孟杰，丁泉，黃超

(國電南京自動化股份有限公司，南京 210032)

基于孤島模式下V/f控制的微電網(wǎng)系統(tǒng)研究

孟杰，丁泉，黃超

(國電南京自動化股份有限公司，南京 210032)

介紹了鉛酸蓄電池的經(jīng)典一階模型及充放電電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并分別研究了有功和無功功率(PQ)源和V/f源儲能系統(tǒng)下雙向變流器的控制方式。結(jié)合西藏尼瑪縣可再生能源局域網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目背景，針對初期西藏尼瑪縣現(xiàn)場V/f源因過充或過放導(dǎo)致微電網(wǎng)潰網(wǎng)情況，提出一種基于孤島模式下儲能蓄電池的荷電狀態(tài)SOC(State of Charge)穩(wěn)定的控制策略，即控制V/f源下的蓄電池SOC在閾值附近小幅度波動，從而保持蓄電池小功率的充放電?；贓MTDC/PSCAD軟件對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)果表明了該控制策略的有效性，為孤島模式下微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了一種很好的解決方案。

鉛酸蓄電池；經(jīng)典一階模型；V/f源儲能系統(tǒng)；PQ源儲能系統(tǒng)；電池荷電狀態(tài)

1 可再生能源儲能概況

隨著風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等綠色能源技術(shù)的發(fā)展，帶動了儲能技術(shù)的迅速發(fā)展。儲能系統(tǒng)能夠快速提供有功功率，增強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)頻和調(diào)峰的能力，減小負(fù)荷峰谷差；同時(shí)儲能系統(tǒng)能大規(guī)模地儲存電能，可以在用電高峰、晚間或陰雨天氣下保證負(fù)荷正常工作。

西藏尼瑪縣可再生能源局域網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目主要由華電集團(tuán)援建，國電南京自動化股份有限公司承建，主要由光伏發(fā)電、柴油發(fā)電、儲能有功和無功功率(PQ)源和儲能V/f源組成。由于目前大電網(wǎng)還沒有覆蓋西藏尼瑪縣城，需依靠儲能V/f源為微電網(wǎng)提供穩(wěn)定的頻率和電壓。初期尼瑪光伏系統(tǒng)運(yùn)行中常出現(xiàn)潰網(wǎng)問題，主要原因是V/f源過充或過放引起的，尼瑪微電網(wǎng)項(xiàng)目的V/f源穩(wěn)定是解決潰網(wǎng)的方法之一，通過優(yōu)化控制策略在保證母線電壓和頻率穩(wěn)定的同時(shí)并維持儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)SOC(State of Charge)在一定范圍內(nèi)，保持蓄電池小功率的充放電。當(dāng)尼瑪縣城負(fù)載功率變化時(shí)，只進(jìn)行光伏系統(tǒng)、儲能PQ源和柴油發(fā)電系統(tǒng)相應(yīng)的功率調(diào)節(jié)。并在此思路上基于EMTDC/PSCAD軟件進(jìn)行仿真，結(jié)果表明該控制策略能有效解決微電網(wǎng)潰網(wǎng)問題，同時(shí)延長了蓄電池的壽命。

2 鉛酸蓄電池充放電控制器優(yōu)化

文獻(xiàn)[1]針對鉛酸蓄電池研究了兩階段脈沖充電模式，并在充分考慮了充電時(shí)間、溫度、開關(guān)頻率和脈沖周期對蓄電池的影響下提出一種快速充電方法。文獻(xiàn)[2]研制了多路電池組的充放電變換器，實(shí)現(xiàn)電池組間相互充放電的功能，能夠適用于寬范圍電壓的場合。本文針對西藏尼瑪縣可再生能源局域網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目運(yùn)行初期經(jīng)常潰網(wǎng)的情況，提出基于穩(wěn)定V/f源儲能蓄電池的SOC的控制策略，即當(dāng)蓄電池的SOC增大或減小到某個(gè)閾值附近時(shí)，儲能V/f源不再和外部進(jìn)行大功率的能量轉(zhuǎn)換，只保持小功率的充放電。儲能系統(tǒng)主電路如圖1所示。

2.1 鉛酸蓄電池經(jīng)典一階模型

文獻(xiàn)[3-4]中Massimo Ceraolo提出鉛酸蓄電池的三階動態(tài)模型主要包含2部分：主反應(yīng)支路和寄生反應(yīng)支路。主反應(yīng)支路主要用于描述電池端電壓變化情況，寄生支路用于描述電池內(nèi)部的水解和析氣反應(yīng)情況。經(jīng)典一階模型是在三階動態(tài)模型基礎(chǔ)上，簡化了三階模型中的寄生反應(yīng)支路，電氣模型如圖2所示。

圖2中E0為可控電壓源，主要受電池端的初始電壓、內(nèi)部溫度及當(dāng)前的荷電狀態(tài)影響，R1和C1分別為蓄電池的極化電阻和極化電容，R2為電解質(zhì)濃度等效電阻，R0為內(nèi)阻。

(1)

式(1)中：Em0為鉛酸電池的初始電壓，KE為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，T為電池內(nèi)部溫度，SOC為當(dāng)前荷電狀態(tài)。

(2)

(3)

式(2)，(3)中：Q0為蓄電池的初始容量。Qt表示電池消耗的能量，為充放電電流im對時(shí)間t的積分，放電時(shí)Qt逐漸增大；充電時(shí)，電流反向，Qt逐漸減小。

2.2PQ源儲能蓄電池充放電電路模型

蓄電池工作時(shí)，需雙向DC-DC電路對其進(jìn)行充放電。文獻(xiàn)[5]介紹了目前雙向DC-DC電路常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有兩大類：隔離型和非隔離型。其中非隔離型拓?fù)潆娐芬蛐矢吆统杀镜偷葍?yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。雙向BUCK-BOOST拓?fù)潆娐酚兄Y(jié)構(gòu)簡單和器件數(shù)量少等優(yōu)點(diǎn)，故本文蓄電池的充放電電路選擇BUCK-BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。蓄電池工作在BUCK電路下時(shí)，相當(dāng)于降壓變換器，光伏發(fā)電系統(tǒng)等外部能源可對蓄電池進(jìn)行充電；工作在BOOST電路下時(shí)，相當(dāng)于升壓變換器，蓄電池對外部負(fù)荷供電。

圖1 儲能系統(tǒng)主電路

圖2 鉛酸蓄電池一階模型

PQ源儲能系統(tǒng)的蓄電池可以采用兩階段充電模式：當(dāng)SOC較小時(shí)，采用單電流環(huán)控制策略，保證蓄電池快速的充電；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到SOC達(dá)到設(shè)定值時(shí)，此時(shí)蓄電池端電壓有明顯的升高，系統(tǒng)切換至恒壓充電。蓄電池放電時(shí)，采用恒電流控制。具體的放電和充電控制策略如圖3、圖4所示。

圖3 蓄電池放電時(shí)的控制策略

圖4 蓄電池充電時(shí)的控制策略

蓄電池放電時(shí)，如圖3所示，采取恒流控制，Iref2為設(shè)定的放電電流參考值，和實(shí)際檢測到的電流比較后進(jìn)入PI控制器，得到的信號和載波比較后生成開關(guān)管導(dǎo)通信號。電池充電時(shí)一般采取兩階段充電模式，如圖4所示。SOC比較低時(shí)，采用大電流充電，Iref1為設(shè)定的充電電流參考值，和實(shí)際檢測到的電流信號比較后進(jìn)入PI控制器；SOC比較高時(shí)，需采用恒壓充電，Uref為設(shè)定的充電電壓參考值，與實(shí)際檢測到的端電壓信號比較后進(jìn)入PI控制器。Option Switch根據(jù)檢測到的SOC值大小判斷是否進(jìn)行恒流充電或恒壓充電。

2.3 基于V/f源SOC穩(wěn)定的控制策略

西藏尼瑪縣可再生能源局域網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目運(yùn)行初期，因天氣變化或縣城負(fù)載突變導(dǎo)致現(xiàn)場V/f源儲能蓄電池常發(fā)生過充或過放情況，從而導(dǎo)致微電網(wǎng)潰網(wǎng)。針對該現(xiàn)象本文提出一種基于孤島模式下儲能蓄電池的SOC穩(wěn)定的控制策略，即維持V/f源下的蓄電池SOC在閾值附近小幅度波動，從而保持蓄電池小功率的充放電，當(dāng)天氣變化或負(fù)載突變時(shí)，能量管理系統(tǒng)后臺對其他能源進(jìn)行調(diào)度，V/f源不參與大功率流動。V/f源儲能系統(tǒng)蓄電池為了維持SOC的穩(wěn)定，需增加開關(guān)監(jiān)測SOC大小且在設(shè)定的SOC閾值點(diǎn)進(jìn)行充放電路的切換，具體的控制策略如圖5所示。

圖5中，Ic和Ubat是蓄電池充電電路采集到的電流和電壓信號，Iref1和Uref為相應(yīng)的參考值，實(shí)際采樣到的信號和參考值比較后進(jìn)入PI控制器，通過Option Switch 1檢測SOC大小來選擇恒流充電或恒壓充電。If是電路中采集到的放電電流信號，Iref2是放電電流參考值，兩者相比較后進(jìn)入PI控制器，通過Option Switch 2對蓄電池的SOC進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)SOC值達(dá)到閾值附近時(shí)進(jìn)行充放電的切換，以保持蓄電池小功率的充放電。

圖6 三相電壓型雙向變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖5 蓄電池充放電控制策略

3 孤島模式下雙向變流器模型

微電網(wǎng)中的多數(shù)電源需要通過相應(yīng)的變流裝置實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，目前雙向變流裝置最常用的有2種：電流源型和電壓源型。電流型變流器的主要特點(diǎn)是直流環(huán)節(jié)采用電感作為儲能元件，保證直流側(cè)電流穩(wěn)定；電壓型變流器的主要特點(diǎn)是直流中間環(huán)節(jié)采用大電容作為儲能元件，保證直流側(cè)電壓穩(wěn)定。本文以常用的電壓源型雙向變流器為研究對象，其主電路拓?fù)淙鐖D6所示。

圖6中，三相全橋直流側(cè)并聯(lián)大電容，交流側(cè)電流和電壓經(jīng)過濾波電路后并入母線。濾波器可以濾除變流器輸出電壓中的諧波分量，從而改善電能質(zhì)量。

變流器的低頻數(shù)學(xué)模型是基于基波分析，忽略了開關(guān)頻率所引起的高次諧波，文獻(xiàn)[6]在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)假設(shè)：電網(wǎng)三相電壓平衡；三相電感和電容參數(shù)相同，且都為理想元件；忽略開關(guān)器件的死區(qū)時(shí)間。電網(wǎng)電壓可以表示為

(4)

式(4)中：Um為電網(wǎng)相電壓的幅值，若電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流同頻同相，此時(shí)電流可以表示為

(5)

式(5)中：Im為并網(wǎng)相流的幅值，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，雙向變流器在abc坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程表示為

式(6)中：電感L=L1+L2，為了便于分析和設(shè)計(jì)，對其進(jìn)行dq變換，dq變換和反變換矩陣狀態(tài)方程表示為

(7)

(8)

3.1PQ源儲能系統(tǒng)變流器研究

分布式儲能系統(tǒng)的類型不同，其變流器在微電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)的功能也不同。目前變流器的控制方法主要有恒功率控制(PQ控制)和恒壓恒頻控制(V/f控制)2種。

采用恒功率控制，可以根據(jù)外界功率需求設(shè)定變流器的有功功率和無功功率參考，從而達(dá)到供需平衡。采用恒功率控制的儲能系統(tǒng)需電網(wǎng)或其他能源來維持系統(tǒng)的頻率和電壓。恒功率控制策略如圖7所示。

圖7 變流器恒功率控制框圖

圖7中，Pref和Qref分別為有功功率和無功功率的參考值；Pu和Qu分別為采樣到的有功功率和無功功率的實(shí)際值；id和iq分別為坐標(biāo)變換后并網(wǎng)點(diǎn)的電流。恒功率控制器結(jié)構(gòu)可以分為2個(gè)環(huán)節(jié)：外環(huán)功率控制環(huán)節(jié)和內(nèi)環(huán)電流控制環(huán)節(jié)。外部環(huán)節(jié)中，根據(jù)設(shè)定的變流器輸出或輸入功率參考值和實(shí)際值進(jìn)行比較，比較后的誤差進(jìn)入PI控制器，得到內(nèi)環(huán)控制的電流參考值。內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)采用dq坐標(biāo)變換，將坐標(biāo)變換的電流信號和之前得到的電流參考值進(jìn)行比較，對所得誤差進(jìn)行PI控制，并通過電壓前饋補(bǔ)償和交叉耦合補(bǔ)償，得到的電壓信號進(jìn)入坐標(biāo)反變換器中，生成三相電壓控制信號。

3.2V/f源儲能系統(tǒng)變流器研究

V/f源控制的目的是不論外部功率如何變化，變流器所接交流母線的電壓幅值和頻率保持不變。其中，電壓控制器調(diào)節(jié)分布式能源的無功功率，使系統(tǒng)電壓和設(shè)定的參考值相等；頻率控制器調(diào)節(jié)分布式能源的有功功率，使系統(tǒng)輸出頻率和設(shè)定的參考值相等。實(shí)際中，V/f儲能系統(tǒng)容量有限，只能提供有限的有功功率和無功功率支撐，因此需要提前估算系統(tǒng)中負(fù)荷和能源之間的功率匹配。V/f源變流器控制策略如圖8所示。

圖8 變流器恒頻恒壓控制策略框圖

圖8中采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)解耦的雙閉環(huán)控制，其中頻率控制是通過頻率參考值和初始相位角產(chǎn)生微電網(wǎng)的參考電壓，進(jìn)而通過鎖相環(huán)來參與坐標(biāo)變換與反變換過程來產(chǎn)生三相電壓的調(diào)制波，最終和載波進(jìn)行比較生成控制開關(guān)管的導(dǎo)通信號。

4 孤島模式下微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真

在EMTDC/PSCAD中搭建了如圖9所示的微電網(wǎng)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，分別對V/f源和PQ源控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。表1為單體鉛酸蓄電池性能參數(shù)。

圖9 微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真電路

項(xiàng)目參數(shù)電池型號LEOCHLP2-1．2AH額定電壓/V12．0額定容量/(A·h)1．2放電截止電壓/V10．8充電截止電壓/V13．5最大放電電流/A18

本文采用34個(gè)12V鉛酸蓄電池單體串聯(lián)，組成電池儲能單元，額定電壓為410V。

如圖9所示，系統(tǒng)母線連接V/f源、PQ源和負(fù)載，母線額定電壓為0.41kV，負(fù)載大小為0.1MW+j0.01MV·A，儲能蓄電池的SOC初始值為1.0。設(shè)定維持V/f源的儲能蓄電池SOC穩(wěn)定的閾值為0.8，仿真波形如圖10、圖11、圖12、圖13所示。

圖10 交流母線電壓有效值仿真波形(截圖)

圖11 系統(tǒng)頻率仿真波形(截圖)

圖12 系統(tǒng)A相電壓和電流仿真波形(截圖)

圖13 蓄電池SOC仿真波形(截圖)

V/f源儲能系統(tǒng)變流器經(jīng)dq坐標(biāo)變換后q軸電壓逐漸穩(wěn)定在參考值0.4kV附近，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在50Hz，蓄電池的SOC由初始值1.0下降到0.8時(shí)，逐漸穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

本文對鉛酸蓄電池經(jīng)典一階模型和充放電拓?fù)潆娐愤M(jìn)行了介紹，針對西藏尼瑪縣可再生能源局域網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目的V/f源因過充或過放出現(xiàn)潰網(wǎng)現(xiàn)象，研制了能夠穩(wěn)定V/f源蓄電池SOC的控制器，并給出了V/f源、PQ源和負(fù)載存在下的微電網(wǎng)仿真波形，仿真結(jié)果表明本文研制的蓄電池充放電控制器具有穩(wěn)定蓄電池SOC功能，讓其小功率的充放電，保證了微電網(wǎng)的穩(wěn)定工作，延長了蓄電池的使用壽命。

[1]HUA C C, LIN M Y. A study of charging control of lead-acid battery for electric vehicles[C]//IEEE International Symposium on Industrial Electronics.IEEE,2000:135-140.

[2]李立,劉剛.多電池組儲能系統(tǒng)雙向DC-DC變換器的研制[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2011,39(3):90-94.

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[5]彭秋波.10 kW釩液流儲能雙向變流器研制[D].湘潭：湘潭大學(xué),2014.

[6]武鳳霞.并網(wǎng)電池儲能系統(tǒng)中雙向變流器的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

(本文責(zé)編：劉炳鋒)

廣 告 索 引

鄭州光力科技股份有限公司

(封面)

北京新世翼節(jié)能環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?/p>

(封二)

華電技術(shù)

(封三)

鄭州科潤機(jī)電工程有限公司

(封底)

南京蘇夏工程設(shè)計(jì)有限公司

(前插1)

青島捷能汽輪機(jī)集團(tuán)股份有限公司

(前插2)

山東恒濤節(jié)能環(huán)保有限公司

(前插3)

青島高遠(yuǎn)熱能動力設(shè)備有限公司

(前插4)

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(前插5)

華電重工股份有限公司(跨版)

(前插6，7)

鄭州科源耐磨防腐工程有限公司(跨版)

(前插8,9)

華電重工股份有限公司

(目次頁右)

遼寧鴻盛環(huán)境技術(shù)集團(tuán)有限公司

(中插1)

大唐南京環(huán)?？萍加邢挢?zé)任公司

(中插2)

長沙開元儀器股份有限公司

(中插3)

南京大自然環(huán)境科技有限公司(跨版)

(中插4,5)

華電環(huán)保系統(tǒng)工程有限公司(跨版)

(中插6,7)

江蘇法爾機(jī)械制造有限公司

(中插8)

南京圣諾熱管有限公司

(后插1)

華東理工大學(xué)上海華昌聚合物有限公司

(后插2)

2017-06-22；

2017-07-28

TP 23

A

1674-1951(2017)08-0001-05

孟杰(1986—)，男，江蘇南京人，工程師，工學(xué)碩士，主要從事分布式能源及微電網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品與技術(shù)研發(fā)工作(E-mail:mj-jie.meng@sac-china.com)。

丁泉(1979—)，男，江蘇南京人，高級工程師，工學(xué)碩士，主要從事電力系統(tǒng)自動化相關(guān)技術(shù)的研發(fā)與管理工作(E-mail:quan-ding @sac-china.com)。

黃超(1991—)，女，江蘇南京人，工學(xué)碩士，主要從事分布式能源及微電網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品與技術(shù)研發(fā)工作(E-mail:hc-chao.huang@sac-china.com)。