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

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