基于电压下垂法的直流微电网混合储能系统控制策略-文波

第39卷第4期电网技术Vol.39No.42015年4月PowerSystemTechnologyApr.2015文章编号：1000-3673（2015）04-0892-07中图分类号：TM721文献标志码：A学科代码：470·4051基于电压下垂法的直流微电网混合储能系统控制策略文波，秦文萍，韩肖清，王鹏，刘家赢（太原理工大学电气与动力工程学院，山西省太原市030024）ControlStrategyofHybridEnergyStorageSystemsinDCMicrogridBasedonVoltageDroopMethodWENBo,QINWenping,HANXiaoqing,WANGPeng,LIUJiaying(CollegeofElectricalandPowerEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,ShanxiProvince,China)ABSTRACT:AimingatstabilizingtheDCbusvoltageandoptimizingtheworkingprocessofthebatteries,thispaperpresentsacontrolstrategyofhybridenergystoragesystemsinDCmicrogridbasedonvoltagedroopmethod.Thecontrolstrategymakesuseoftheultracapacitorcompensatingthehigh-frequencycomponentsofbuspoweraccordingtotheDCbusvoltage,indirectlycompensateslow-frequencycomponentsofbuspowerthroughtheenergysupplementofthebatteriesontheultracapacitor,andtakesadvantageoftheunablemutationcharacteristicsofultracapacitorvoltagetoachievethesmoothcontrolofbatterycurrent.ThecontrolsystemcanautomaticallyswitchworkmodeaccordingtotheconditionsofDCbusvoltage,ultracapacitorvoltageandthestateofcharge(SOC)ofbattery.Theexperimentsshowthatthecontrolstrategycanautomaticallyadjusttheoutputofbatteriesandultracapacitor,maintainlightfluctuationofDCbusvoltagearoundrating,effectivelyreducethefrequencyofbatterycharginganddischargingandextenditsusinglife.KEYWORDS:DCmicrogrid;voltagedroopcontrol;ultracapacitor;battery;hybridenergystoragesystem;charginganddischargingcontrol摘要：以稳定直流母线电压和优化蓄电池工作过程为目的，提出了一种基于电压下垂法的直流微电网混合储能控制策略。该控制策略根据直流母线电压信息，利用超级电容快速补偿母线功率缺额的高频部分；通过蓄电池对超级电容进行能量补充，间接补偿母线功率缺额的低频部分；利用超级电容电压不能突变的特点，实现对蓄电池电流的平滑控制。控制系统以直流母线电压、超级电容电压及蓄电池荷电状态为判断条件，自动切换工作模式。实验表明，该控制策略可自动调节蓄电池和超级电容出力，维持直流母线电压在额定值附近小范围波动，有效地减小了蓄电池充放电次数，延长其使用寿命。关键词：直流微电网；电压下垂控制；超级电容；蓄电池；混合储能系统；充放电控制DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2015.04.003基金项目：山西省科技攻关项目(20120321005-02，20130321027-01)。0引言近年来，随着能源需求和环境问题的日益凸显，以清洁能源为主的分布式发电得到了广泛重视，微电网也因此产生[1-3]。微电网多以交流为主，但直流微电网系统结构简单，能量转换少，供电质量高，相比交流微电网更有优势[4]。随着配电系统的发展，越来越受到人们的重视。由于可再生能源输出功率的间歇性和随机性，储能系统已经成为直流微电网的重要环节，具有重要的研究意义[5-8]。蓄电池能量密度大，在储能设备中得到广泛应用。为了维持微电网内部瞬时功率平衡，稳定直流母线电压，储能系统往往需要频繁地吸收或发出较大功率，频繁的大功率充放电会严重影响蓄电池的使用寿命[9-10]。超级电容器因具有功率密度高、循环寿命长等优点，研究蓄电池超级电容混合储能的控制方法，稳定直流母线电压，逐渐引起了国内外学者更多的关注[11-13]。文献[14]提出一种根据蓄电池的输出电流计算超级电容补偿电流的混合储能控制思路。文献[15-17]从微电网功率缺额入手，提取储能功率的高频和低频分量，分别对超级电容和蓄电池进行控制。以上文献很好地抑制了蓄电池的充放电电流，但并未有效减少其充放电次数。文献[18]提出了一种多滞环调节的混合储能控制方法，减少了蓄电池的充放电次数，但未实现蓄电池电流的平滑控制。本文在分析直流微电网稳定运行对储能需求的基础上，采用蓄电池-超级电容级联的方式构成混合储能系统[19]，提出一种基于电压下垂法的直流微电网混合储能控制策略。利用超级电容器电压不能突变的特点，实现对蓄电池电流的平滑控制；利用对电压的分段控制，减少蓄电池充放电次数，延长其使用寿命。通过实验验证了所提出的混合储能第39卷第4期电网技术893控制策略的有效性。1混合储能系统结构及原理分析直流微电网主要由分布式微电源(风力发电机、光伏等)、电力电子变换器、储能装置和负荷组成，并可以通过公共并网点与大电网相接。对于直流微电网，由于不需要考虑无功功率，直流母线电压是直流微电网最重要的指标，反映了系统功率的平衡问题[20]。直流微电网可以并网和孤网运行，在并网模式下，母线电压由并网逆变器衡定，这里不做讨论，本文只在孤网模式下进行研究。为了简化分析，假定分布式能量仅来自光伏电池，系统简化结构如图1所示。蓄电池经过DC-DC2变换器与超级电容相连，构成混合储能系统，再经DC-DC1变换器与直流母线相连；光伏电池经过DC-DC3变换器与直流母线相连；把分布式发电系统中的直流负载、独立运行逆变器统称为直流母线的负荷。光伏电池蓄电池超级电容器直流母线负荷PPVPESPLoadDC/DC2变换器DC/DC1变换器DC/DC3变换器图1简化的直流微电网结构Fig.1SimplifiedstructureofDCmicrogrid图1中，PPV为光伏电池的输出功率，PES为混合储能系统的输出功率，PLoad为负荷功率，则直流母线的功率平衡方程为ESLoadPVPPP=-(1)即光伏发电单元与负荷之间的功率差额由混合储能系统来平衡。鉴于超级电容是功率型储能元件，能够在短时间内提供较大功率，本文将超级电容器经DC-DC1变换器与直流母线相连，通过超级电容的充放电平衡直流母线功率波动的高频部分，稳定母线电压。由于超级电容器容量有限，对低频功率波动的响应会导致超级电容容量匮竭或盈余，从而无法补偿母线功率波动。因而加入蓄电池储能，根据超级电容的电压信息对蓄电池进行充放电控制，使超级电容的电压维持在正常工作范围内，间接地补偿直流母线功率波动的低频部分。图2为混合储能系统控制原理图。图2中，Ibat为蓄电池电流，SOCbat为蓄电池荷电状态，Usc为超级电容端电压，Udc为直流母线电压，IES为混合储能系统注入直流母线的电流。图2混合储能系统控制原理图Fig.2ControlprinciplediagramoftheHESS控制系统1的作用：当直流母线电压稳定在给定范围时，根据蓄电池荷电状态(SOCbat)控制DC-DC1变换器停止工作或对超级电容限流充放电，维持系统储能在一个中间水平；当直流母线电压超出给定范围时，控制DC-DC1变换器运行在单端稳压工作模式，采用电压下垂控制稳定直流母线电压。控制系统2的作用：当超级电容电压稳定在给定范围时，DC-DC2变换器停止工作，防止蓄电池频繁动作；当超级电容电压超出给定范围时，控制DC-DC2变换器对超级电容充电或放电，防止其容量匮竭或盈余。2系统主电路与控制策略2.1混合储能系统主电路分析将超级电容等效为理想电容与一个等效串联内阻的简化模型，混合储能系统等效电路如图3所示。图3中，Ub为蓄电池端电压，Csc与Rsc分别为超级电容元件的等效电容和等效串联电阻，Usc_oc为超级电容的开路电压。电感L2、开关管S3、S4及直流母线电容C2构成DC-DC1变换器，电感L1、开关管S1、S2及超级电容构成DC-DC2变换器。IL1、IL2分别为电感L1和L2的电流。图3混合储能系统等效电路Fig.3Equivalentcircuitofthehybridenergystoragesystem通过状态空间平均法建立系统的状态平均方程为111b1sc_ocsc112sc_ocsc112222sc_ocsc1122dcdc222Loadd{[()]}dddd[()]dddLLLLLLLLLILUURIItUCIItILURIIUtUCIItqaaaqaaaì=-+-ïïï=-ïíï=+--ïïï=-î(2)894文波等：基于电压下垂法的直流微电网混合储能系统控制策略Vol.39No.4方程中的1q、2q、1a和2a按以下原则取值。1）DC-DC1变换器工作在Boost模式时，S4工作在开关状态，S3锁闭，θ1=1，α1=1-d1，其中d1为该模式下DC-DC1的占空比。2）DC-DC1变换器工作在buck模式时，S3工作在开关状态，S4锁闭，θ1=-1，α1=1d¢，其中1d¢为该模式下DC-DC1的占空比。3）DC-DC2变换器工作在boost模式时，S2工作在开关状态，S1锁闭，θ2=1，α2=1-d2，其中d2为该模式下DC-DC2的占空比。4）DC-DC2变换器工作在buck模式时，S1工作在开关状态，S2锁闭，θ2=-1，α2=2d¢，其中2d¢为该模式下DC-DC2的占空比。2.2电压下垂稳压原理根据式(1)有ESLoadPVESdcdcPPPIUU-==(3)假设光伏电池的发电功率PPV与负载功率PLoad不受直流母线电压影响(实际上PPV与PLoad影响直流母线电压)，理论上讲，给定一个直流母线电压Udc，无论PPV与PLoad怎么变化，总能得到一个IES使得等式成立。换言之，只要储能系统能提供足够大的电流，无论光伏发电功率及负荷如何变化，直流母线电压都能保持稳定。实际中，储能系统电流不可能达到无限大，不能使直流母线电压Udc稳定于某一定值；但母线电压允许有小范围波动，只需将其稳定在一定范围内即可。直流母线电压与负荷和光伏功率差额之间存在如下下垂关系：dcdc_refLoadPV()UUPPb=--(4)式中：b为功率下垂系数；Udc_ref为负荷与光伏功率相等时的母线电压。式(4)可变形为dc_refdcLoadPVUUPPb--=(5)由式(3)(5)可得dc_refdcdc_refdcESdc_refdcdcdc_ref()UUUUIkUUUUbb--=»=-(6)式中k为电压下垂系数。故可采用下垂控制来稳定直流母线电压，控制框图如图4所示。通过合理的k的取值，根据式(6)计算出IES的给定电流计算UdcPIUdc_refIES_refIESP