微電網儲能系統的設計
日期：2021-11-25    瀏覽次數: 4824

　　設計了一種適用于380V交流微電網的鋰電池組儲能系統。該系統核心是具備功率雙向流動功能的雙向DC-DC變換器和雙向DC-AC變換器的主電路及其控制部分。在Matlab/Simulink平臺下進行了儲能系統數值仿真，結果表明兩變換器主電路及其控制部分各項指標滿足要求，可行性強;最后通過試驗，驗證該系統相關指標滿足微電網并網、孤島工作模式下電能質量要求，系統運行安全可靠。

　　在全球日益嚴重的環境污染和能源短缺問題的背景下，新能源技術與微電網技術應運而生。結合我國自身現狀和國外經驗，將微電網[1]定義為：通過本地分布式電源(DG)、儲能系統、能量變換裝置及相關負荷等組成的特殊電網，在充分滿足本地用戶對電能質量和供電安全要求的基礎上，實現電網的并網、孤島模式運行[2]。并網模式指微電網與主網并聯運行時，向主網輸出或吸收能量，主網控制頻率和電壓等重要電能質量指標;孤島模式指微電網管理系統進行孤島檢測[3]，發現主網含分布式電源的微電網運行與優化控制的合作研究(國家國際科技交流與合作專項)資助項目(2010DFB63200)，山西省高等學校中青年拔尖創新人才支持計劃資助，山西省電力公司科技項目支持。

　　故障或電能質量不滿足要求時，微電網可以與主網斷開獨立運行。此時，由本地微電源或儲能系統向負荷供電，電壓和頻率等重要指標由微電網自身控制。因此，微電網孤島運行及其兩種模式切換過程中的電能質量問題成為關鍵。

　　微電網儲能系統可以較好地解決此類問題，論文研究的重點為基于PWM控制技術的雙向DC-DC變換器與雙向DC-AC變換器及其控制的鋰電池組儲能系統。儲能系統在其控制下于孤網模式進行放電，為微電網提供穩定的電壓和頻率支持，并網模式下進行充電儲存能量。

　　微電網系統結構

　　設計的儲能系統以確保微電網電能質量為目標，系統結構如圖1所示。其中，儲能介質的選擇至關重要，鋰電池組憑借其安全性能高、能量密度大及動作速度快等特性，成為大容量儲能蓄電的最佳選擇，本系統即使用單體標稱容量為50A·h的鋰電池組作為存儲介質。

　　圖1中，儲能系統控制部分采集微電網相關信息進行系統計算和充、放電邏輯選擇，生成多路PWM信號，對雙向DC-DC變換器和雙向DC-AC變換器實施控制，從而對儲能系統工作模式與狀態進行選擇切換。其中，雙向DC-DC變換器在充、放電過程中作為穩壓接口電路調節鋰電池組的蓄能和釋能。雙向DC-AC變換器將儲能系統經LC濾波電路與可變負載連接，最后通過靜態開關與主網相聯。

　　儲能系統建模

　　1.鋰電池組數學模型

　　當前的大容量鋰電池組研究中，電池組主要采用內阻模型[4]。內阻模型將電池組等效為理想電流源與電阻串聯。儲能系統中，鋰電池組的端電壓Ub和電池充電狀態[5]SOC(StateofCharge)是系統的重要參量。計算公式為

　　2.雙向DC-DC變換器

　　由于儲能系統通過雙向DC-AC變換器與交流母線聯接時需要穩定的直流電壓，而鋰電池組充放電時出口電壓變化幅度非常大，通常使用雙向DC-DC變換器作為接口電路，實現DC-AC變換器直流側電壓的恒定。本系統選擇雙向半橋變換器作為DC-DC主電路[6]。

　　雙向DC-DC變換器有充電和放電兩種工作模式[7]。充電模式時DC-DC變換器工作在buck狀態，能量由電網流向鋰電池組，為其充電;放電模式時DC-DC變換器工作在boost狀態，能量由鋰電池組流向電網，鋰電池組進行放電。

　　3.雙向DC-AC變換器

　　雙向DC-AC變換器既可以將直流電逆變為三相交流電，也可以將交流電整流為穩定的直流電。目前，主要有電壓源型和電流源型變換器，電壓源型變換器輸出電壓可控，而電流源型變換器輸出電流可控。對于儲能系統來說，一般要求其輸出電壓穩定，故本系統選擇電壓源型變換器[7]。

　　儲能系統控制

　　系統控制主要包括能量管理系統邏輯、雙向DC-DC變換器控制部分和雙向DC-AC變換器控制部分，控制系統決定了儲能系統的性能。

　　1.儲能系統能量管理工作邏輯

　　微電網能量管理系統(EMS)決定微電網的運行模式，如圖2所示。應當指出，鋰電池組的荷電狀態SOC不能直接測量，但是可以通過式(2)求得。

　　圖2中，SOCmax為鋰電池組最高荷電狀態，即此時鋰電池組飽合不可進行充電;SOCmin為鋰電池最低荷電狀態，此時鋰電池組嚴重虧電不可進行放電;Pnet為孤島內負荷功率需求量;Pmax為儲能系統可提供的最大功率;Ubattery為鋰電池的出口端電壓;Ucharge為恒壓、恒流充電狀態的切換條件電壓。

　　主網電能質量依據IEEE1547TM[8]相關標準進行判定。

　　2.雙向DC-DC變換器控制

　　雙向DC-DC變換器的作用是維持DC-AC變換器直流側電壓恒定。當儲能設備充、放電時，DC-AC變換器直流側電壓始終恒定，可以減小DC-AC變換器控制系統的偏差，保持系統穩定，從而使交流側輸出或輸入的頻率和電壓穩定，保證整個系統可靠運行。其控制框圖如圖3所示。

　　系統采用限功率恒流/恒壓方式充、放電。在綜合考慮儲能設備狀態和網側直流電壓狀態后，選通Sboost或Sbuck開關信號即可實現雙向功率流動功能。

　　3.雙向DC-AC變換器控制

　　重點介紹雙向DC-AC變換器逆變工作模式的控制。逆變工作模式選擇V/f下垂控制策略，控制目標為DC-AC變換器交流側三相電壓與頻率，控制結構如圖4所示。

　　圖4中，Ln、Cn及Rn分別為濾波器的電感、電容及電阻;Zn為負載阻抗(n=a、b、c);Vn為逆變器輸出電壓;iLn為其輸出電流;un為負載電壓;icn為流向濾波器電容電流;Snb為控制信號。

　　圖4中，V/f下垂控制器主要由功率控制器和電壓、電流雙環控制器組成。首先通過采集負載電壓和逆變器輸出的電壓和電流，計算出微電源輸出的有功功率和無功功率，然后經功率控制器得到相應三相瞬時參考電壓udref、uqref，最后通過電壓、電流雙環控制器產生開關信號，實現對DC-AC變換器的逆變工作模式控制。雙向DC-AC變換器整流工作控制目標為直流側電壓，此處不再贅述。

　　雙向功率流動功能控制方法與雙向DC-DC變換器控制方法類似。整流和逆變兩種工作模式各輸出六路PWM控制信號，綜合考慮儲能設備狀態和主網狀態后，選通相應開關信號即可實現。

　　儲能系統仿真分析

　　進行系統實現前，根據實際系統參數，在Matlab/Simulink環境中進行數值仿真，驗證方案的可行性，為系統實現提供理論依據。

　　1.樣機系統參數

　　儲能系統樣機及微電網主要參數如下：

　　鋰電池儲能裝置單體額定電壓為3.2V，標稱容量為50A·h，150塊串聯，鋰電池組出口額定電壓為480V，額定功率為50kW，充放電限制電流為100A;雙向DC-AC變換器直流網側電壓為648～852V。DC-AC交流網側線電壓為380(1±10%)V，頻率為(50±0.2)Hz，開關頻率為20kHz，濾波電感為1mH，濾波電容為510μF。

　　2.Matlab/Simulink數值仿真結果及分析

　　按照微電網儲能系統結構與系統參數，在Matlab/Simulink環境下搭建微電網儲能系統。并進行以下三種模式的仿真實驗。

　　(1)孤島模式

　　孤島模式為系統工作于孤島模式逆變狀態下，微電網儲能系統的設計PowerSystem由儲能系統為微電網內負荷供電。實驗過程中對負荷由10kW增加至20kW左右，對DC-AC交流側三相電流進行觀測，波形如圖5所示。

　　對三相電壓電流幅值、波形和頻率進行觀測，均滿足電能質量標準，DC-AC直流側電壓在DC-DC變換器控制下保持在648～852V有效范圍內。

　　(2)并網模式

　　并網模式由主網對微電網內負荷和儲能系統供電，儲能系統工作在整流充電模式。對DC-AC變換器直流側電壓、鋰電池池組充電電流進行觀測。經分析，三相電壓電流幅值、波形和頻率均滿足電能質量標準，DC-AC變換器直流側電壓在DC-DC變換器控制下保持在648～852V有效范圍內，鋰電池組充電電流在DC-DC變換器恒流控制下在限流范圍內正常工作。

　　(3)模式切換

　　并網與孤島兩種運行模式切換過程中的電能質量是儲能系統的一個重要指標。分別在仿真時間0.05s時進行孤島至并網模式切換和并網至孤島模式切換。經分析，兩種模式相互切換時，電能質量在切換瞬間出現幅度和波形的瞬間波動，但交流網側電壓波形和頻率均滿足電能質量要求。

　　通過Matlab/Simulink數值仿真，儲能系統控制達到相關標準，有待系統試驗驗證。

　　系統樣機試驗結果與分析

　　對試驗系統的實際運行效果，進行了2組儲能系統孤島模式下帶負荷放電試驗，1組并網模式下整流充電試驗和2組模式切換試驗。

　　1)儲能系統孤島模式下帶負荷放電試驗，三相平衡負荷：Ra=29.4Ω，Rb=30.3Ω，Rc=30.11Ω。

　　2)儲能系統孤島模式下帶負荷放電試驗，三相平衡負荷：Ra=20.1Ω，Rb=20.1Ω，Rc=19.9Ω。

　　3)并網與孤島模式切換試驗，DC-AC變換器交流側三相電壓波形如圖6所示。

　　通過分析儲能系統孤島模式下帶負荷放電試驗結果，儲能系統在V/f下垂控制下逆變輸出三相交流相電壓，有效值為215V，頻率為49.96Hz，均達到標準要求;分析儲能系統并網模式下整流充電試驗結果，雙向DC-AC變換器直流側電壓在整流控制下維持在有效值690V，達到標準要求;分析圖6中兩種模式間切換試驗結果，交流電壓有效值分別為225.84V和226.38V，均在電能質量標準電壓220(1±5%)V范圍內，頻率50Hz亦滿足標準要求。

　　結束語

　　運用Matlab/Simulink數值仿真實驗，驗證儲能系統中雙向DC-DC變換器和雙向DC-AC變換器的功率電路及其控制部分各項指標滿足要求，驗證了系統的可行性。并通過樣機試驗，驗證系統相關指標滿足微電網并網、孤島工作模式和不同模式切換過程的電能質量要求，系統運行穩定。但在當前全球能量短缺的背景下，系統能否在包含太陽能、風力發電單元等多種形式微電源的復雜微電網環境中，在更加完善的上層能量管理系統控制下安全、穩定和高效運行，應該是下步繼續完善的主要方向。

　　參考文獻

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