鮑 鏝，張繼紅，付文豪，吳振奎，魏毅立

（內(nèi)蒙古自治區(qū)光熱與風(fēng)能發(fā)電重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

0 引言

可再生能源開發(fā)利用的快速推進(jìn)是我國實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)、解決綠色低碳轉(zhuǎn)型棘手問題、全面實(shí)施降碳減排的重要舉措［1］。能源結(jié)構(gòu)的深層次轉(zhuǎn)型可以提升地區(qū)清潔能源供給、提高能源利用率，實(shí)現(xiàn)中國綠色發(fā)展［2-4］。以風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電以及光熱發(fā)電為代表的綠色能源利用方式已技術(shù)成熟并被大眾廣泛認(rèn)可。然而，上述綠色能源發(fā)電過程會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的功率波動(dòng)，很大程度上影響電能質(zhì)量和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行水平［5］。為順利接入和利用這些能源，微電網(wǎng)技術(shù)順勢而出［6-7］。微電網(wǎng)技術(shù)可以充分發(fā)揮各自分布式電源的能效，是近年來能源領(lǐng)域?qū)＜已芯康臒狳c(diǎn)和焦點(diǎn)問題之一。微電網(wǎng)按照各單元連接母線性質(zhì)和回路電能種類不同可分為交流、直流和混合式3種［8］。由于交流微電網(wǎng)具有供配電方便以及升降壓靈活等優(yōu)勢，而直流微電網(wǎng)沒有無功損耗及諧波問題，因而學(xué)者們針對不同場景研究混合式微電網(wǎng)情況也較為普遍［9］?；旌鲜轿㈦娋W(wǎng)中，母線電壓的穩(wěn)定性及頻率的波動(dòng)性會(huì)較大程度影響網(wǎng)內(nèi)系統(tǒng)功率的平衡及微電網(wǎng)的可靠運(yùn)行［10-11］。如果發(fā)生關(guān)鍵參數(shù)波動(dòng)，勢必影響負(fù)荷的正常運(yùn)行［12］。另外，微電網(wǎng)系統(tǒng)的功率平衡任務(wù)多由電力電子器件變換實(shí)現(xiàn)，一方面使得系統(tǒng)慣性減小、抗擾能力變?nèi)酰涣硪环矫嬗绊懛植际诫娫闯隽?、使得過載能力變差［13］。而儲能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好、效率高，能夠快速提供電網(wǎng)需要的有功及無功功率，因此，儲能已成為微電網(wǎng)中提高其穩(wěn)定性、安全性和電能質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)支撐。

文獻(xiàn)［14］對低壓微電網(wǎng)系統(tǒng)的輸出功率按照比例進(jìn)行了分配分析，設(shè)置了自適應(yīng)虛擬電阻確定分布式電源的輸出功率，可以滿足“即插即用”的電源快速“投退”要求，但該方法可能存在多個(gè)逆變器同時(shí)、同方向的調(diào)節(jié)現(xiàn)象，將會(huì)引起系統(tǒng)運(yùn)行超調(diào)，并出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)的偏移，尤其對恒功率負(fù)載較為不利。文獻(xiàn)［15］-文獻(xiàn)［16］結(jié)合本地信息的能量需求及綜合調(diào)控方法，給出了利用通信手段設(shè)置了二次電壓方案，重點(diǎn)解決了母線電壓的波動(dòng)問題，但該方法對主控制器的穩(wěn)定性要求較高。文獻(xiàn)［17］-文獻(xiàn)［18］分析了超級電容、蓄電池構(gòu)建的混合儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用機(jī)理，主要設(shè)計(jì)了高頻功率波動(dòng)的算法并平衡了直流微電網(wǎng)內(nèi)部功率，具有一定的參考價(jià)值。文獻(xiàn)［19］-文獻(xiàn)［21］指出了直流微電網(wǎng)電壓綜合協(xié)調(diào)控制策略并對直流母線電壓給以分區(qū)處理，分別采取不同的控制策略，滿足系統(tǒng)低電壓穿越要求，但該方法還需綜合考慮雙儲能的容量優(yōu)化配比及荷電狀態(tài)約束，因而應(yīng)用范圍受到一定限制。文獻(xiàn)［22］-文獻(xiàn)［24］對影響微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行了分析，針對大擾動(dòng)時(shí)交流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行從電流特性的角度進(jìn)行分析以及在多個(gè)微電網(wǎng)接入導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)耦合對其穩(wěn)定性的影響分析。

本文根據(jù)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源的發(fā)電特點(diǎn)，結(jié)合混合儲能的不同工作特性、考慮了各自荷電狀態(tài)約束，設(shè)計(jì)了相應(yīng)控制策略，以期解決微電網(wǎng)電壓及頻率波動(dòng)問題。由于單一儲能無法同時(shí)滿足負(fù)荷的功率密度與能量密度雙重需求，飛輪儲能系統(tǒng)具有壽命長、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、無污染等優(yōu)勢，因此將飛輪儲能（Flywheel Energy Storage System，F(xiàn)ESS）和蓄電池儲能（Battery Energy Storage System，BESS）兩者優(yōu)化組合，不但在性能方面進(jìn)行了優(yōu)勢補(bǔ)償，提高了蓄電池使用壽命，而且降低了電子開關(guān)器件動(dòng)作頻次，提升了微電網(wǎng)運(yùn)行的整體穩(wěn)定性。

1 混合儲能型微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

混合儲能型微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電分別通過各自的變流器與母線相連，飛輪儲能和蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)經(jīng)由相應(yīng)變換器與母線連接，負(fù)荷主要為常見的交流與直流負(fù)荷，微電網(wǎng)經(jīng)由變流器與大電網(wǎng)連接。圖1中STS、T為連接電網(wǎng)的靜態(tài)開關(guān)與變壓器。由于并網(wǎng)型微電網(wǎng)的控制較為簡單，基本無電壓波動(dòng)或功率缺額現(xiàn)象，本文重點(diǎn)研究獨(dú)立微電網(wǎng)運(yùn)行的電壓穩(wěn)定問題。由圖1 可知，直流母線的功率交換可表示為：

圖 1 混合微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hybrid energy storage microgrid topology

式（1）中：ΔPall為母線的總功率變化量；PG為大電網(wǎng)輸出功率；PPV、PWT分別為光伏和風(fēng)機(jī)的輸出功率；PACLoad、PDCLoad分別為交流和直流負(fù)荷消耗功率；ΔPBS為蓄電池功率變化量；ΔPFESS為飛輪儲能功率變化量。

當(dāng)儲能系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時(shí)，ΔPall＞0時(shí)，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)輸出功率大于負(fù)荷消耗功率，由儲能系統(tǒng)消耗直流微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的多余輸出功率。當(dāng)ΔPall＜0時(shí)，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)輸出功率不足，無法提供負(fù)載所需功率，由儲能系統(tǒng)提供負(fù)載所需功率差額。

母線負(fù)荷的變化以及分布式電源輸出的變化都將對母線電壓波動(dòng)產(chǎn)生重要影響，但最直接、最有效的解決辦法為借助混合儲能系統(tǒng)進(jìn)行功率平衡。

2 混合儲能系統(tǒng)配置及控制原理

2.1 配置原則

儲能系統(tǒng)（Energy Storage System，ESS）的配置主要考慮兩方面因素，一方面，因?yàn)榭稍偕茉窗l(fā)電的間歇性和隨機(jī)性會(huì)很大程度地影響發(fā)電機(jī)的出力情況，所以一定要平滑出力，才能使微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行；另一方面，考慮到分布式電源的能量跨時(shí)調(diào)度，共同參與配電網(wǎng)的功率優(yōu)化，可以增加系統(tǒng)慣性。由于電池是能量型儲能設(shè)備，具有功率密度相對較低的特點(diǎn)，所以對平抑低頻功率波動(dòng)有明顯的效果；與此相對應(yīng)，飛輪是功率型儲能設(shè)備，具有密度大、響應(yīng)速度相較于電池更快的特點(diǎn)，可以平抑高頻功率波動(dòng)。因此，本文將電池與飛輪進(jìn)行優(yōu)化組合，構(gòu)建混合儲能系統(tǒng)來控制協(xié)調(diào)微電網(wǎng)的功率平衡以及穩(wěn)定微電網(wǎng)母線電壓和減少頻率波動(dòng)。

2.2 直流母線電壓穩(wěn)定控制

以圖1為例，對于直流母線側(cè)，功率平衡方程可表示為：

式（2）中，Pinv為交直流母線功率交換量。

由電路理論可知，直流系統(tǒng)中功率、電壓之間呈線性關(guān)系，則微電網(wǎng)系統(tǒng)母線電壓表示為：

可見，直流母線電壓波動(dòng)與儲能電池的容量大小有關(guān)，針對不同的場景要求和多重條件限制，靈活選擇儲能容量，若儲能功率容量選擇太小，導(dǎo)致無法對大的波動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，影響使用壽命，影響預(yù)期效果；相反，容量選擇過高則會(huì)導(dǎo)致前期投資成本升高，降低系統(tǒng)利用效率［25-26］。電能質(zhì)量受母線電壓波動(dòng)程度的影響，本文通過自適應(yīng)下垂控制策略，追蹤電壓幅值波動(dòng)動(dòng)態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)整相應(yīng)下垂系數(shù)，以此來減少母線電壓波動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)母線電壓的波動(dòng)更加平滑的目的，設(shè)計(jì)的控制策略如下。

依據(jù)電壓、功率下垂關(guān)系，可以將式（3）作如下變換：

式（4）中，Udc_ref為微電網(wǎng)直流母線電壓參考值，γ為功率下垂系數(shù)。聯(lián)立式（3）、式（4）可以得到：

式（5）中，λ為電壓下垂系數(shù)。采用上述模型設(shè)計(jì)的母線電壓控制拓?fù)鋱D如圖2 所示。根據(jù)式（5）計(jì)算出的IBS為電流給定值，實(shí)際測量值會(huì)通過電流負(fù)反饋系統(tǒng)來跟隨給定值。

圖2 母線電壓控制拓?fù)鋱DFig.2 Bus voltage control topology

2.3 交流母線電壓穩(wěn)定及頻率控制

2.3.1 傳統(tǒng)下垂控制原理分析

由頻率、角頻率與相角之間的關(guān)系式可以得到：

參考火電廠母線電壓、頻率與功率的傳統(tǒng)下垂關(guān)系可以得到：

式（7）中，逆變器輸出的有功功率和無功功率分別為pn和Qn，有功功率和無功功率下垂系數(shù)分別為mp和nq，逆變器空載時(shí)輸出的頻率和電壓幅值的參考值分別為fn*和Un*，逆變器實(shí)際輸出的頻率和電壓幅值分別為fn和Un，在此數(shù)學(xué)模型上可得到圖3 的傳統(tǒng)下垂控制結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 傳統(tǒng)下垂控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of traditional droop control structure

圖3中，U0、I0分別為逆變器輸出電壓和電流的測量值。傳統(tǒng)下垂控制一般是作用于高壓系統(tǒng)的，忽略了逆變器等效阻抗中的電阻成分，僅分析其呈感性的情況，因此存在一定局限性。

2.3.2 傳統(tǒng)下垂控制的不足

1）逆變器輸出功率間相互耦合

傳統(tǒng)下垂控制只考慮了P-f、Q-U之間一一對應(yīng)的聯(lián)系，忽視了在實(shí)際電力系統(tǒng)中，逆變器輸出的功率與輸出電壓的相關(guān)參數(shù)有關(guān)系，不僅僅是簡單地對應(yīng)關(guān)系。忽視這點(diǎn)就會(huì)使有功功率和無功功率間相互耦合，影響到系統(tǒng)其他部分的運(yùn)行。

2）無功功率分配受線路阻抗影響

由于分布式電源所處地理位置不同、線路布置差異將引起線路阻抗值的不同，也會(huì)導(dǎo)致逆變器輸出無功功率分配不均問題，甚至增加了母線電壓跌落概率。

2.3.3 虛擬復(fù)阻抗的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因?yàn)閭鹘y(tǒng)的下垂控制會(huì)導(dǎo)致逆變器的輸出功率相互耦合［27-28］，為解決此問題，本文在電壓電流雙閉環(huán)上引入虛擬復(fù)阻抗，改進(jìn)了傳統(tǒng)的下垂控制。虛擬復(fù)阻抗中的阻抗控制器作用為：抵消逆變器等效阻抗中的阻性，使其呈純感性，這樣就可以滿足下垂控制解耦條件，其中的具體控制框圖如圖4所示。

圖4 引入虛擬復(fù)阻抗的雙閉環(huán)控制框圖Fig.4 Block diagram of double closed-loop control with the introduction of virtual complex impedance

此時(shí)，逆變器等效阻抗為：

圖4控制框圖中，虛擬電阻RV和虛擬電感LV組成虛擬復(fù)阻抗ZV，并在其中增加了一階低通濾波器，從而消除在控制過程中引起的高頻噪聲。該模型可表示為：

結(jié)合式（9）、式（10）可知，在選定系統(tǒng)控制參數(shù)、逆變器濾波參數(shù)和線路阻抗值之后，可通過虛擬復(fù)阻抗來調(diào)節(jié)逆變器等效阻抗。

2.3.4 魯棒下垂控制模型

針對逆變器無功平衡受線路阻抗影響的問題［29-30］，將積分環(huán)節(jié)引入到Q-U下垂控制中。同時(shí)，對于母線電壓因線路阻抗影響而跌落的問題，可將逆變器的輸出電壓幅值Un與交流母線的電壓幅值Ul做差，所得數(shù)值再乘上補(bǔ)償系數(shù)K得到U*n，并將其作為反饋信號補(bǔ)償?shù)絈-U下垂控制中，魯棒下垂控制框圖如圖5所示。

圖5 魯棒下垂控制框圖Fig.5 Block diagram of robust droop control

因?yàn)镻-f 下垂控制可以使有功功率均勻分配，故此處不再贅述，僅對Q-U 下垂控制進(jìn)行分析，控制框圖如圖6所示。

圖6 Q-U下垂控制框圖Fig.6 Q-U droop control block diagram

由圖6可得，逆變器輸出的無功功率表達(dá)式為：

對式（11）進(jìn)行拉普拉斯變換，再由拉普拉斯變換終值定理可得出當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，各逆變器輸出的無功功率為：

對于各逆變單元而言，交流母線電壓幅值Ul均一致，若能夠保證補(bǔ)償系數(shù)K、輸出電壓測量值U0、無功功率給定值Qref也相同的情況下，那么只要選擇合適的下垂系數(shù)nq，便能有效解決因線路阻抗不同所導(dǎo)致的無功功率分配不均問題，達(dá)到無功平衡目的。此時(shí)式（12）可以等效為：

在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，nq(Qn-Qref)趨近于零，故K(U0-Ul)也趨近于零，因此逆變器輸出電壓幅值U0與母線電壓幅值Ul近似相等，并且補(bǔ)償系數(shù)K值越大，(U0-Ul)值就越小，U0越接近于Ul，保證了母線電壓的穩(wěn)定性。

3 仿真算例

針對圖1 所示結(jié)構(gòu)，采用大型數(shù)字化仿真軟件PSCAD/EMTDC 搭建交直流微電網(wǎng)仿真模型并設(shè)置參數(shù)如下：母線電壓Udc-ref為380 V，光伏系統(tǒng)發(fā)電功率25 kW，風(fēng)機(jī)輸出功率20 kW，蓄電池設(shè)計(jì)容量300 A·h、飛輪儲能設(shè)計(jì)容量10 kW，時(shí)間以s為單位。

仿真結(jié)果如圖7所示，圖7給出了飛輪儲能、蓄電池單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的功率輸出波形。系統(tǒng)在0.5 s時(shí)負(fù)荷增加3 kW，1.6 s時(shí)減少2.5 kW，2.6 s時(shí)負(fù)荷增加4 kW。針對上述幾種情況分析兩類儲能功率輸出情況可以看出：負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，兩類儲能均可提供足夠功率輸出，但對于0.5 s和1.6 s時(shí)的功率變化，飛輪儲能響應(yīng)較快，并及時(shí)增大或減小輸出功率；而蓄電池會(huì)出現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間延遲現(xiàn)象。針對短時(shí)間的功率缺額，飛輪儲能體現(xiàn)功率特性，可以對高頻信號發(fā)揮良好的平抑作用；另一方面，雖然蓄電池儲能響應(yīng)較慢，但更適用于功率缺額大、平抑時(shí) 間較長的負(fù)荷變化情況，對于補(bǔ)償?shù)皖l功率效果較好。

圖7 飛輪與電池儲能放電跟蹤對比圖Fig.7 Comparison of flywheel and battery storage discharge tracking

為進(jìn)一步證實(shí)改進(jìn)下垂系數(shù)方法對于構(gòu)建混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)勢，首先分析直流母線電壓波動(dòng)情況。圖8 給出了單一蓄電池儲能輸出功率及母線電壓波形圖，由圖可以看出，負(fù)荷在0.3 s、0.8 s、2 s、3 s時(shí)刻進(jìn)行了加載和減載，蓄電池始終能夠跟隨負(fù)荷變化，但在暫態(tài)過程會(huì)導(dǎo)致功率響應(yīng)不及時(shí)的問題，從而出現(xiàn)了母線電壓明顯的升降現(xiàn)象，電壓波動(dòng)方向與功率波動(dòng)方向趨勢相反。盡管電壓波動(dòng)幅值符合母線低電壓波動(dòng)要求，但頻繁的充放電無疑加重了類似問題的發(fā)生，甚至引發(fā)電池使用壽命縮短現(xiàn)象；其次，分析圖9給出的交流母線電壓及頻率波動(dòng)情形，如圖所示，負(fù)荷進(jìn)行多次增減變化后，飛輪仍然可以動(dòng)態(tài)跟蹤負(fù)荷，盡管交流母線頻率出現(xiàn)了小幅波動(dòng)，但相對值并未超過0.01，由此可得，系統(tǒng)的頻率波動(dòng)范圍在0.25 Hz 以內(nèi)，滿足電能質(zhì)量對頻率的基本要求。

圖8 電池單獨(dú)調(diào)節(jié)與母線波形Fig.8 Separate battery regulation and bus waveform

圖9 飛輪單獨(dú)控制輸出功率及母線電壓頻率波動(dòng)波形Fig.9 Flywheel independently controls output power and the bus voltage and frequency fluctuation waveform

引入改進(jìn)下垂控制法和采用混合儲能系統(tǒng)平抑交直流母線功率波動(dòng)，仿真波形如圖10、圖11 所示。負(fù)荷的總功率缺額由蓄電池儲能和飛輪儲能共同承擔(dān)。為接近工程實(shí)際，本次考慮電池荷電狀態(tài)高于飛輪儲能這一特殊情況。仿真圖如圖10所示，蓄電池的輸出功率明顯高于飛輪儲能，此外，兩類儲能的輸出按照改進(jìn)下垂系數(shù)進(jìn)行分配，滿足下垂控制的設(shè)計(jì)預(yù)期。而圖11 給出了混合儲能分配功率后共同輸出的電流波形，電流幅值的變化基本與功率輸出一致，并有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。電壓波形與頻率波形基本保持恒定，較單一儲能平抑功率波動(dòng)效果較好，并能保持電壓及頻率基本穩(wěn)定，證實(shí)了混合儲能的優(yōu)勢。

圖10 混合儲能功率分配圖Fig.10 Hybrid energy storage power distribution diagram

圖11 混合儲能輸出電流與電壓波形Fig.11 Hybrid energy storage output current and voltage waveforms

最后，為驗(yàn)證文章所提的混合儲能系統(tǒng)控制的合理性與可行性，基于自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室搭建了測試平臺，實(shí)驗(yàn)中利用蓄電池與超級電容（替代飛輪儲能）構(gòu)建混合系統(tǒng)。中央處理單元為TMS320C5504型DSP；光伏采用開關(guān)電源代替，實(shí)驗(yàn)參數(shù)：輸出電壓DC 24 V，電流10 A，最大負(fù)荷功率為0.3 kW；IGBT 開關(guān)頻率為10 kHz；設(shè)定直流母線電壓為24 V，逆變器輸出電壓為15 V。當(dāng)光伏輸出為0.15 kW 時(shí)，混合儲能輸出總功率為0.15 kW，當(dāng)光伏輸出為0.12 kW 時(shí)，混合儲能輸出總功率為0.18 kW，當(dāng)光伏輸出為0.21 kW 時(shí)，混合儲能輸出總功率為0.09 kW。當(dāng)混合儲能配置比例低于發(fā)電容量的20%時(shí)，母線電壓和電壓頻率波動(dòng)則會(huì)顯著增大，因此需要控制在20%以上。上述實(shí)驗(yàn)測試得到混合儲能的輸出分別為Isc和IBT，母線電壓幅值為uB和fB，如圖12-圖13所示波形。

圖12 混合儲能輸出電流波形Fig.12 Hybrid energy storage output current waveform

圖13 母線電壓及頻率波形圖Fig.13 Bus voltage and frequency waveform diagram

4 結(jié)語

文章提出了一種穩(wěn)定交直流母線電壓和頻率的控制策略。首先通過引入虛擬復(fù)阻抗的方法解決了逆變器輸出阻抗、線路阻抗成感性特性的問題，解耦了電壓、頻率與功率之間的關(guān)系，簡化了控制算法；其次采用魯棒下垂控制算法綜合了兩類儲能的運(yùn)行特性，避免了混合儲能的過充過放現(xiàn)象。電池儲能技術(shù)成熟、成本低廉，能量大，但充放電次數(shù)有限；而飛輪儲能功率密度大于5 kW/kg，能量密度大于20 kWh/kg，效率高于90%，運(yùn)行壽命長，將二者配合構(gòu)成混合儲能系統(tǒng)具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。最后，通過仿真及實(shí)驗(yàn)得出了混合儲能的配置比例至少為分布式發(fā)電容量的20%以上，或者滿足額定負(fù)荷20%的功率需求，則可以有效減少電壓頻率波動(dòng)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。