海岛直流微网复合储能系统控制策略设计与实现-北极星储能网

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我国海岸线绵长，岛屿众多，合理、有效地利用可再生能源发电，对解决海岛供电问题具有显著的实际意义。在海岛上建设由波浪能、潮流能和储能等多种分布式电源组成的微网系统，为海岛发展提供绿色电力，成为了目前海岛供电的新思路。但波浪能和潮流能发电的输出功率依赖于气候条件，具有很大的间歇性及不可控性，供电质量难以满足用户需求。为了平抑直流母线电压的波动，提升微网系统的运行稳定性和可靠性，必须添加相应的储能设施。然而，单一的储能单元无法完全满足海岛发电微源的波动性。因此，复合储能的充放电控制策略在近年来成为直流微网系统的研究热点。

整体研究思路及创新点

论文首先根据微网整体结构特征，确定了储能系统采用恒压充放电模式来维持母线电压稳定。通过分析对比蓄电池和超级电容的充放电特性，制定了各自的控制策略，在进行协调控制时提出了一种新的基于母线电压的复合储能协调控制策略，通过实验，证明了此种控制策略的可行性。

系统结构分析

3.1集成供电系统介绍

本文的研究基于“300 kW海洋能集成供电示范系统”(863计划)项目开展，系统结构如图1所示。该直流微网系统由海上发电厂、储能单元、电能变换及传输和终端负载四部分组成。其中发电端为2台100kW的波浪能装置和1台100kW的潮流能发电装置，其输出的电能经海底电缆输送上岸后，经AC/DC、DC/DC变换器并入直流母线;储能单元各自通过双向DC/DC变换器并入母线，最终统一经DC/AC变换器逆变后，为终端负载供电。

图1 集成供电系统结构

3.2复合储能拓扑结构研究

通过分析对比3种复合储能系统结构：蓄电池直接并联在母线上，超级电容通过DC/DC变换器并联在蓄电池上;超级电容直接并联在母线上，蓄电池通过DC/DC变换器并联在超级电容上;蓄电池和超级电容分别通过各自的DC/DC变换器并联在直流母线上。最终确定了第3种复合储能结构。

复合储能控制策略研究

4.1蓄电池控制策略

蓄电池的控制目标是调整直流母线电压，维持整个微网内部的功率平衡，所以采用电压电流双环控制实现蓄电池的恒压放电和恒压充电。同时对恒压放电模式又根据需求分为恒压限流模式和恒压不限流模式，而充电时采用恒压限流充电模式。

4.2超级电容控制策略

为了充分利用超级电容瞬时大功率放电特性，加快超级电容的响应速度，采用电压单环控制实现超级电容的恒压充/放电功能。

4.3协调控制策略

本文提出了一种新的基于母线电压的复合储能协调控制策略，如图2所示。将母线电压用3个阈值分成5个工作区域。在不同的工作区域采用不同模式。通过协调控制，来共同维持母线电压。

图2 复合储能系统工作模式及母线电压示意图

实验验证

5.1实验设计

本文实验设计了储能系统充电和放电2种实验方案，以验证不同工况下所设计的复合储能系统协调控制策略的合理性和有效性，2种实验方案如下。

a. 实验方案1：系统初始状态下母线功率达到动态平衡，母线电压维持在540V，某一时刻减小负载功率，使直流母线电压突然抬升，观察蓄电池能否自动进入充电模式;之后某一时刻，继续减小负载功率，使母线电压继续抬升，观察超级电容能否自动投入工作，维持母线电压稳定。此方案下的负载功率变化过程为10kW→5kW→0。

b. 实验方案2：系统初始状态下母线功率达到动态平衡，母线电压维持在540V，某一时刻增大负载功率，使直流母线电压突然降低，观察蓄电池能否自动进入放电模式;之后某一时刻，继续增大负载功率，使母线电压继续降低，观察超级电容能否自动投入工作;持续运行一段时间后，观察当超级电容停止放电(放电电压至工作下限保护值)时，蓄电池能否持续维持母线电压的稳定;随后不断减小负载功率，观察超级电容、蓄电池能否依次停止放电，并将母线电压稳定至额定值540V。此方案下负载功率变化过程为10kW→15kW→20kW→15kW→10kW。

5.2实验结果分析

2 种实验方案的参数波形图分别如图3、图4所示。实验结果表明，本文设计的复合储能协调控制策略能够实现储能装置根据母线电压的变化进行充放电模式的自动切换，并有效、迅速地将母线电压稳定在设定范围内。