趙永來

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧 沈陽 110003)

為滿足能源利用可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需求，近些年來可再生能源發(fā)電技術(shù)得到極大關(guān)注并取得了一定的進(jìn)展[1]。由于新能源的特殊性，因此這類電源的接入會給系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性及供電可靠性帶來一定的負(fù)面影響[2-3]。在微電網(wǎng)運行時，常將柴油發(fā)電機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池等輸出功率穩(wěn)定且容量較大可控型微電源對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，用來維持系統(tǒng)電壓與頻率穩(wěn)定。出于經(jīng)濟(jì)成本考慮，采用控制靈活、便捷的儲能裝置來平抑微電網(wǎng)系統(tǒng)功率波動目前是一項最佳選擇[3-7]。通過調(diào)節(jié)儲能裝置功率輸入輸出，可以在一定程度上抑制系統(tǒng)功率的波動性和非預(yù)測性，實現(xiàn)微網(wǎng)穩(wěn)定可靠運行。

然而多種間歇性非可控微電源和可控型微電源的接入，對微電網(wǎng)的運行與控制提出巨大的挑戰(zhàn)。如何提高微電網(wǎng)的供電質(zhì)量和并網(wǎng)運行的可調(diào)度性已成為當(dāng)今一項重要課題[8-12]。近些年國內(nèi)外一些文獻(xiàn)對微網(wǎng)的運行與控制采用下垂控制方式，但是在孤島運行時各分布式電源功率不能得到合理分配，動態(tài)過程中容易產(chǎn)生較大的功率振蕩、系統(tǒng)控制環(huán)控制參數(shù)復(fù)雜、可控微源切換過程中的功率缺額以及并網(wǎng)離網(wǎng)運行模式下平穩(wěn)過渡系統(tǒng)穩(wěn)定性問題都是有待于解決的。

本文將基于超級電容器與蓄電池的混合儲能系統(tǒng)并聯(lián)在微電網(wǎng)上，采用模糊滑?？刂品绞綄旌蟽δ苎b置進(jìn)行控制，通過仿真驗證該方法具有優(yōu)越性，從而使微網(wǎng)得到更為精確的控制。

1 微電網(wǎng)系統(tǒng)基本原理

1.1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)由非可控型微源風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Wind)、光伏電池(PV)和可控型微源柴油發(fā)電機(jī)(DE)、微型燃?xì)廨啓C(jī)(MT)、燃料電池(FC)以及混合儲能裝置(超級電容器與蓄電池)組成。每個微源通過變流器與母線聯(lián)接并與相應(yīng)的負(fù)荷并聯(lián)，微電網(wǎng)通過PCC點與大電網(wǎng)連接。含混合儲能系統(tǒng)的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 含混合儲能的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.2 微電網(wǎng)電源控制方式

微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行時，將光伏電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為主電源為電網(wǎng)和負(fù)荷供電，可控型微源柴油發(fā)電機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池與微網(wǎng)斷開。光伏電源與風(fēng)力機(jī)均采用PQ控制方式。由于并網(wǎng)時非可控型微源輸出功率具有波動性，從減少充放電次數(shù)和提高使用壽命的角度考慮，將超級電容器與蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)，采用下垂控制方式來實現(xiàn)平抑微電網(wǎng)的功率波動，從而提高微電網(wǎng)并網(wǎng)的電能質(zhì)量。

微電網(wǎng)在離網(wǎng)運行時，將可控型微源作為微網(wǎng)主電源，采用VF控制維持微電網(wǎng)電壓和頻率穩(wěn)定，此時非可控型微源與微網(wǎng)斷開。根據(jù)負(fù)荷需求在投切可控型微源時會產(chǎn)生功率波動，由于超級電容器功率因數(shù)較大，因此采用超級電容器來平抑可控微源投切過程中的功率波動，蓄電池通過充放電用來維護(hù)系統(tǒng)整體性能的穩(wěn)定。此時儲能裝置采用下垂控制方式。具體的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2—圖4所示。

圖2 PQ控制結(jié)構(gòu)框圖

圖3 VF控制結(jié)構(gòu)框圖

圖4 下垂控制結(jié)構(gòu)

2 混合儲能系統(tǒng)控制策略

由于超級電容器與蓄電池功能特性具有互補(bǔ)性，采用合理的控制方式不僅降低投資成本，更能有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[13]。微電網(wǎng)在并入電網(wǎng)時，采用混合儲能裝置共同投入運行；微電網(wǎng)在脫離大電網(wǎng)或者投切負(fù)荷時，投入超級電容器進(jìn)行平波，蓄電池主要用作離網(wǎng)時主要電源。

2.1 儲能裝置逆變器控制方式

滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種解決非線性控制問題的魯棒控制方法，主要用于處理建模的不精確性。但變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)由于開關(guān)切換、系統(tǒng)故障等非理想因素的影響，使滑動模態(tài)容易產(chǎn)生高頻抖振[14-15]。介于模糊控制和滑模控制優(yōu)缺點以及相關(guān)性，本文將二者組合成模糊滑模控制器應(yīng)用到混合儲能裝置中，其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

采用滑?？刂瓶梢钥朔?shù)不確定性和外部干擾。根據(jù)以往經(jīng)驗設(shè)計模糊控制器，采用模糊控制方式可以減輕滑?？刂频亩墩駟栴}。一個閉環(huán)模糊滑動模式控制器如圖6所示。該控制器可以使有功和無功功率保持恒定輸出。該模糊滑?？刂扑惴ň褪峭ㄟ^滑模控制器對誤差和誤差變化率進(jìn)行切換，同時對切換函數(shù)和切換函數(shù)微分進(jìn)行模糊化，經(jīng)過模糊推理和解模糊化后，最后經(jīng)過模糊控制器得到輸出控制量u，并對控制對象進(jìn)行控制。

圖5 混合儲能裝置逆變器控制結(jié)構(gòu)

圖6 模糊滑?？刂破骺刂平Y(jié)構(gòu)

(1)

鎖相環(huán)PLL通過相位角將逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓保持同步，其目的使系統(tǒng)電流誤差保持最低并合成的電壓的校正矢量。誤差電流定義如式(2)所示。

(2)

母線三相dq軸電流誤差e(t)以及誤差的變化率de(t)如式(3)所示。其采樣時間T=1 ms。

(3)

切換函數(shù)s(k)的設(shè)計見式(4)：

(4)

采用比例切換控制方法并滿足滑動模態(tài)存在條件進(jìn)行控制器設(shè)計，控制器設(shè)計見式(5)：

u=(α|e(t)|+βde(t))·sgn(s(t))

(5)

控制變量u是根據(jù)模糊控制規(guī)則設(shè)計的。令s(t),ds(t)為模糊變量并作為模糊控制器的輸入。模糊變量Δu作為模糊控制器的輸出。根據(jù)模糊控制理論，模糊集設(shè)計如下所示：

s={NB,NS,ZO,PS,PB};

ds={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB};

Δu={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}

其中模糊變量s(t),ds(t)，Δu的模糊論域為[-1，1]。模糊變量采用三角型隸屬函數(shù)。根據(jù)以往經(jīng)驗設(shè)計有功功率無功功率控制的模糊控制規(guī)則庫如表1、表2所示。

表1 電流有功誤差Δid輸入模糊規(guī)則

表2 電流無功誤差Δiq輸入模糊規(guī)則

2.2 儲能裝置DC/DC變流器控制方式

本文混合儲能裝置控制框圖如圖7所示。超級電容器和蓄電池分別采用DC/DC變流器進(jìn)行控制，從而使超級電容器和蓄電池充放電以及相互切換控制更具有靈活性，而且儲能裝置在放電時通過對高壓側(cè)的控制，有利于保持直流母線電壓的穩(wěn)定。在儲能容量的配置方面，微電網(wǎng)在并網(wǎng)離網(wǎng)運行以及相互切換過程中，儲能容量只需保證微電網(wǎng)重要負(fù)荷正常供電即可。

圖7 混合儲能裝置控制框圖

由于占空比d由開關(guān)管的通斷時間決定，因此通過控制開關(guān)管的通斷時間即可實現(xiàn)能量雙向傳輸控制。外環(huán)電流參數(shù)是由母線功率差值PH經(jīng)過低通濾波器進(jìn)行功率分配，并經(jīng)過PI運算得到。

3 微電網(wǎng)負(fù)荷投切及相互切換控制

微電網(wǎng)運行過程中主要經(jīng)歷并網(wǎng)、離網(wǎng)、負(fù)荷投切以及平滑切換幾個狀態(tài)，因此采用合理有效的控制方式對微電網(wǎng)穩(wěn)定運行是至關(guān)重要的，本文具體控制策略設(shè)計如下。

a. 微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時非可控型微源采用PQ控制，可控微源斷開。此時蓄電池和超級電容器同時對微電網(wǎng)進(jìn)行充放電，并根據(jù)系統(tǒng)波動功率的合理分配對混合儲能裝置變流器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以實現(xiàn)并網(wǎng)功率接近目標(biāo)值。

b. 在系統(tǒng)投切負(fù)荷或由并網(wǎng)向離網(wǎng)狀態(tài)切換過程中，采用超級電容器進(jìn)行放電來迅速填補(bǔ)微電網(wǎng)功率缺額。通過調(diào)節(jié)DC/DC變流器來實現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定。將PCC點斷開瞬間電網(wǎng)的電壓和頻率值作為混合儲能裝置VF控制的參考電壓和參考頻率，從而減小混合儲能裝置的投入對微電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊影響。

c. 微電網(wǎng)在離網(wǎng)運行時可控制微源采用VF控制策略，非可控微源斷開。微電網(wǎng)由離網(wǎng)切換到并網(wǎng)時所產(chǎn)生的沖擊電流，主要由微電網(wǎng)與電網(wǎng)之間的電壓偏差和相角偏差綜合決定的，而與頻率差關(guān)系較小。因此在并網(wǎng)前須通過預(yù)同步控制將電壓和相角調(diào)到與電網(wǎng)基本一致，從而減小并網(wǎng)合閘時產(chǎn)生的沖擊，本文采用直接調(diào)整主電源VF控制的參考電壓和參考頻率的方式進(jìn)行預(yù)同步控制。經(jīng)過調(diào)整，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)關(guān)系如下可進(jìn)行并網(wǎng):

(6)

式中：ug和u分別為電網(wǎng)和微電網(wǎng)電壓幅值；un為額定電壓幅值。

4 算例仿真分析

4.1 仿真模型及參數(shù)

根據(jù)圖1所示的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，本文運用Matlab/Simulink 軟件搭建含有混合儲能系統(tǒng)的微電網(wǎng)仿真模型，其仿真模型如圖8所示。

該微電網(wǎng)仿真模型主要參數(shù)設(shè)置如下：非可控型微源光伏系統(tǒng)PV容量為150 kW，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)WT容量為150 kW；可控型微源燃?xì)廨啓C(jī)MT容量為40 kW，柴油機(jī)DE容量為70 kW, 燃料電池FC容量為60 kW；混合儲能裝置蓄電池Bat(Battery)容量為160 kW，超級電容器SC(Supercapacitor)容量為80 kW；交流母線額定電壓 550 V,系統(tǒng)頻率50 Hz。

圖8 含有混合儲能系統(tǒng)微電網(wǎng)仿真模型

4.2 微電網(wǎng)運行仿真分析

某地區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)中雙饋風(fēng)機(jī)和光伏電池全天輸出有功波動功率如圖9、圖10所示。微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行時主要由非可控型微源為電網(wǎng)和負(fù)荷供電，采用混合儲能裝置來平抑微電網(wǎng)系統(tǒng)波動功率，此時混合儲能裝置(見圖7)將開關(guān)K1斷開，K2、K3閉合?；旌蟽δ苎b置逆變器分別采用常規(guī)控制和模糊滑?？刂频娘L(fēng)光并網(wǎng)功率對比曲線如圖11所示，其中Pwave為風(fēng)電和光伏疊加輸出總功率，Pgrid-C為采用常規(guī)控制風(fēng)光并網(wǎng)總功率，Pgrid-H為采用模糊滑?？刂骑L(fēng)光并網(wǎng)總功率?？梢钥闯霾捎媚：？刂戚^常規(guī)控制具有較好的平滑效果。圖12為微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時混合儲能裝置充放電功率，實現(xiàn)了蓄電池平抑高頻波動功率，超級電容器平抑低頻波動功率，使儲能單元得到合理的應(yīng)用。

圖9 雙饋風(fēng)機(jī)全天輸出波動功率

圖10 光伏電池全天輸出功率

圖11 混合儲能裝置采用常規(guī)和模糊滑?？刂骑L(fēng)光并網(wǎng)功率對比曲線

微電網(wǎng)在離網(wǎng)運行時將可控制微源作為主電源對系統(tǒng)提供支撐，非可控型微源斷開。采用VF控制策略跟蹤系統(tǒng)變化。圖13為某地全天負(fù)荷曲線，根據(jù)該負(fù)荷曲線逐步投入可控型微源柴油機(jī)DE、微源燃?xì)廨啓C(jī)MT、燃料電池FC來補(bǔ)充負(fù)荷功率需求?？煽匚⒃慈煊泄β嗜鐖D14所示。在17 h時可控制微源同時切斷，微源在投入初始階段和切斷最后階段都會對系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，嚴(yán)重影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此采用功率因數(shù)較大的超級電容器來平抑此階段系統(tǒng)的波動功率，此時混合儲能裝置(見圖7)將開關(guān)K1閉合，K2、K3斷開。蓄電池在(19-24-3)h處于放電狀態(tài)，主要用于非重要負(fù)荷供電，其余時間段處于充電狀態(tài)，在17 h時由于功率波動較大，超級電容器和蓄電池共同放電。其超級電容器與蓄電池離網(wǎng)波動功率曲線如圖15所示，圖16為含有混合儲能、負(fù)荷及可控型微源的微電網(wǎng)在離網(wǎng)狀態(tài)下全天的有功功率。微電網(wǎng)在離網(wǎng)狀態(tài)下母線頻率及電壓如圖17、圖18所示。國網(wǎng)規(guī)定電網(wǎng)裝機(jī)容量在300萬kW以下的，系統(tǒng)頻率偏差范圍為±0.5 Hz，10 kV及以下三相供電電壓允許偏差為標(biāo)稱系統(tǒng)電壓的±10%。該控制策略下系統(tǒng)頻率和電壓均在國網(wǎng)規(guī)定的范圍內(nèi)，進(jìn)一步驗證了采用模糊滑?？刂撇呗缘挠行浴?/p>

圖13 某地全天負(fù)荷曲線

圖14 可控微源全天有功功率

圖15 超級電容器與蓄電池離網(wǎng)波動功率曲線

圖16 含有混合儲能可控微源離網(wǎng)全天有功功率

圖17 離網(wǎng)系統(tǒng)母線頻率

圖18 離網(wǎng)系統(tǒng)母線電壓

微電網(wǎng)模式切換是一個極其重要的過程，直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)。微電網(wǎng)運行模式切換前期，光伏電源和風(fēng)力機(jī)采用PQ控制方式，在系統(tǒng)切換以后采用VF控制方式。微電網(wǎng)接入電網(wǎng)到脫離電網(wǎng)時，微電網(wǎng)的電壓和頻率均跌落后趨穩(wěn)。投切過程中電壓過渡比較平穩(wěn)。由圖19—圖23可知，微電網(wǎng)由并網(wǎng)狀態(tài)在第2.095 s切換到離網(wǎng)狀態(tài)，以及在6.095 s離網(wǎng)狀態(tài)切換到并網(wǎng)狀態(tài)運行時，由于微電網(wǎng)存在功率缺額，切換瞬間母線電壓和頻率均發(fā)生跌落，但隨后迅速回升，主要是由于混合儲能中的超級電容在切換后迅速響應(yīng)出力，及時填補(bǔ)了功率缺額。圖24為超級電容器與蓄電池在系統(tǒng)平滑切換過程功率波動曲線。

圖19 并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島母線三相電壓

圖20 孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)母線三相電壓

圖21 并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島母線頻率

圖22 孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)母線頻率

圖23 微電網(wǎng)系統(tǒng)平滑切換母線頻率

圖24 超級電容器與蓄電池在系統(tǒng)平滑切換過程功率波動曲線

5 結(jié)論

a. 將基于超級電容器和蓄電池組合成混合儲能系統(tǒng)應(yīng)用到微電網(wǎng)中，克服了單一儲能的缺陷，提高儲能裝置的使用壽命，降低了投資成本，并且更有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

b. 根據(jù)以往經(jīng)驗為混合儲能裝置逆變器設(shè)計模糊滑?？刂破?，并將其應(yīng)用到含有混合儲能系統(tǒng)的微電網(wǎng)中，通過具體算例驗證了該控制算法的有效性。

c. 該控制算法不僅可以實現(xiàn)平抑微網(wǎng)并網(wǎng)、離網(wǎng)以及投切負(fù)荷時的波動功率，而且能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)不同模式的平滑切換。使微電源在投切過程中產(chǎn)生的沖擊較小限制到合理范圍內(nèi)，從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提高，進(jìn)一步驗證該控制策略具有較強(qiáng)的魯棒性。

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