摘要：微电网是高效规模利用分布式电源的重要途径之一。针对微电网并网运行与孤岛运行方式之间的切换，提出一种含复合储能装置的微电网优化控制策略。在分析蓄电池及超级电容器特点的基础上，将功率密度高的超级电容器和能量密度大的蓄电池组成复合储能装置，用于由分布式电源组成的微电网作为主控电源，以实现微电网的平滑切换为目标。
关键词：微电网；分布式发电；复合储能
微电网是一种将分布式电源、储能装置、负荷、变流器及监控保护装置等有机整合在一起的小型发配电系统。它可以充分发挥分布式发电在经济、节能及环保中的优势，协调与大电网的矛盾，具有较高的灵活性与可调度性。微电网中主要电源的输出功率具有较大的波动性和随机性，利用储能技术可以解决这些问题。微电网对储能既有速度方面的要求，又有容量方面的要求，一种储能元件很难同时满足这些要求，因此，复合储能技术需要深入研究。
对于平抑由分布式能源组成的微电网的功率平衡及安全稳定运行具有积极的意义。本文在详细分析了由风电机组、光伏阵列组成的微电网安全稳定运行对储能需求的基础上，建立了风电机组、光伏阵列及超级电容器和蓄电池组成的复合储能系统及控制模型。提出了适应于微电网的复合储能结构及优化控制策略，并进行仿真研究，分析复合储能系统在微电网运行方式切换及平衡系统功率，提高系统可靠性等方面产生的成效。微电网中频繁的充放电容易造成蓄电池温度升高，严重影响蓄电池的寿命，且不能用于快速功率补偿；超级电容器充电功率大，速度快，使用寿命长，可以完成稳定频率、电压、补偿随时电压变化等功能。所以，蓄电池与超级电容器组成的复合储能系统，具有容量密度高、功率密度大、使用寿命长等特点，对于平抑由分布式能源组成的微电网的功率平衡及安全稳定运行具有积极的意义。
近年来，许多国内外专家学者，在利用混合储能平抑间隙式电源功率波动方面进行了卓有成效的研究。将锂电池与超级电容器的组合形式应用在独立光伏电站，快速平衡系统瞬时功率，维持系统的可靠性；将锂电池与超级电容器组成的复合储能装置应用于并网光伏电站，优化了光伏电站的输出功率、降低储能系统运行成本。利用超级电容器与蓄电池的组合，提高储能系统的技术经济性。此外，在微电网并网与孤岛运行方式的切换策略等方面进行了大量的研究。
基于上述研究可知，由超级电容器和蓄电池组成的复合储系统，在应对由分布式新能源组成的微电网频繁快速功率变化、无缝切换控制等方面具有良好的应用前景。本文详细分析了由风电机组、光伏阵列组成的微电网安全稳定运行对储能需求的基础上，建立了风电机组、光伏阵列及超级电容器和蓄电池组成的复合储能系统及控制模型。提出了适应于该类型微电网的复合储能系统结构及优化控制策略，并对系统进行仿真研究，分析复合储能系统在微电网运行方式切换及平衡系统功率，提高系统可靠性等方面的效果。
1系统模型及其控制
本文采用的微电网系统结构交流母线电压为0.4kV，通过升压变压器(T)经公共连接点接入10kV配电网。系统主要由风力发电机组、光伏阵列、蓄电池、超级电容器及控制器组成。
1.1系统模型
1）光伏电池的模型
光伏电池阵列由一定数量的单体电池经串并联组成。它的输出功率与光照强度、环境温度等因素有关。U，I分别为光伏电池输出电压、电流，Iph为光生电流，ID，UD分别为电池P-N结产生的扩散电流和端电压，Rs，Rsh分别为电池的串联和并联电阻。
2）复合储能装置模型
由蓄电池和超级电容器组成的复合储能装置,UB、RB分别为蓄电池的等效电压和内阻，L为双向DC/DC的电感，S1、S2、D1、D2为功率开关管，C为直流母线电容，USC、RSC分别为超级电容器等效电压和内阻。超级电容器由于其容量巨大，充放电周期长，可用一个理想电压源和一个等效内阻串联来等效。超级电容器和蓄电池由储能控制器控制经双向变换(DC/DC)后接入直流母线。这种连接方式的优点是可以使蓄电池、超级电容器工作在不同的电压范围，使两者的容量配置与组合形式灵活可变。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在复合储能的容量配置方面，蓄电池的容量应能保证微电网中重要负荷的正常供电；超级电容器主要应对切换瞬间的功率平衡，所配容量应满足微电网中所有负荷的功率要求。
2系统控制
2.1并网运行控制策略：当并网运行时，微电网内的功率缺额由配电网来平衡，频率调整和电压控制都由配电网来负责，网内分布式发电，DG)逆变器均采用P/Q控制方式。
2.2孤岛运行控制策略：当孤岛运行时，复合储能系统采用U/F控制方式，为微电网提供频率和电压支持，并跟踪负荷的变化，其余DG采用P/Q控制方式。
2.3复合储能控制策略：复合储能系统的双向DC/DG变换器采用Buck/Boost功率变换器形式。这种结构体积小、工作效率高。当S1作，S2驱动闭锁时，变换器处于Buck模式；当S1驱动闭锁，S2动作时，变换器处于Boost模式。这种策略可以灵活多层次地设定蓄电池的充放电电流及其相互之间的转换过程。
2.4无缝切换控制策略：当微电网处于并网模式、孤岛模式或者在并网/孤岛无缝切换模式的情况下，微电网最主要的任务就是保证微电网系统内的所有敏感负荷可靠正常的运行；另一方面，在并网模式和孤岛模式之间进行无缝切换的过程中，微电网内负荷端的电压幅值和相位不能发生较大的变化；同时在并网过程中不能产生很大的电流冲击，导致系统的崩溃。只要上述条件能够得到保证，微电网就可以在并网模式和孤岛模式之间成功地进行无缝切换。
3仿真结果及分析
本文在PSCAD/EMTDC软件平台上搭建了微电网模型。仿真主要参数设置如下:光伏发电容量为15kW，风力发电为20kW；蓄电池容量为100A•h，额定电压为240V，额定放电率为0.3C，超级电容器为10F，额定电压360V；负荷功率为40+j10kVA。微电网并网运行，所有DG均采用P/Q控制，在1s时，配网发生故障，检测到电压或频率越限，护动作，微电网与主配网断开，由并网转入孤网运行，储能装置控制方式由P/Q转为U/F方式；在2s时，配网故障消除，经检测，微电网与配电网侧电压、频率、相角差符合同期要求，保护动作，微电网重新与配电网并列运行，电气量恢复到孤网运行前的状态。分别给出单独使用蓄电池储能和使用复合储能两种情况下的结果可知，在1s之前，并网运行，蓄电池储能和复合储能情况下，微电网与配电网的频率都是50Hz，在1s时，功率不再平衡，由于蓄电池输出限制，频率波动较大；而复合储能，由于超级电容器功率密度大，及时弥补功率差额，频率波动也在允许的范围之内。2s后，转入并网运行，系统频率逐渐恢复到50Hz，复合储能比蓄电池储能情况所用时间更短。在1s之前，并网运行，蓄电池储能和复合储能情况下，微电网与配电网的电压近似为220V，在1s时，功率不再平衡，由于蓄电池输出限制，电压波动较大；在复合储能情况下，由于超级电容器功率密度大，及时弥补无功功率差额，使得孤网运行期间，电压波动符合要求。2s后，转入并网运行，电压逐渐恢复到孤网运行前水平，复合储能情况下，恢复速度更快。
4结论
基于蓄电池与超级电容器的特性，建立微电网的复合储能系统，提出微电网并网与孤岛运行方式平稳切换的控制策略，通过仿真实验得出如下结论：
1）复合储能兼具能量型储能及功率型储能的优点，且控制方式灵活、方便。对于实现微电网能量的瞬时平衡，维持微电网的稳定运行具有重要作用。
2）多层次的控制模式，在运行方式切换前后，使微电网的频率、电压及与配电网的角差都能保持在允许的范围之内，实现平滑切换。
3）在线检测频率、电压及相角差，切换时对电网的冲击很小，保证电网电能质量。在下一步的研究中，将考虑超级电容器与蓄电池的容量优化配置及微电网系统经济性的改善。
参考文献
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论文作者:曹凤霞,张英华,王书银
论文发表刊物:《电力设备》2018年第15期
论文发表时间:2018/8/22
标签：电网论文; 储能论文; 蓄电池论文; 电容器论文; 功率论文; 电压论文; 系统论文; 《电力设备》2018年第15期论文;