独立微网下柴油发电机与蓄电池协调供电研究

袁 瑞，秦娜娜，和童昭，谢青海，刘成伟

(河北机电职业技术学院电气工程系，河北 邢台 054000)

0 引言

独立微网是在大电网无法覆盖的区域里一种有效的供电方式[1]。大电网无法覆盖的区域具有用电负荷集中、功率等级低等特点。柴油发电机凭借其方便可移动性、可靠性、稳定性、供电连续等特点成为微电网中最直接、最有效的发电设备，甚至是唯一的发电设备[2]。但是当微电网中负荷发生变化时，会引起柴油发电机转速的变化，进而引起微电网暂态频率和电压不稳[3]。

为了避免微电网中由于柴油发电机单一供电缺陷而引起的微电网暂态频率和电压不稳定，在微电网中加入可以快速响应冲击的蓄电池作为微电网临时能量调节设备，通过协调控制2种能源出力大小，维持微电网系统频率和电压的稳定，保证连续供电和电网的电能质量。

1 文献综述和研究背景

文献[4]通过空间矢量算法实现有功和无功功率的独立解耦，但是没有在频率调节上进行研究。文献[5]对基于能量成型的控制方法和传统 PI 控制方法进行了对比仿真分析，主要是对比在并网和非并网条件下哪种方案更有效。文献[6]利用改进的粒子群算法得出微电网能源最佳配置方案。文献[7]提出一种计算量小的多能量协调控制策略，基于自然选择优化算法。文献[8]考虑到传统下垂算法不具备考虑线路压降和传统下垂算法调节频率不精确的问题，设计了改进型的下垂控制策略，但是只考虑了蓄电池单独调节微网频率，没有结合柴油发电机更深层次地探讨能量协调方法。文献[9]改进了下垂控制方法，但是没有进一步提出蓄电池作为用电设备对微电网的影响。文献[10]侧重于双馈风力发电机作为主要能量协调工具，当双馈风力发电机不能满足系统调频需要时，让蓄电池参与调频的控制方法。

本文以柴油发电机和蓄电池组合发电为例，针对独立微电网，提出了一种三层次控制策略。首先，在同步旋转坐标系分析了影响蓄电池出力大小的因素；其次，结合空间矢量电压调节(SVPWM)，提出了第一层蓄电池快速响应微网负荷突变，减小电压和频率变化；然后，在柴油发电机对负荷突变调节缓慢的基础上，提出第二层柴油发电机对电压和频率精确的调节策略；最后，结合实际，考虑到蓄电池电量低于50%时需要充电，提出第三层整体能量协调方案。

2 独立微电网控制结构

微电网的控制结构围绕三层次控制策略架构而成，如图1所示，主要由柴油发电机、蓄电池及系统控制中心(System Central Controller，SCC)组成。蓄电池组通过空间矢量电压调制连接到交流母线上，通过充放电操作，参与微电网的能量调节。

根据独立微电网的特性，即柴油发电机组较小的惯性和较慢的调节性能，在微电网功率供需不平衡时，考虑柴油发电机组、蓄电池组以及SCC动态相应时间特征，借鉴电力系统3次调频经验，将微电网动态响应分三步调节：第一步，蓄电池快速响应系统负荷变化，减小负荷冲击；第二步，柴油发电机稳定系统电压频率在额定值；第三部，SCC完成系统间电能调度。

图1 独立微电网控制结构

3 微电网动态响应

3.1 柴油发电机单独工作响应负荷冲击

图2是柴油发电机转速和转矩图。发电机工作在额定容量的80%，在第7秒时负荷突增5%，此时只有柴油发电机为负荷供电，可以看出柴油发电机在7 s前后转速和转矩波动较大。图中上面部分是微网的电压，在7 s时电压有效值突然降低了14 V左右，经过4 s的波动后恢复到原值；图中中间部分是柴油发电机的转速曲线，可以看出7 s时由于负荷突增，导致柴油发电机的转速下降到49.93 Hz，通过降低转速以补偿突增的负荷所需的电能；图中下面部分是柴油发电机的转矩曲线，在7 s时负荷突增，柴油发电机输出的电压和频率突然降低后，柴油发电机为了维持电压和频率稳定通过调大转矩的大小，增加输出功率。经过大约4 s的调节后，柴油发电机转矩增长到额定转矩的85%左右，频率稳定在50 Hz。

图2 柴油发电机单独工作转速和转矩图

3.2 柴油发电机与蓄电池协调供电

柴油发电机和蓄电池共同构成微网的供电单元，柴油发电机作为微电网的主要供电能源，蓄电池作为微网的辅助能源。柴油发电机工作在额定容量的80%，此时蓄电池满电状态，且不充电也不放电。当微网中负荷发生突增时，蓄电池快速响应，向微网中补充能量。

3.2.1 第一层蓄电池快速响应负荷冲击

以IGBT作为功率控制器，把通过IGBT的有功功率和无功功率进行解耦控制，控制蓄电池通过IGBT变流器后的电流方向和大小。把系统交流侧作为研究对象，d轴设置为参考轴，经过dq变换，可得出蓄电池输出的无功及有功功率。

P=ed×id

(1)

Q=-ed×iq

(2)

ed、eq、id、iq分别为dq变换后的电压和电流分量。可见，如果ed不变，通过控制id、iq就可以控制蓄电池输出功率的大小。

微电网在第7 s时负荷突变，蓄电池快速响应，根据公式(1)和公式(2)，可以计算出蓄电池组输出电流经过dq变换后的电流大小，根据能量守恒定律，调整输出电流id、iq的大小，快速响应负荷变化，减轻负荷突变对微电网的冲击。蓄电池响应负荷冲击如图3所示，蓄电池组在0.04 s内快速响应负荷冲击，迅速提高放电电流。图3上面是电流id曲线图，下面是电流iq曲线图。

图3 蓄电池响应负荷冲击图

图4 蓄电池工作时正负极电压差曲线图

图4是蓄电池工作时正负极电压差曲线图，微网在第7秒时负荷发生波动，蓄电池迅速响应，随着时间的推移，蓄电池正负极电压差逐渐减小，符合实际情况。

3.2.2 第二层柴油发电机响应负荷冲击

柴油发电机的作用是为微网提供稳定的电压和频率。图5是有蓄电池参与供电后微网发生负荷突变柴油发电机输出电压、频率和转矩图。柴油发电机工作在额定容量的80%，在第7秒时负荷突增5%，此时柴油发电机和蓄电池为负荷供电，可以看出柴油发电机在7 s前后转速和转矩波动较小。图中上面部分是微网的电压，在7 s时电压有效值突然降低了14 V左右，经过1 s的波动后恢复到原值；图中中间部分是柴油发电机的转速曲线，可以看出7 s时由于负荷突增，导致柴发的转速下降到49.985 Hz，大约1.5 s后恢复到50 Hz；图中下面部分是柴油发电机的转矩曲线，在7 s时负荷突增，柴油发电机输出的电压和频率小范围降低后，柴油发电机为了维持电压和频率稳定，通过上调转矩，增加输出功率。经过大约1.5 s的调节后，柴油发电机转矩增长了1%左右，随后维持稳定。

图5 柴油发电机输出电压、频率和转矩图

3.2.3 第三层整体能量协调

考虑到蓄电池组的使用寿命和经济性，蓄电池组一次放电到额定值的50%后，蓄电池就不再为负荷供能，需要先将蓄电池转移给柴油发电机，然后再给蓄电池充电。图6是微网在15 s时蓄电池电流id波形图，蓄电池在进行负荷转移和充电时要保证微网的电压和频率稳定，所以电流id绝对值是逐渐减小再增大。图7为微网电压和频率曲线图。

图6 微网蓄电池电流id波形图

图7 微网电压和频率曲线图

3 结论

针对微电网中柴油发电机单独供电时动态响应慢，且负荷变化容易引起微电网电压频率波动，本文提出了柴油发电机和蓄电池三层控制策略，该策略利用蓄电池快速响应特性，有效抑制了负荷波动引起的电压频率波动，配合SCC协调控制，保证了整个系统的经济性、稳定性。通过把上述策略在微电网平台上进行验证，得出以下结论。

1)负荷突增5%，柴油发电机单独供电时频率波动0.08 Hz，有蓄电池的微网频率波动0.01 Hz，同比下降了87.5%。

2)负荷突增5%，柴油发电机单独供电时电压突降14 V，有蓄电池的微网电压也下降14 V。

3)负荷突变，柴发单独供电时，波动经过4 s恢复原值；有蓄电池的微网经过1 s恢复原值，同比下降了75%。