微网中储能系统控制策略研究

(华北水利水电大学电力学院，河南 郑州 450000)

0 引言

随着环境的污染和传统能源危机，可再生能源的开发与利用成为当今社会的焦点。由于可再生能源具有间歇性和不稳定性，在并网时会影响电网的稳定[1]。微电网的协调控制策略控制储能系统有效地改善了电网的质量和维持电网的平衡[2]。文献[3]提出了改进微电网能量优化调度策略，使微电网的频率和电压保持稳定。大规模的间歇性能源并网使得传统电源的容量难以满足电网调频需要，储能技术的发展恰好为控制电网频率提供了解决方案。

微网在供电时，由于分布式供电电源的种类不同，各种微源的结构特性、出力特性、反应特性也都不同，还有各种因素的影响，微网负荷的突变会引起的电压和频率的突变，风力发电机和径流式水轮机在暂态响应时反应缓慢，而蓄电池的快速反应特性，可以快速为微网提供和消纳微网缺少和多余的电能。因此提出了PQ和V/F联合的制策略。

1 微电网系统的结构设计

1.1 水轮机建模与仿真

水轮机及引水系统是将水源引入水轮机并带动水轮机转动，是发电设备的原动机。在水轮机和引水系统的数学建模中，为了方便数学建模，一般会忽略水阻、认为引水管道是刚性的且水体积始终不可变、水速与导叶位置和水头的平方根成正比、水轮机输出功率与水头与水流量之积成正比[4-5]。

通过数学模型进行分析，给出了柴油发电机的仿真模型，如图1所示。

图1 柴油发电机的仿真模型

1.2 风力发电系统建模与仿真

风力机工作状态获取的功率为:

风能利用系数函数表达式为：

2 储能的PQ/VF控制策略

2.1 PQ控制策略

PQ 控制策略主要控制分布式能源的有功出力和无功输出无限接近参考值，即在网侧的负荷发生突变时，微网的频率和电压趋于动态变化，分布式能源均不参与出力，始终保持其有功和无功的出力不变，同时网内频率和电压由外部支撑。微网中由于分布式能源的间歇性和不稳定性，微源的出力不稳定，为了增加分布式能源的出力，一般在其输出环节采用PQ控制，通过最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)，最大化地输出功率。PQ控制的实质是使无功和有功功率实时跟随给定值，所以PQ控制在调节时无法满足电压和频率不变。

2.2 V/f 控制策略

V/F控制策略和PQ控制策略类似，V/F控制在保证电压和频率稳定的情况下，提高了对采用V/F控制策略的微源的要求，V/F控制要求微源有足够的容量可以持续性稳定的为微网供电。选用 V/f 控制策略时，微网的母线频率和电压幅值为首要调节对象，即在分布式能源受外界影响出现出力波动时，交流侧的频率和电压幅值均稳固在额定值附近，以保持微网的频率和电压。微网中，对于储能电池等连续性微源，可以保持稳定的输出功率，并能根据负荷和电网的状态变化而调整其出力值，所以这类微源更适于采用 V/f 控制，用于维持微网运行频率和电压的稳定。

2.3 PQ/VF控制策略

针对不同控制策略的特点，提出了一种PQ和V/F联合控制以适应微网中不同时间段负荷的变化的控制策略，如图2所示。PQ和V/F联合控制策略在进行相互转变时，存在多个问题会导致控制策略切换失败，影响微网电能质量，严重时导致微网崩溃。因此，合理的控制策略对微网的稳定运行至关重要。图3-28是PQ和V/F联合控制策略结构图。当原始状态为使用PQ控制策略，需要改变为V/F控制策略进行控制时，开关K1和开关K2同时由上边打到下边；当稳定状态为使用V/F控制策略，需要改变为PQ控制策略进行控制时，开关K1和开关K2同时由下边打到上边。

图2 PQ和V/F联合控制策略结构图

简单的将两种控制策略直接合成联合控制策略，可能会导致控制策略切换失败、微网崩溃，所以针对这两个问题，提出了一种改进型的PQ和V/F联合控制策略，以提高控制策略切换时的微网稳定性。平稳直流母线电压并使其达到稳定是储能系统工作的关键环节。稳定的直流母线电压可确保直流负载的平稳运行，当直流母线的电压升高时，即风机输出功率大于负荷所需要的功率，这时需要储能系统将溢出的能量进行吸收，储能系统进行充电； 而当母线电压降低时，风机的输出功率小于负荷所需的功率，那么储能系统需要放电释放能量对负荷进行功率补偿，此时储能系统处于放电状态。

风机整流器工作在恒压状态输出时，采用电压外环、电流内环的双闭环控制来实现直流母线电压稳定的目标。从检测到的瞬时值中减去由直流母线电压设置的参考值，并且通过PI控制器电压外环获得该差值，以得到风机输出电流的参考值，再与风机实时输出电流作比较，其差值通过电流内环PI控制器调整。总体控制策略如图3所示。

图3 总体控制策略图

3 仿真分析

负荷较轻时，分别采用了V/F控制和PQ控制。负载发生突变时，频率调节缓慢，一段时间内频率在50 Hz波动，最终调节到了50 Hz，但是频率波动范围相较小很多。这里也体现了PQ控制在调节时，频率在一段较长时间内会有一些波动。当负荷从较轻工况上升到较重工况时，风力发电机需要接入到微网中分担一部分负荷，PQ和V/F联合控制策略需要由PQ控制变换到V/F控制。负荷很重工况是指径流式水轮机输出功率达到了临界值0.25 MV，风力发电机输出功率达到了临界值0.08 MV，此时只能依靠蓄电池调节微网的电压和频率。仿真中在30 s时让微网有功功率增加10%，在50 s时让微网有功功率减少15%。

图4是当负荷从较重工况上升到很重工况时，2种控制模式都工作在V/F控制策略。此时两种控制策略下的微网电压、频率、蓄电池有功输出、径流式水轮机有功输出和柴油发电机有功功率输出图形是一样的。

图4 交流母线频率对比图

4 结语

本文研究混合储能设备作为孤岛运行模式下风机和径流式水电直流微电网和负载运行时的状态，通过其充放电来维持系统的功率平衡，从而确保直流母线的电压质量与系统的稳定性，同时实现了直驱风机的平稳出力，保证了稳定的有功输出。仿真结果验证了本文提出的以满足可变负载功率需求及平抑风机功率波动的混合储能系统、以直流电压恒定为目标的混合储能系统控制策略的正确性和有效性。本文只讨论了单台风机并入直流微网的稳定情况，没有对多机系统进行分析。未来可对规模化新能源接入直流微网系统的稳定问题进行分析研究。