率平衡情况：微电网负载=光伏功率+电池1功率+电池2功率-配电网传输功率。

算例中，在2s时刻转为独立运行微电网电压暂升约8%，在0.2s内恢复，在2s时刻微电网负载变化时，电压暂降约4%，在0.1s内恢复，图6及图7的交流母线电压频率情况说明储能系统迅速发挥作用，平衡了微电网功率的缺额。

在本算例中，在微电网独立运行期间，进一步加大微电网的有功负载进行仿真实验，在2.5s投入的有功负载总额90kW，其他参数都不变，微电网中功率平衡情况见图9，与图5比较，电池1释放有功功率，微电网有功负载由电池1和光伏供给电能。经仿真观测微电网各项电能指标与图6至图8所示基本一致。

电压谐波情况：微电网所带负载为线性负载，运行各阶段交流母线电压谐波分量如图8所示。

6 结 论

本文设计和研究了混合储能微电网控制系统，并通过典型算例分析证明了微电网的电压暂降、频率波动、谐波含量等各项主要电能质量指标均可以得到保障。如算例的情况下，2s时刻，微电网运行方式有联网转为独立运行，这是对微电网扰动比较大的过程，仿真结果显示微电网电压暂升约8%，在0.2s内很快恢复，微电网频率只上升0.025Hz，约0.01s内很快恢复，交流母线电压谐波THD为1.28%，远小于电网的电压谐波最大允许值要求（THD为5%）;算例中微电网独立运行期间，在2.5s时刻，微电网有功和无功负载由额定值增加了一倍以上，电压暂降约4%，在0.1s内恢复，频率波动上升0.17Hz，在0.15s内很快恢复。在微电网稳定运行条件下，电能质量各项指标很平稳。

本文是在微电网负载为线性负载的情况下的研究，还需要进一步研究的是，微电网内带非线性负载的条件下，如何采取措施治理谐波电流、电压。本文还需进一步研究配电网发生短路故障条件下，微电网的电压跌落情况。是以一个实际微电网实验室的结构和设备为研究对象，进行仿真，对改善微电网电能质量具有实际意义，其方法结论可与实际微电网运行情况分析比较，可以开展进一步的研究。

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（编辑：王 萍）

收稿日期： 2020-10-11

基金项目： 国家自然科学基金（51777126）;吉林省电力科学研究院有限公司科技项目（KY-GS-20-01-06）.

作者简介：

王佳蕊（1988—），男，博士，工程师;

谷彩连（1979—），女，博士，讲师.

通信作者：

李宏仲（1977—），男，博士，副教授，E-mail：lhz_ab@163.com.

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