光伏微电网中混合储能系统的协调控制研究*

缑新科 杨 财

（兰州理工大学电气工程与信息工程学院 兰州 730050）

1 引言

太阳能光伏发电技术是目前备受关注和推广的分布式清洁能源之一，在含光伏的微电网中，以充电站等直流负载的形式实现分布式能源的就地消纳，能有效解决新能源消纳问题，提高新能源发电的经济性［1～2］。但光伏发电具有间歇性、波动性等特点，可在微电网中加入储能装置平抑光伏发电的出力波动、减小微电网中负荷发生突变等情况引起的功率、电压波动，提高系统运行的稳定性［3～4］。传统的单一储能方式受储能设备特性的限制，无法较好地同时响应系统对功率和能量的需求，还会由于频繁充放电缩短储能设备寿命［5～6］。因此，将两种具有不同特性的储能设备进行组合，能更大程度的满足微电网系统的需求。文献［7］和文献［8］在风光混合的系统中采用了电池储能，但单一的电池储能常会由于频繁的充放电缩短使用寿命；文献［9］在离网运行的风电系统中，简化了储能系统的控制结构，但半主动型结构中的DC/DC变换器往往会增加系统成本和风险；文献［10］中所提方法减小了蓄电池的电流波动，但未考虑储能设备的充放电保护问题；文献［11］所提方法仅考虑了超级电容的充放电保护，而传统的充放电保护中，当蓄电池荷电状态达到过充、过放保护值时，会直接切断设备的充放电过程，缺乏过渡，容易造成系统内功率的较大波动。

本文在光伏微电网中选用锂电池和超级电容进行组合作为储能系统，通过功率分配协调两者的充放电功率，并在储能设备充放电管理中加入功率调整区改进充放电保护措施，再通过并网变换器的控制实现微电网的并网运行。最后，在软件中搭建该系统的模型，通过多种工况下的仿真运行，验证所提方法的有效性。

2 光伏微电网系统

2.1 系统结构

光伏微电网系统的结构如图1 所示。混合储能系统采用全主动式结构［12］，储能设备分别通过独立的双向DC/DC 变换器接入直流母线。光伏发电系统作为微网中的电源；电动汽车（EV）充电站由动力电池和DC/DC 变换器组成。整个微电网经由AC/DC变换器连接到大电网。

图1 光伏直流微电网系统结构图

2.2 微电网运行模式

1）孤岛运行

当微电网孤岛运行时，微电网中的功率平衡主要通过控制储能系统的充、放电来维持。根据微电网结构及系统内功率平衡关系可知，储能系统的输出功率为

式中：Phess为混合储能系统整体的放电功率，由锂电池和超级电容放电功率Pbat和Psc两部分组成；Ppv为光伏阵列的发电功率；Pload和Pev分别为直流负载功率和电动汽车充电功率；Pdc为维持直流母线电压所需的功率，由母线电压误差值经PI 控制器后所得到的电流参考值与母线电压实际值相乘得到。

2）并网运行

微电网并网运行时，与大电网相连。并网变换器是微电网与大电网的能量传输通道，通过并网变换器的控制可实现能量的双向传输，从而对直流侧母线电压进行调节。此时有：

式中：Pg定义为由微电网流入大电网的功率。

3 协调控制策略

3.1 混合储能系统控制策略

锂电池能量密度大但功率密度低、循环寿命短，而近几年研究较多的超级电容功率密度大、响应速度快、循环寿命长但能量密度低［13］。因此，将两种储能方式相结合，既能延长储能系统的使用寿命、减小所需的锂电池容量，还能提高微电网中母线电压的抗扰动能力和储能系统响应速度［14～15］。

本文采用二阶低通滤波器对混合储能系统所需提供的参考功率进行分配，分解后得到的低频、高频分量分别作为两个储能设备的参考输出功率，可表示为

式中：G(s)为低通滤波器的传递函数；Pbat-ref和Psc-ref分别为锂电池和超级电容参考输出功率。ωn和ξ分别为滤波器的自然角频率和阻尼系数。

通过功率分配得到储能设备的参考输出功率后，将其作为变换器控制部分的输入信号，采用图2 所示的控制方式产生DC/DC 变换器的控制信号，实现储能设备的充、放电状态控制。图中，Px-ref为分配后的放电功率参考值，ux和ix分别为储能设备端电压和输出电流；当x分别为bat、sc时，上述参数分别为锂电池、超级电容的相关参数；S1、S2为锂电池变换器开关元件，S3、S4 为超级电容变换器开关元件。

图2 双向DC/DC变换器控制结构图

3.2 改进的功率调整策略

储能设备的传统充放电保护中，通常仅在设备的荷电状态（State of Charge）达到保护值时切断设备的充放电，但同时容易产生较大的功率变化，本文通过加入功率调整区，以减小储能设备状态切换时造成的系统内功率波动，优化储能设备的保护措施。

分别取SOC≥80%、SOC≤20%为过充、过放区；70%＜SOC＜80% 、20%＜SOC＜30% 为过充、过放功率调整区；30%≤SOC≤70% 为正常工作区。当设备处于过充（过放）或对应功率调整区但需进行放电（充电）时，按式（7）计算，即不做调整；当设备处于其他工况时，采用式（7）～（10）进行功率的调整计算。

式中：Px-ref、P′x-ref分别为功率调整前、后储能设备的参考输出功率；k1、k2为调整系数，由设备SOC 获得；SOCx为储能设备当前的荷电状态。当上述公式中的x 分别为bat、sc 时，上述参数分别为锂电池、超级电容的参数。本文通过曲线拟合将充、放电功率调整系数设置为

根据上述调整策略，可得到图3 所示的功率调整曲线。

图3 功率调整曲线

3.3 并网AC/DC控制策略

由功率平衡可知，并网变换器直流侧与交流侧电流、电压满足如下关系：

式中：udc、ig为直流侧电压、直流侧流入变换器的电流，两者的乘积Pg即为微电网向大电网传输的功率；uac_d和iac_d分别为变换器交流侧三相电压、电流的d 轴分量。由式（13）可知通过控制iac_d可实现直流微电网与大电网的功率传输控制［16～17］。微电网并网运行时，采用如图4所示控制结构。

图4 并网AC/DC控制结构图

图中，Ps=Ppv+Phess-Pload-Pev；ω和L 分别为交流侧角频率和滤波电感。由交流侧三相电压、电流经过PLL锁相及dq变换获得电压、电流的d轴和q轴分量；电流的d 轴参考值由有功参考值产生；电流的q轴参考值设为0；经过解耦控制后，再通过逆变换及SPWM得到控制信号，实现并网变换器的控制。

4 仿真分析

根据所提出的系统结构及控制方法，在Matlab/Simulink 软件中搭建了系统的仿真模型，针对不同的运行工况进行了仿真，模型中的主要仿真参数设置如表1所示。

表1 仿真参数设置

孤岛工况：微电网处于孤岛运行模式下，即断开与交流电网的连接，此时Pg 为零。初始状态时负载设置为9kW，光伏发电输出功率为20kW。0.6s时接入电动汽车充电负载6kW，1s时退出；0.8s时直流负载突增至18kW，1.4s时降至13.5kW；光伏发电功率1.2s 时下降5kW，1.6s 时恢复20kW。仿真结果如图5所示。

图5 孤岛工况仿真结果

由图5 的仿真结果可以看出，孤岛运行时，若微电网中任意组成部分的功率发生变化，均会造成直流母线电压的波动。当微电网系统中的光伏发电出力大于负载消耗功率时，系统中的剩余功率主要由锂电池充电进行吸收；而当光伏发电出力小于负载消耗功率时，则由锂电池放电补充系统中的功率差额。在负载出现功率突增或光伏出力降低时，超级电容会迅速响应，在较短时间内放电补充系统中的功率缺额，而锂电池放电功率会逐渐过渡到新的参考值；负载功率降低或光伏出力增加时，超级电容快速动作，吸收短时间内的功率冲击，而锂电池会过渡到新的功率参考值以维持系统稳定。

并网工况一：微电网处于并网运行模式下。仿真时负载功率与光伏发电的输出功率变化与孤岛工况相同。但由于并入大电网，增加了流入大电网的功率Pg，其目标值为5kW。得到图6所示的仿真结果。

图6 并网工况一仿真结果

从图6 可以看出，在仿真条件与工况一相似的情况下，并网运行时存在微电网与大电网间的能量传输。当微电网能量充足时，Pg 大于零，此时由微电网向大电网输出功率，大电网可以看作微电网的一个负载，微电网内的功率波动主要由储能系统进行调节，使并网功率维持稳定。

并网工况二：并网运行模式下，仿真时负载功率设置为18kW；锂电池SOC 设置为20%。在0.8s时光伏出力由20kW 降至10kW，即光伏发电功率小于负载消耗功率，且锂电池处于过放区，无法对微电网中的功率缺额进行补充。仿真结果如图7所示。

图7中，由于缺乏锂电池的功率调节作用，当微电网中光伏出力小于负载需求时，Pg由大于0减小至小于0，即由微电网向大电网输出功率转为由大电网向微电网注入功率，补充微电网中的功率缺额，此时微电网内的功率波动主要由大电网进行调节，母线电压也会产生较大波动。

图8为以锂电池为例，当设备SOC 达到过充、过放及功率调整区时的仿真波形。仿真时，超级电容初始SOC 设置为60%；并网功率目标值为5kW；初始负载为9kW；0.4s 时负载突增至18kW，0.9s 时再降到9kW；光伏发电功率初始为14.5kW，0.7s 时上升至20kW。图8（a）中锂电池初始SOC 分别为20%、24%，即工作状态分别处于过放区、过放功率调整区；图8（b）中锂电池初始SOC 分别为80%、76%，即工作状态分别处于过充区、过充功率调整区。

图8 改进的功率调整策略仿真结果

由图8 可知，采用改进的功率调整策略后，在储能设备充（放）电过程中，若设备SOC 达到过充（过放）功率调整区时，便对参考功率进行调整计算，若设备SOC 达到过充（过放）区时，则仅可进行放电（充电）。可以看出，当某一储能设备处于过充（过放）调整区时，仍能较好地抑制母线电压的波动，抑制效果虽略差于储能设备处于正常工作区时，但调整策略减小了储能设备达到保护限值时，状态切换造成的功率变化差值，对降低设备输出功率波动及延长设备的使用寿命等方面具有积极作用。

5 结语

本文将混合储能系统应用于光伏直流微电网中，提出一种改进的功率调整策略及平滑系统功率波动的协调控制方法，并搭建了所提系统的仿真模型。分别针对负荷及光伏发电功率突变、储能设备功率调整等不同运行状况进行了仿真。仿真结果显示出混合储能系统的加入对稳定光伏直流微网母线电压的积极作用及本文所提出的控制方法对减小微电网功率波动、提高母线电压抗扰动能力的有效性。