含混合储能系统直流微电网分布式协调控制策略

张瑞成，翟电杰，张 怡

(华北理工大学 电气工程学院， 河北 唐山 063210)

随着人类对能源需求的不断增加，太阳能和风能作为清洁无污染、储存丰富的新能源，得到国际社会和专家的广泛关注[1-3]，但由于分布式电源(如风能和太阳能)受外界环境影响较大，风速、温度和光照的变化都会影响分布式电源的输出特性[4-5]。随着风能和太阳能系统规模变得越来越复杂，外界环境的变化对分布式电源输出功率稳定性的要求来越高，此时仅靠分布式电源不能维持系统安全运行。为了实现直流微电网运行稳定性、分布式电源间功率平衡以及系统电能质量的可靠性，需要在直流微电网中加入储能系统来补充由于分布式电源输出功率的随机性和随季节变化的不稳定特性，储能系统可有效地平衡系统间的功率平衡[6-8]。混合储能系统是由蓄电池和超级电容两部分组成，蓄电池能量密度大，可以吸收或放出来自母线的低频功率，而超级电容功率密度高可以吸收或放出来自母线的高频功率，他们在功率方面形成互补性，超级电容的接入可有效地减少蓄电池的充放电次数和提高蓄电池的使用寿命[9-10]，并对维持系统母线电压稳定起到重要作用。

目前，关于微电网中的储能系统的研究已经很多[11]，对不同类型的储能装置比较可以看出[12]。铅酸蓄电池能够达到分布式电源对能量密度的需求，但不能及时补充系统动态响应的特点[13-14]。文献[15]和[16]中介绍了超级电容本身具有的功率密度高和能量密度低的特点。直流微电网可采用蓄电池和超级电容组合在一起作为系统的储能系统[17-19]。

基于以上的分析，本研究提出一种含混合储能系统直流微电网分布式协调控制策略。蓄电池和超级电容级联在一起，在系统负荷发生突变时，混合储能系统中的储电池和超级电容可有效地吸收或补充系统的低频和高频功率，可有效地抑制负荷突变对系统母线电压的扰动。最后，通过Matlab/Simulink仿真验证直流母线电压的稳定性。

1 系统结构

含风机和光伏板的分布式发电单元的直流微电网系统结构如图1。风机和光伏板通过单向AC/DC和DC/DC变换器接入直流母线，混合储能通过双向DC/DC变换器接入母线，通过母线来对负荷进行供电。风能和太阳能都工作在最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)模式下，母线上接由直流负荷，蓄电池和超级电容通过级联的方式接入母线来补充发电单元和用电单元的不平衡，通过DC/AC变换器与电网相连，可工作在并网和孤岛模式下运行。

直流微电网功率流动关系如图2所示，在图2中，PDG表示分布式电源功率之和(风力发电和太阳能发电)；PHESS表示混合储能吸收或发出功率之和(蓄电池和超级电容)；Pgrid表示微电网输入电网功率；PL表示负荷消耗的总功率之和；Pw表示风力发出的功率；Ppv表示太阳能发出的功率；Psc表示超级电容输送功率；Pbat表示蓄电池输送功率。

图1 直流微电网系统结构图

图2 系统功率流动关系

直流微电网系统中，各个发电单元和用电单元间的功率关系式为：

PDG=PL+PHESS+Pgrid

(1)

Ppv=PDG-Pw

(2)

(3)

Psc=PHESS-Pbat

(4)

式中：s表示微分环节；1/τs+1表示系统低筒滤波环节；τ表示系统微分时间。

2 混合储能系统主电路结构及原理分析

含超级电容的混合储能系统拓扑结构等效电路如图3，该混合储能系统是由蓄电池和超级电容通过串联连接在一起，超级电容简化模型为一个理想电容和等效电阻串联在一起组成，Ubat表示储电池两端电压值，Rsc和Csc分别表示超级电容的等效串联电阻和电容，Usc-oc表示超级电容的开路电压值。变换器DC/DC1是由电感L2、开关管S3、S4和系统母线电容C2构成。变换器DC/DC2是由电感L1、开关管S1、S2和变换器DC/DC1构成。电感L1和L2流过的电流分别为IL1和IL2，IES表示混合储能系统输入母线电流值。

混合储能系统通过状态空间平均法转化的状态平均方程表达式为

(5)

当混合储能系统工作在Boost时，变换器DC/DC1，S4处于开关状态，S3关闭状态，θ1=1，α1=1-d1，d1代表DC/DC1的占空比值；变换器DC/DC2，S2处于开关状态，S1关闭状态，θ2=1，α2=1-d2，d2代表DC/DC2的占空比值。

图3 混合储能系统拓扑结构等效电路

当直流微电网系统母线电压发生波动，需要混合储能系统投入运行时，超级电容优于蓄电池最先投入到系统，通过超级电容快速充放来补充母线电压的高频功率，以此来稳定母线电压。超级电容电流电压的下垂特性如图4所示。

图4 超级电容下垂特性

图4中：Isc表示超级电容充放电电流值；Udc表示系统母线电压值；Iscmax和Iscmin分别表示超级电容充放电电流的最大和最小值；UL1、UL2、UH1、UH2表示超级电容的临界电压值；ksc表示超级电容的下垂系数值。根据系统母线电压值计算出超级电容充放电的参考电流值，当UL1

当直流微电网系统母线电压发生低频波动，超级电容不足以稳定母线电压时，则需要蓄电池投入补充低频功率来稳定母线电压。蓄电池电流电压的下垂特性如图5所示。

图5 储电池下垂特性

图5中：Ib表示蓄电池输送电流值；Usc表示超级电容两端电压值；Ibmax和Ibmin分别表示蓄电池输送电流的最大和最小值；Usc1、Usc2、Usc3、Usc4示超级电容的储能工作的临界电压值；kb表示蓄电池的下垂系数值。根据超级电容电压值计算出蓄电池输送的参考电流值，当Usc2

为了防止超级电容和蓄电池出现过放过充的现象，对混合储能系统设定运行范围。超级电容设定的最大最小运行电压为Usc1和Usc4，蓄电池主要是其本身核电荷量状态，其设定的最大最小的SOC为Sbmax和Sbmin。当系统运行过程中超出混合储能设定的安全运行范围值，超级电容和蓄电池将停止运行。

在系统母线电压发生变化时，为了避免混合储能系统出现开关管频繁开关的现象，增加蓄电池的使用寿命，现对母线电压进行分段，分成3个运行模式进行控制。

1) 运行模式1：当母线电压值处于UH1

2) 运行模式2：当母线电压值处于UL1

3) 运行模式3：当母线电压值处于UL2

3 仿真验证

3.1 仿真参数

依据图1的系统结构图在Matlab/Simulink中进行模型仿真验证，考虑系统运行在孤岛模式下，风机发电使用双馈发电机模拟代替、光伏发电使用光伏模拟器代替和负荷使用电阻代替。混合储能系统的参数如下，L1=100 μH，C1=1.5 μF，L2=1 mH，C1=1 μF，超级电容和蓄电池SOC的初始值为50%，储电池使用中航锂电池，额定电压为200 V，容量为60 A·h，超级电容值为20 F，系统母线电压为380 V，电压波动范围为±5%。

3.2 仿真结果分析

当外界负荷功率发生变化时，在储电池调整输出功率的同时，超级电容将迅速补充母线电压由于负荷变动引起的高频分量，从而降低负荷变动对母线和蓄电池的扰动，提高了系统的抗扰动能力，保持系统平稳运行。在0.5 s时，外界负荷突然增加，则混合储能运行功率输出情况如图6所示。

图6 混合储能功率输出

1) 运行模式1：在t=2 s时，负荷RL由原来的11 Ω增加为12.4 Ω，母线电压升高为389 V，混合储能迅速充电，吸收母线多余的功率以维持母线电压稳定，如图7所示。

图7 运行模式1下的仿真效果

2) 运行模式2：在t=2 s前，母线电压处在368 V

图8 运行模式2下的仿真效果

3) 运行模式3：在t=2 s时，负荷RL由原来的11 Ω减少为8.75 Ω，母线电压降低为368 V，混合储能迅速放电，补充母线缺失的功率以维持母线电压稳定，如图9所示。

图9 运行模式3下的仿真效果

仿真效果表明，当母线电压发生波动并在允许范围内时，混合储能系统可根据母线电压波动值切换到相应的运行模式中，使储能系统自行进行充放电。

4 结论

混合储能系统能够在母线电压发生波动时，通过蓄电池吸收或释放低频功率，以及超级电容快速吸收或释放高频功率来抑制负载突变对直流母线的冲击；混合储能系统在其工作模式下，超级电容和蓄电池可以自由地进行充放电，并利用其能量互补性，减少蓄电池的动作次数，延长使用寿命。