城市电网智能化之直流微网混合储能控制及系统分层协调控制策略
能源紧缺和环境保护等问题不断推动含分布式发电微网技术的进步[1-3]。其中,直流微网无需考虑频率稳定、无功调节、交流损耗等问题[4],便于接入新能源、电动汽车等设备,可用于数据中心、住宅小区等场合[5-6]。直流微网整合了各类微源和储能系统,易于实现微源间的优势互补与协调配合,减小分布式发电对电网运行的影响,从而提高电能质量[7]。由于分布式微源尤其是光伏、风电等电源具有明显的间歇性,因此储能系统对母线功率的调节作用至关重要[8],进而使得储能系统的设计和控制技术同整个直流微网的层级协调控制策略成为微网技术研究的热点[9-10]。
文献[11-13]针对含光伏或风力发电、储能装置的直流微网,设计了多种系统运行模式,提出了系统运行控制策略,但其储能装置只有单一电池储能,未考虑加入超级电容储能后的控制策略。文献[14]以微网运行的经济性和环保性为目标,研究了含混合储能系统的微网在孤岛运行状态下的多目标能量优化管理方法,通过仿真验证了采用模糊控制和粒子群优化算法确定储能系统运行方式的效果。文献[15-16]建立了含多种变换器的直流微网空间状态模型,分析了微网的稳定性及系统参数设置的影响。文献[17-18]研究了混合储能在维持光伏发电系统直流母线电压稳定中的作用,并提出了2者协调控制策略,但只对该策略进行了仿真验证。文献[19]提出了通过蓄电池稳定直流母线电压、超级电容提供功率波动高频分量的混合储能控制策略,但该策略的直流侧用直流电源等效,未涉及光伏等实际应用,缺乏整体架构和系统层级的运行控制分析。
现有文献对直流微网的结构、运行模式及控制等已有初步讨论,但很少涉及系统层级协调控制策略,且需对含有多能互补的微网各类变换器的配合与控制进行深入探讨,从而确保系统可靠稳定运行。
为了充分发挥锂电池能量密度高以及超级电容响应速度快、功率密度高的特性,以提高系统的动态灵活性及运行寿命,本文在含光伏发电的直流微网中引入混合储能,并提出了一种改进储能控制策略;通过详细分析各类变换器对直流母线电压的调节作用及控制思路,提出了系统在不同层区下的协调运行控制策略,无需相互通信,实现了各层区运行的自动和平滑切换,保证各工况下系统能够稳定运行。
1、直流微网混合储能控制及电压分层控制策略
1.1 直流微网系统组成
本文研究的直流微网如图1所示,主要由光伏发电单元、混合储能系统(HESS)及负荷等组成。图1中,Ipvo、Ibo、Isco分别为光伏变换器、锂电池变换器、超级电容变换器出口侧电流;IL为负载电流;Cdc为直流母线电容;Idc为直流母线等效电容电流。
1）光伏发电单元：光伏阵列经DC/DC变换器并入直流母线,采用最大功率跟踪(MPPT)控制实现光能的高效利用,也可根据运行需要切换为恒压(CV)控制[13]。
图1直流微网典型结构图
2）HESS：由锂电池和超级电容各自经双向DC/DC变换器并入直流母线构成,起着调整直流母线电压、维持系统功率平衡的作用。
3）负荷：LED灯、电动车充电桩等直流负荷直接或经DC/DC变换器并入直流母线,交流负荷则经AC/DC变换器并入直流母线。需要减载时,负荷的切除顺序根据负荷重要性确定。
1.2 混合储能控制
在储能特性方面,锂电池能量密度大,但功率密度低、循环寿命受限、动态响应慢[10-13];与之相反,超级电容器虽然储能受限,但其功率密度大、响应速度快、循环寿命长,能够在短时间提供或吸收较大功率[20]。因此,本文利用2者的互补特性,采用锂电池和超级电容器共同构成HESS,并提出适用于直流微网的改进型HESS控制策略。HESS拓扑结构见图2。图2中,Udc为直流母线实际电压;Upv、Ipv分别为光伏阵列出口侧电压和电流;Ub、Ib分别为锂电池出口侧电压和电流;Usc、Isc分别为超级电容出口侧电压和电流;db、dsc分别为锂电池变换器和超级电容变换器的控制信号;Ibref、Iscref分别为锂电池和超级电容器充放电电流参考值;Sb为锂电池剩余容量;Udcr为直流母线电压额定值。
当系统运行状态发生变化、需要投入HESS时,超级电容储能最先启动,通过快速充放电来平衡系统功率,调整直流母线电压。超级电容器的Isc-Udc下垂特性如图3所示,其中,Iscmax为超级电容器充放电电流限值;msc为超级电容器下垂系数;UL2、UL1、UH1、UH2分别为超级电容器储能工作临界值。通过检测直流母线电压可计算得到超级电容器充放电电流参考值。当UL1<Udc<UH1时,超级电容无需充放电;当UH1≤Udc<UH2时,超级电容器充电;当UL2<Udc≤UL1时,超级电容器放电。
图2 直流微网系统结构及控制策略总图
图3超级电容储能下垂特性
随着超级电容储能持续工作,当锂电池储能达到动作条件时,也承担起调整直流母线电压的任务,并可在较长时间内进行充放电控制,平衡系统功率,保证供电可靠性,其控制策略及拓扑结构见图2。锂电池的Ib-Usc下垂特性如图4所示,其中,Uscl(l为变量,l=1,2,3,4)为超级电容器端电压设定值,即锂电池储能工作临界值;Ibmax为锂电池充放电电流限值;mb为锂电池下垂系数。通过采集超级电容端电压可计算得到锂电池输出电流参考值。当Usc2<Usc<Usc3时,锂电池输出电流为0,即不动作;当Usc3≤Udc<Usc4时,锂电池储能开始充电;当Usc1<Udc≤Usc2时,锂电池储能开始放电。
为避免超级电容和锂电池深充深放、损坏设备,需设定超级电容和锂电池的运行区间。对于超级电容,其端电压即可表征自身能量,设定最小和最大工作电压分别为Usc1、Usc4;而锂电池的运行区间需要根据其剩余容量Sb来确定,设定其剩余容量的最小值和最大值分别为Sbmin、Sbmax。当运行达到相应限值时,超级电容和锂电池停止工作。
可通过采集相应电压量实现该HESS控制策略,不需要计算功率的高低频,从而降低了控制复杂度,无集中控制器,具备即插即用的特点。让超级电容先启动来平衡系统瞬时功率,从而提高了动态响应特性,减少了锂电池充放电次数,延长了使用寿命。锂电池储能开始工作后,不仅可以在较长时间内进行充放电控制,平衡系统功率,还能配合超级电容器调整直流母线电压,防止超级电容深充深放过快。
1.3 直流微网系统的电压分层控制
1.3.1 系统电压与功率的关系
该直流微网系统功率的关系为
式中：ppvo、pbo、psco分别为光伏变换器、锂电池变换器、超级电容变换器出口侧功率;pL为直流负荷消耗功率;pdc为直流母线电容充电功率。
直流母线电压变化时,直流母线电容储存的能量变化量∆Edc为：
式中T为运行时间。
直流母线电压与系统功率流动之间的关系为
联立式(2)和(3)可得
由式(5)可知,光照条件变化引起的光伏输出功率变化及负荷消耗功率变化都会引起直流母线电压的波动。为保证各种条件下直流微网电压稳定,必须根据电压变化情况对光伏发电单元及储能系统进行调整和控制[10-12]。
1.3.2 运行层区划分及控制模式
.由式(4)可知,直流母线电压稳定是保持直流微网系统功率平衡的关键。因此,本文根据直流母线电压波动大小将系统运行控制划分为5个层区,不同的运行层区都有作为平衡节点的变换器来调整直流母线电压,确保系统功率平衡。图5为系统运行和控制流程图,其中,∆Udc为实际母线电压与参考电压的差值;a1、a2、b1、b2为运行模式判断系数。
设定系统开始运行时,锂电池、超级电容储能等各单元处于良性工作区,下面具体分析和介绍各层区运行控制情况。
1）第1层区
当a1Udcr<∆Udc<b1Udcr时,系统进入第1层区运行,光伏发电单元运行于MPPT控制模式。
当光伏输出功率和负荷消耗功率出现微小波动时,为防止超级电容和锂电池在充电和放电间频
图4锂电池储能下垂特性
图5系统运行及控制流程图
繁切换,设置该层区为HESS的不工作区。由于没有稳压单元控制,直流母线电压可在允许范围内发生较小波动。
2）第2层区
当直流母线电压持续升高、直至满足条件b1Udcr≤∆Udc<b2Udcr时,系统进入第2层区运行。该层区下,光伏发电单元继续进行MPPT控制,HESS开始投入工作。由于直流母线电压偏高,系统功率剩余,因此HESS需通过吸收功率来调整直流母线电压,保证系统功率平衡。根据HESS控制策略,超级电容储能最先动作,工作在充电模式。随着超级电容不断充电、其端电压上升到Usc3时,锂电池储能也开始进行充电,以保证系统稳定运行。
3）第3层区
当超级电容器充电致其端电压上升到最大限值Usc4、锂电池剩余容量达到Sbmax时,HESS失去调节能力,直流母线电压继续上升;当∆Udc≥b2Udcr时,系统运行进入第3层区。此时,光伏发电单元输出功率大于负荷消耗功率,直流母线电压偏高。为平衡系统功率,光伏发电单元需减少功率输出,从MPPT控制转为恒压控制,控制策略如图2所示。光伏发电单元不再以最大功率输出,而是通过减少功率输出保持直流母线电压恒定。
4）第4层区
当直流母线电压持续降低时,系统进入第4层区运行,此时,a2Udcr<∆Udc≤a1Udcr。该层区下,光伏发电单元进行MPPT控制,HESS将投入工作,根据下垂特性调整直流母线电压。该层区的系统功率不足,直流母线电压偏低,HESS需通过放电补充系统稳定运行所需功率。同样,超级电容储能最先动作,通过放电为系统补偿功率。当超级电容端电压下降到Usc2时,锂电池储能开始动作,工作在放电模式。
5）第5层区
当超级电容放电致其端电压下降到最小工作电压Usc1、锂电池剩余容量达到Sbmin时,HESS失去调节能力,直流母线电压继续降低,当∆Udc<a2Udcr时,系统运行进入第5层区。此时,光伏发电单元输出功率小于负荷消耗功率,直流母线电压偏低。为达到功率平衡、保证系统稳定运行,必须进行减载操作,按照其重要性依次切除负荷,直到系统稳定运行。
2、实验验证及分析
为验证本文提出的改进HESS控制及系统分层协调控制策略,按图2所示系统结构搭建实验系统。其中光伏阵列由光伏模拟器代替,其在标准条件下的最大输出功率为185W。锂电池单体额定电压为3.2V,其电荷量为40A˙h(1A˙h=3.6kC),4块串联;超级电容额定电压为16.2V,额定容量为58F;直流母线额定电压为40V;绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关频率为15kHz,锂电池和超级电容下垂系数取值范围为1~3,a1、a2、b1、b2取值分别为-2.5%、-10%、2.5%、10%;控制算法编入dSPACE-DS1006。系统在各层区运行实验结果分析如下。
1）第1层区
当-1V<∆Udc<1V时,系统运行在第1层区。光伏发电单元进行MPPT控制,其输出电压、输出电流分别为26.6V和6.9A,最大输出功率为180W,如图6所示。
只要直流母线电压波动范围不超过该层区限制范围,即可认为满足电能质量要求,可以保持系统继续运行于该层区,避免频繁的层区切换,增加系统损耗。当∆Udc为0.8V或-0.9V时,由于未超过第1层区电压限值,超级电容及锂电池储能均未动作,各自充放电电流都为0,如图7所示。光伏发电单元正常为负荷供电。
2）第2层区
当时,系统运行在第2层区。光伏单元处于MPPT控制模式,其输出功率大于负荷消耗功率,引起直流母线电压上升,达到HESS工作条件,HESS开始投入运行。
当直流母线电压从40V上升到43.8V时,超级电容开始以2.2A电流充电,使直流母线电压下降到41.6V,如图8所示。随着超级电容持续充电,其端电压不断上升,当达到锂电池储能动作条件.
图6光伏单元MPPT控制
图7第1层区系统运行状态
图8超级电容充电时系统运行状态
Usc3=11V时,锂电池开始充电,充电电流从0开始逐渐平滑增大,未出现电流突变;而超级电容由于直流母线电压波动减小导致其充电电流逐渐减小,如图9所示。锂电池储能通过吸收系统剩余功率、和超级电容储能协调配合,起到调整直流母线电压的作用。
3）第3层区
当超级电容端电压达工作最高限制Usc4=15V停止工作后,系统中只有锂电池储能充电,电流大小为3A,当充电达到其剩余容量最高限值Sbmax=90%时,其充电电流减为0。此时,直流母线电压瞬间上升到45.3V,但由于光伏CV的控制作用,母线电压被控制在约43V,系统稳定运行,如图10所示。
4）第4层区
当时,系统进入第4层区运行。光伏进行MPPT控制,其输出功率小于负荷消耗功率,引起母线电压下降,HESS开始工作。
当直流母线电压从40V下降到36.3V时,超级电容开始以2A的电流放电,将母线电压瞬间提高到38.2V,如图11所示。随着超级电容不断放电,其端电压持续降低,当其下降到Usc2=7V时,锂电池储能开始投入运行。经下垂控制,锂电池储能放电电流从0开始平滑增加,通过为直流母线提供功率,起到提升母线电压的作用,此时超级电容储能放电电流从2A逐渐减小,2者相互配合,通过放电调节母线电压,如图12所示。
5）第5层区
当时,系统进入第5层区,运行波形如图13所示。超级电容端电压已达最低限值Usc1=3V,停止工作。只有锂电池储能放电,电流
图9HESS充电时系统运行状态
图10第3层区系统运行状态
图11超级电容放电时系统运行状态
图12HESS放电时系统运行状态
图13第5层区系统运行状态
大小为3A,当放电达其剩余容量最低限值Sbmin=20%时,其放电电流减为0。此时,直流母线电压瞬间下降到35.6V,但由于及时切除次要负荷,使母线电压回升到39V,保证了系统的稳定运行。
3、结论
本文将超级电容器和锂电池组成的混合储能系统接入直流微网,提出了一种改进后的混合储能控制策略;在分析微网结构及功率流向基础上,提出对直流微网的电压分层协调控制策略,阐述了各层区下光伏变换器、超级电容变换器、锂电池变换器的启动条件和工作状态。并搭建系统实验平台进行验证,得出如下结论：
1）本文所提出的适用于并联结构的混合储能改进控制策略,能够使得超级电容高功率密度和锂电池高能量密度优势互补,优化各自输出特性;通过在相应工作层区的协调配合,实现了HESS调整直流母线电压和平衡系统功率的目标;通过下垂控制,实现了自动响应,无须依赖相互通信。
2）考虑到直流微网中变流器类型多、直流电压变化范围宽的特点,可根据直流母线电压变化对微网进行分层控制。该电压分层控制策略中,将系统运行划分为5个层区,通过光伏变换器MPPT、CV控制和HESS电压下垂控制及系统减载的协调配合,自动调节母线电压,平滑层区之间的切换,实现微网在各类工况下的稳定运行。
来源：高电压技术杂志
作者 孟润泉,刘家赢,文波,韩肖清
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