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混合儲能系統在風光互補微電網中的應用

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年09月03日  

殷桂梁,李相男,郭磊,李曉亮


(燕山大學電氣工程學院,秦皇島066004)


摘要:光伏發電和風力發電輸出功率具有間歇性和隨機性的特點,為了提升微電源的性能,將儲能裝置應用于風光互補的微電網中。采用超級電容與蓄電池的混合儲能系統,通過對DC/DC變換器控制策略的合理設計,實現了蓄電池恒流充放電,延長了使用壽命;針對傳統PID控制的不足,采用響應速度更快、控制效果更好的滑模變結構控制方法;為了平抑風光互補微電網并網功率,并在孤島運行時提供穩定的電壓頻率支持,采用低壓微電網的下垂控制策略。在孤島運行時,分別在風速、光照強度改變以及負載變化的情況進行了仿真評估混合儲能系統的性能,結果表明,混合儲能系統能夠提高風光互補微電網的電能質量。


為了更高效地利用可再生能源,在太陽能、風能資源比較豐富的地區,構建風光互補微電網進行發電,可以提高微電網供電的連續性、穩定性和可靠性[1-2]。典型的風光互補微電網由風力發電單元、光伏發電單元、儲能系統及負荷組成[3]。其中,儲能對于微電網的不間斷供電、電力調峰、電能質量的改善和微電源性能的提升具有非常重要的作用,是微電網安全可靠運行的關鍵[4-5]。


蓄電池儲能具有能量密度大、運行維護簡便的優點[6],超級電容器具有功率密度大、循環壽命長、充放電效率高的優點[7],二者在技術性能上有互補性[8],通過合理連接混合使用,可使系統兼具蓄電池的高能量密度和超級電容器的高功率密度的優點,并可以優化蓄電池的工作環境。文獻[9-10]對混合儲能應用于獨立的光伏發電系統進行了研究,研究表明混合儲能應用于獨立光伏系統,可以降低蓄電池的放電深度,提高光伏系統的能量轉換效率;文獻[11-12]將混合儲能系統應用在風力發電中,結果表明,混合儲能可以迅速平衡系統瞬時功率,改善風電功率波動,優化蓄電池的工作狀態,延長其使用壽命;文獻[13]在分析微電網穩定運行對儲能要求的基礎上,提出適用于微電網的混合儲能控制策略,在滿足微電網運行需求的前提下,混合儲能結構能夠延長蓄電池的使用壽命,有較強的技術經濟性。


本文深入分析了含有混合儲能系統的風光互補微電網的拓撲結構和控制策略,進而在孤島模式下進行仿真,考慮了當外界自然條件和負載變化時,混合儲能系統的加入對于負載電壓和系統頻率的影響,驗證了混合儲能系統的加入對于提高電能質量的作用。


1儲能系統結構


混合儲能系統由蓄電池組、超級電容器組、雙向DC/DC變換器和雙向DC/AC變換器組成,結構如圖1所示。其中,UB和RB為蓄電池組電壓和等效內阻;L為雙向DC/DC變換器電感;iL為流過電感上的電流;C為直流母線電容;udc為直流母線電壓;Usc和Rsc為超級電容器組等效電壓源和等效內阻;Lf為變換器濾波電感;Cf為變換器濾波電容;Rf為變換器濾波電阻;Zln為線路阻抗;Z為恒阻抗負載;Ui、Il分別為變換器輸出的電壓和濾波電感上的電流;Uldi為濾波電容上的電壓;Ici為流向濾波電容上的電流;Iln為流向負載和電網的電流之和。


蓄電池組通過雙向buck/boost變換器與超級電容器組一起并聯在三相變換器的直流母線上,三相變換器經過LC濾波器接入風光互補微電網的交流母線上,通過與微電網之間有功和無功功率的交換實現系統的瞬時功率平衡和穩定控制。


2雙向DC/DC變換器的控制策略


為了驗證DC/DC變換器滑模變結構控制方法的響應速度和控制效果,搭建如圖1所示的混合儲能系統,系統中將三相逆變器部分等效為恒功率負載。系統參數為:超級電容器電容15F,額定電壓900V,初始電壓850V,內阻0.1Ω;蓄電池容量100A·h,額定電壓240V,內阻0.5Ω;雙向DC/DC變換器電感9mH;負載電阻100Ω。仿真得到傳統PID控制與滑模變結構控制時電感電流仿真波形,如圖4所示。


兩種控制方法都能使電感電流有效地跟蹤給定電流,采用PID控制方法輸出的電感電流紋波約為20%,而采用滑模變結構控制方法輸出的電感電流紋波約為5.7%。由此可以看出,采用滑模變結構的控制方法輸出的電感電流紋波更小,響應的速度也更快。


3雙向DC/AC變換器的控制策略


當光照、溫度、風力發生變化時,風光互補的微電網輸出功率波動很大,這就要求混合儲能系統能夠平抑分布式電源的并網功率,減少功率波動對微電網系統的沖擊,而在孤島運行時能夠提供微電網系統的電壓和頻率參考,且能合理分擔負荷的功率,維持整個系統的功率平衡。因而,雙向DC/AC變換器采用控制靈活、簡單的下垂控制策略。


在低壓微電網中,微電源輸出的有功功率主要與輸出電壓的幅值有關,而無功功率主要與輸出電壓相角有關。因而,傳統的下垂控制方程變為


根據上述低壓下垂特性,設計得到功率控制器,如圖5所示。同時為了改善三相輸出電能,需對電壓和電流進行精確、動態的控制,其中最典型的控制策略是電壓電流雙環控制,如圖6所示。


輸出電壓與功率控制器得到的參考電壓信號相比較,其差值經過電壓環PI控制器和前饋解耦控制得到電流內環的參考電流。濾波電感電流與參考電流的差值經過電流環PI控制器、前饋解耦和電壓前饋補償得到SPWM調制電壓信號。


4仿真分析


為了驗證混合儲能系統在風光互補微電網中的重要性,構建一個風光互補的微電網,結構如圖7所示,系統由光伏發電(31kW)、雙饋風力發電(35kW)以及超級電容蓄電池混合儲能系統(蓄電池容量100Ah,額定電壓240V,超級電容器電容15F,額定電壓900V)和負載組成,通過線路、斷路器連接到大電網中。超級電容蓄電池混合儲能接在公共母線上,用于穩定母線電壓,并在孤島運行時采用下垂控制,吸收或補給功率缺額,維持整個系統的功率平衡。負載1、2為本地負載,負載3為重要負載,運行時應保證其供電可靠性,負載4、5為普通負載,必要時可以切除,負載6為沖擊性負載。


4.1孤島運行時光照強度、風速變化仿真分析


太陽的光照強度和風機的風速隨機的發生變化。本地負載1、2和重要負載3接入系統,負載1:P=5kW,Q=3kvar;負載2:P=8kW,Q=3kvar;負載3:P=20kW,Q=0kvar。仿真結果如圖8所示。


由圖8(a)、(b)可以看出,光伏和風機的輸出功率隨著太陽的光照強度和風機的風速隨機的發生變化,具有很大的隨機性、波動性。由圖8(c)、(d)可以看出,在風速和光照強度變化時,負載3電壓基本保持不變,維持在標幺值1p.u.附近,系統頻率始終穩定在50Hz附近,滿足了重要負荷的供電可靠性。


整個仿真過程表明,當外界條件發生變化,風光互補微電網輸出功率波動很大時,儲能系統能夠平抑功率的波動,提供微電網的電壓和頻率支持,且能夠合理地分擔負載功率,維持整個系統的功率平衡。


4.2孤島運行時負載變化仿真分析


太陽的光照強度恒為1000W/m2,風機的風速恒為8m/s。本地負載1、2和重要負載3以及普通負載4接入系統,負載1:P=10kW,Q=3kvar;負載2:P=13kW,Q=3kvar;負載3:P=25kW,Q=0kvar;負載4:P=10kW,Q=0kvar。t=1s時突加沖擊負載:t=1.0~1.25s總的負載消耗有功功率由58kW逐漸增加到80kW,無功功率由6kvar逐漸增加到10kvar;t=1.25~1.5s總的負載消耗有功功率由80kW逐漸降到58kW,無功功率由10kvar逐漸降到6kvar。t=3s時突加負載5,P=5kW,Q=500var,t=4s時切除負載5,t=5s時突甩負載4。得到的系統仿真結果如圖9所示。


由圖9(a)、(b)可以看出,光伏輸出功率恒為P=31kW,Q=0kvar;風機輸出功率恒為P=28kW,Q=6kvar。由圖9(d)可以看出,由于混合儲能系統提供穩定的頻率支持,使得系統頻率一直穩定在50Hz附近,滿足了重要負荷的供電可靠性。


在t=1s時突加沖擊負載,由圖9(d)、(e)可以看出,無混合儲能系統時,突加沖擊負載則重要負載3電壓下降到0.8p.u.左右,系統頻率在49.5~50.5Hz上下波動較大,不能滿足負載穩定性要求;


加混合儲能系統時,在突加沖擊負載前后,負載兩端電壓基本保持不變,維持在1p.u.附近,系統頻率維持在50Hz附近,滿足負載的供電可靠性。


在無混合儲能系統時,t=3s時,突加負載5。由圖9(e)可以看出,由于系統存在功率缺額,重要負載3電壓下降到0.9p.u.,t=5s時,突甩負載4,重要負載3電壓在0.95~1.2p.u.上下波動;在加入混合儲能系統以后,在突加、突甩負載時,混合儲能系統使整個微網功率平衡并向系統提供電壓支持,負載3電壓穩定在標幺值1。


整個仿真過程表明,系統孤島運行時,突加沖擊負載和突加、突甩負載時,儲能系統能夠維持系統功率平衡,穩定系統電壓和頻率,使整個過程中電壓幅值和頻率的變化始終在允許的范圍內,滿足電能質量的要求。


5結語


混合儲能對于風光互補微電網內部能量的瞬時平衡,維持微電網的穩定運行以及改善微電源的性能具有非常重要的作用。本文采用適合風光互補微電網的混合儲能系統結構,合理設計了雙向DC/DC、雙向DC/AC變換器的控制策略,并構建了風光互補微電網,針對系統孤島運行時光照強度、風速變化;突加、突甩負載;突加沖擊負載3種情況進行了仿真分析。仿真結果表明儲能系統能夠提供風光互補微電網的電壓和頻率參考,維持整個系統的功率平衡,提高微電網的電能質量。


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