CN112165113A - 基于对混合储能系统控制的保障微电网电能质量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电能质量技术领域，尤其涉及一种基于对混合储能系统控制的保障微电网电能质量的方法。通过对储能电流器的控制可以实现根据微电网系统功率的平衡情况释放电能或吸收电能，并具有良好的响应速度。包括以下步骤：步骤1、采用能量型锌溴液流电池及功率型钛酸锂电池的混合储能方式，实现了光储微电网电压的动态调节；步骤2、采用对储能系统的DC/AC变流器和DC/DC变流器的两级控制策略应用于微电网并网运行；步骤3、采用对储能系统的改进下垂无差调频控制方法应用于该微电网的离网运行控制。

Description

基于对混合储能系统控制的保障微电网电能质量的方法
技术领域
本发明涉及电能质量技术领域，尤其涉及一种基于对混合储能系统控制的保障微电网电能质量的方法。
背景技术
微电网规模较小但运行方式灵活，是对大电网很好的补充，并且能够提高太阳能等新能源的利用率，具有良好的经济和社会价值，但由于光照、风速的间接性和随机性，光伏和风力发电机组直接接入电网时往往会带来电能质量问题，影响电网供电的稳定性。
电网的电压暂降(电压跌落)、电压骤升对敏感用户的影响较大，是微电网主要的电能质量问题，电压跌落值时电压有效值可降落至额定值的10％～90％，且持续时间为工频半个周期到1min。当与微电网连接的电力系统发生短路故障而故障没有被及时切除情况下，微电网可能发生电压暂降，当微电网内有大容量负载(尤其电动机)投切等原因也可能引起电压暂降或暂升。
微电网中的非线性负荷也是微电网电流谐波的重要来源，微电网内光伏逆变器、储能变流器等电力电子接口会也产生谐波，所以微电网内谐波问题是尤为突出的电能质量问题，一般5、7次谐波占谐波的主要成分，对谐波应采取有效的治理方法。
微电网电能质量问题还包括微电网系统的频率波动、电压偏差等方面。如何提高对微电网内敏感负荷的供电质量是目前微电网研究要解决的重点问题之一。
发明内容
本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于对混合储能系统控制的保障微电网电能质量的方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，包括以下步骤：
步骤1、采用能量型锌溴液流电池及功率型钛酸锂电池的混合储能方式，实现了光储微电网电压的动态调节；
步骤2、采用对储能系统的DC/AC变流器和DC/DC变流器的两级控制策略应用于微电网并网运行；
步骤3、采用对储能系统的改进下垂无差调频控制方法应用于该微电网的离网运行控制。
进一步地，采用能量型锌溴液流电池和功率型钛酸锂电池分别经电压型双向DC/DC变流器可控升压至700V接直流母线，再经电压型双向DC/AC可控变流器输出400V交流电压接交流母线。
进一步地，DC/DC变流器用于对直流母线提供稳定的直流电压支持，也控制储能设备与直流母线的功率交换，使控制储能设备的充电或放电。(其中对两个DC/DC变流器控制应相互协调，使两种不同特性的储能电池充分发挥自己的优点。)
进一步地，DC/AC可控变流器是控制微电网储能系统与微电网交流母线之间的功率传输，通过控制策略，实现储能系统与光伏等微电源预期的能量交换方式以及微电网与大电网之间的预期的能量交换方式。
进一步地，对混合储能系统的DC/DC变流器控制中，采用了基于功率波动性质的分配方法协调控制方法，采用低通滤波率分配方法，将功率偏差积分信号分成两部分指令信号，其中的低频指令信号部分用于锌溴液流电池的控制回路，控制PWM1、PWM2发出脉宽调制脉冲，分别控制锌溴液流电池的充、放电；另一部分信号是输入信号减去低频信号，看作高频指令信号，用于钛酸锂电池的控制回路，控制PWM3、PWM4发出脉宽调制脉冲，分别控制钛酸锂电池的充、放电。
进一步地，对混合储能系统的DC/AC变流器控制中，并网时控制部分采用由功无功解耦控制(PQ控制)，并离网控制模式的转换采用PQ控制→改进下垂控制；通过并网时的对储能变流器的PQ控制，配合能量管理系统实现微电网与大电网的功率交换。
更进一步地，电刚从并网运行转为离网运行前，应先将储能变流器由PQ控制转为下垂控制；为保证转换过程中不影响系统的潮流分布，需要确保转换前后储能变流器输出的电压角度、电压幅值、频率、输出功率均没有跳变；保持变流器控制方式转换到在下垂控制时，储能变流器出口处的输出功率为P0和Q0，初始频率f0和初始电压U0与切换前的电网电气参数相同。
进一步地，DC/AC变流器控制策略由恒功率控制切换到改进下垂无差调频控制方法，改进下垂无差调频控制方法在对传统下垂特性进行改进，在下垂特性环节前加入积分，得到对微电网储能系统DC/AC变流器的二次调频控制策略。
与现有技术相比本发明有益效果。
本发明提出微电网采用混合储能系统即锌溴液流电池和钛酸锂电池，通过对储能电流器的控制可以实现根据微电网系统功率的平衡情况释放电能或吸收电能，并具有良好的响应速度。储能系统可以实现在微电网联网运行时控制联络线功率、在微电网独立运行时支撑系统电压和频率等多方面的作用，从而优化微电网系统运行方式和保证微电网的电能质量。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1是本发明储能系统拓扑示意图。
图2是本发明微电网储能系统的双向充放电主电路示意图。
图3是本发明DC/DC变流器的两种电池的混合储能控制仿真模型部分。
图4是混合储能部分参数设置表1。
图5是微电源二次调频控制。
图6是改进下垂控制环节的主要参数设置表2。
图7是算例中微电网功率平衡情况。
图8是算例中交流母线电压跌落情况。
图9是算例中交流母线频率情况。
图10a是算例中交流母线谐波情况t＝1.5～1.6秒。
图10b是算例中交流母线谐波情况t＝2～2.1秒。
具体实施方式
如图所示，本发明包括基于对混合储能设备控制的角度研究了保障微电网电能质量的方法。提出采用能量型储能电池锌溴液流电池和功率型储能电池钛酸锂电池的混合储能方式，实现了光储微电网电压的动态调节，采用对储能系统的DC/AC变流器和DC/DC变流器的两级控制策略应用于微电网并网运行，并且采用对储能系统的改进下垂无差调频控制方法应用于该微电网的离网运行控制，在MATLAB平台下进行了仿真实验研究。
1、微电网系统的储能及其变流器部分。
图1是本文研究的一个微电网的储能及其变流器部分，采用能量型锌溴液流电池和功率型钛酸锂电池分别经电压型双向DC/DC变流器可控升压至700V接直流母线，再经电压型双向DC/AC可控变流器输出400V交流电压接交流母线。
采用这种拓扑结构的优点是可以按确定的算法通过各自的DC/DC变流器分别对混合储能的两种电池进行控制，根据直流母线电压和微电网功率平衡情况，迅速调节电池1(锌溴液流电池)和电池2(钛酸锂电池)的输入或输出功率，在维持母线电压稳定和功率平衡的同时优化混合储能的内部功率分配。
DC/DC变流器的作用是对直流母线提供稳定的直流电压支持，也控制储能设备与直流母线的功率交换，使控制储能设备的充电或放电，其中对两个DC/DC变流器控制应相互协调，使两种不同特性的储能电池充分发挥自己的优点。
在微电网各种方式期间。DC/AC可控变流器是控制微电网储能系统与微电网交流母线之间的功率传输，通过对其采用合适的控制策略，实现储能系统与光伏等微电源预期的能量交换方式以及微电网与大电网之间的预期的能量交换方式。在微电网各种运行方式下，对储能系统的控制使其发挥正常作用是保证微电网电能质量的基础。
微电网储能电池的双向充放电主电路中采用典型的Buck-Boost双向DC/DC变流器结构如图2，主电路中还有电池侧电容Csc、直流母线侧电容CDC、升压电感L和等储能元件。
图2中变流器充放电电路的数学模型为。
Figure BDA0002758881300000051
由(1)式可得DC/DC变流器的传递函数，在根据公式(2)[3]可计算升压电感和直流母线电容值。
Figure BDA0002758881300000052
式中fPWM是变换器的开关频率；ΔiSC为电感电流脉动幅值最大允许值；实际仿真模型中L(LDC)取值为5×10-3H，CDC取值为4.7×10-3F。直流变换器占空比uSC/uDC＝400/700。
2.2本文中两种储能电池的混合储能控制。
如图3为DC/DC控制部分采用了两种电池的混合储能控制，用以实现储能系统内部功率合理分配，设battery1为储能电池1，是能量型储能电池锌溴液流电池；battery2为储能电池2是功率型储能电池钛酸锂电池。
基于功率波动性质的分配方法是混合储能系统中比较容易实现的方法，能够实现对混合储能系统的协调控制，实现混合储能系统内部功率的合理分配。进行混合储能系统功率分配的最合适方法是高通低通滤波功率分配方法。
本文对混合储能系统的DC/DC控制中，采用了基于功率波动性质的分配方法协调控制方法，采用低通滤波率分配方法，将功率偏差积分信号分成两部分指令信号，其中的低频指令信号部分用于电池1的控制回路，控制PWM1、PWM2发出脉宽调制脉冲，分别控制电池1的充、放电；另一部分信号是输入信号减去低频信号，看作高频指令信号，用于电池2的控制回路，控制PWM3、PWM4发出脉宽调制脉冲，分别控制电池2的充、放电。混合储能部分参数设置见表1，其中的参数没有统一的规范，应根据微电网功率分配情况和储能系统的具体情况设置，本文根据仿真结果调整采取合适的数值。
如上所述，对电池1和电池2采用了不同的控制算法，使电池2在微电网的负载变动和运行方式转换过暂态程中放电、充电功率变化显著，响应速度快，使系统瞬间功率平衡，储能电池1在微电网功率逐渐平衡后持续冲放电维持微电网功率平衡，这样充分利用了电池1能量密度大而电池2功率密度大的特点。储能电池2在微电网的负载变动和运行方式转换过暂态程中放电、充电功率变化显著，响应速度快，使系统瞬间功率平衡，储能电池1在微电网功率逐渐平衡后持续冲放电维持微电网功率平衡。
因此，通过对储能系统的DC/DC控制，在微电网出现功率平衡被破坏的情况下，混合储能系统迅速发挥作用，能量型锌溴液流电池和功率型钛酸锂电池优势互补，通过充放电及时维持系统功率平衡，以保证系统的电压、频率等方面的电能质量。
2.3储能系统的快充控制。
图3中的基于功率波动性质的分配方法混合储能协调控制方法，适用于微电网功率有较大变化的情况下，如投切比较大的负荷，并离网方式切换等情况下。在微电网稳定运行情况下，储能系统采取采用恒压恒流快充控制，保证微电网正常运行当中对储能系统的快速稳定充电。这两种控制模式由算法控制自动切换。
3、储能系统DC/AC变流器的控制。
本文中主电路采用单级式储能变流器、交流侧LC滤波器、三相全桥逆变电路(DC/AC)、直流侧电容等部分构成。并网时控制部分采用由功无功解耦控制(PQ控制)，并离网控制模式的转换采用PQ控制→改进下垂控制。
通过并网时的对储能变流器的PQ控制，配合能量管理系统实现微电网与大电网的功率交换。电刚从并网运行转为离网运行前，应先将储能变流器由PQ控制转为下垂控制。为保证转换过程中不影响系统的潮流分布，需要确保转换前后储能变流器输出的电压角度、电压幅值、频率、输出功率均没有跳变。要保持变流器控制方式转换到在下垂控制时，储能变流器出口处的输出功率为P0和Q0，初始频率f0和初始电压U0与切换前的电网电气参数相同。因此对储能变流器合理有效控制也是保证微电网电能质量的必要条件。
PQ控制中需要设定微电网的额定有功Pref和额定无功Qref，如何设定Pref和Qref决定了储能设备与微电源以及大电网交换功率的具体模式。
并网型微网中，储能功能多样，通过平滑分布式电源出力，减小其随机性和波动性对电网的冲击，通过对负荷进行削峰填谷，提高微电网的供电质量和供电可靠性。从这些方面来说应充分利用储能设备。但是储能的优先运行原则直接影响其自身的效率和寿命，微电网进行多次的不同运行策略对储能设备影响显著，在微电网工程寿命内可能需要多次更换。
本发明仿真研究了可供选择的储能系统与电网功率交换两种模式：1.储能优先模式，即无论在联网运行或单独运行期间，在光伏发电与微电网内负载不平衡的情况下首先考虑由储能设备充放电来平衡微电网内功率，再考虑与配电网交换功率。2.储能设备待机模式，即联网期间储能待机模式，当微电网切换到独立运行，再投入储能设备的功能。模式1有利于平滑光伏电源出力，减小微电网对配电网的影响；模式2有利于增加储能设备的寿命。本文仿真模型中采用了模式1。
4、储能系统的改进下垂控制。
下垂控制属于有差调节，为了减小下垂控制中产生的频率净差，对传统下垂特性进行改进，如图5所示在下垂特性环节前加入积分，得到对微电网储能系统DC/AC变流器的二次调频控制策略，在微电网离网单独运行期间，这种控制能够保障微电网的系统频率。
无差调节的结果使微电网在独立运行条件下其电压频率非常接近额定频率，有利于保证电能质量。
传统下垂控制中δPf为有功功率-频率下垂控制的下垂系数，δQV为无功功率-电压下垂控制的下垂系数，反应逆变器输出有功功率变化与输出频率变化的关系以及逆变器输出无功功率变化与输出电压变化的关系，合理设置δPf和δQV用于控制微电网中各微电源有功功率和无功功率的合理分配。
其中，δPf、δQV定义为：
Figure BDA0002758881300000091
本发明仿真模型中改进下垂控制环节的主要参数设置如表2。
5.微电网的电能质量指标分析典型算例。
本发明研究中，对微电网负荷阶跃和并离网转换典型算例进行仿真。
仿真时间为0秒到3秒。模拟了微电网在0秒至1秒联网运行，在2秒转为独立运行在2.5秒微电网负载变化的运行情况。
仿真结果如图7，光伏输出总有功功率为5+10+18+30＝63(kW)，微电网在2.5秒微电网负载有功功率由30kW增加到60kW，无功功率由10kVar增加到50kVar。
配电网功率传输正方向定义为由微电网向配电网传输为正，图中0秒到1秒光伏总功率大于负载总有功功率情况下，剩余功率被储能电池吸收；1秒到2秒光伏总功率小于负载总有功功率情况下，储能电池放电补充微电网有功功率的不足；
整个过程中配电网与微电网交换功率保持在很小的数值(接近零)，微电网内功率变化由储能电池来平衡，有利于在负载变化时减小微电网对配电网的冲击，也减小连接配电网与微电网的输电线路的传输功率，有利于减小输电线路上的传输功率损耗。
当负载功率数值较大，储能放电功率不足以维持微电网功率缺额的情况下，微电网将向微电网输入功率。
算例中，在2秒时刻转为独立运行微电网电压暂升约8％，在0.2秒内恢复，在2.5秒时刻微电网负载变化时，电压暂降约4％，在0.1秒内恢复，图8及图9说明储能系统迅速发挥作用，平衡了微电网功率的缺额。交流母线电压频率情况如图9。
电压谐波情况：微电网所带负载为线性负载，运行各阶段交流母线电压谐波分量如图10a、10b，满足电网谐波要求。
锌溴液流电池特点：
电解液为溴化锌，通过化学反应储存和释放电能；储存容量大，能量密度100Wh/L以上，液流特性，最小模块为50kWh，最大为1MWh，多台模块并联可组成百兆瓦级系统；可深度充放电，充放电深度可达100％，即使在SOC在10％以下仍可按额定功率放电。
钛酸锂电池的特点：具有充放电效率高，倍率放电等特性。新型锂电池，循环充放电次数三万次，使用寿命是磷酸铁锂电池的3倍。
本发明中提出在微电网功率比较平稳的状态下，储能电池采用恒流充电的模式，当微电网功率平衡关系有较大突变情况下，储能电池采用基于功率波动性质的功率分配方法。DC/AC变流器控制算法成熟，控制方便。
本发明中提出了DC/AC变流器控制的功率参考值几种设定方法，用以实现不同的功能。
本发明中微电网联网运行情况下，DC/AC变流器采用恒功率控制策略。DC/AC变流器的作用是根据设置的参考功率值Pref和Qref，使储能输入或输出总功率符合可供选择的储能系统与电网功率交换各种模式要求。以有功功率为例，定义配电网功率传输正方向为由微电网向配电网传输，微电网和配电网供给微电网负荷的总有功功率可表示为：P∑＝P光伏+P蓄电池1+P蓄电池2-P配电网，在微电网运行的各阶段，P负载与P∑基本平衡，因此有如下关系：Pref＝P蓄电池1+P蓄电池2＝P负载-P光伏+P配电网。
如果希望在微电网联网的稳定运行状态下，电池系统不充放电，功率平衡由P配电网改变来调整，可以设置Pref＝0，即储能系统处于待机状态，这种模式有利于延长储能电池的使用寿命，但微电网的功率变化会影响到配电网，且其联络线的功率会经常变化。
如果希望微电网与配电网之间的联络线传输功率为零，可设置Pref＝P蓄电池1+P蓄电池2＝P负载-P光伏，自然满足P配电网＝0。当然，也可以设置Pref＝P蓄电池1+P蓄电池2＝P负载-P光伏+P配电网，这种模式下是考虑了保持P配电网不变，计算并设置Pref，可以实现在微电网联网运行时控制联络线功率。
本发明中具体在DC/AC变流器的反馈控制环节引入测量功率，使测量功率趋近参考功率值Pref和Qref，实现上述模式，功率的平衡保证了微电网联网运行情况下的电能质量。
为了保证微电网单独运行期间的电压幅值、频率等电能质量，本发明中在微电网的这种运行方式下，微电网储能的DC/AC变流器控制策略由恒功率控制切换到改进下垂控制控制。
表1混合储能部分DC/DC参数设置，表2改进下垂控制环节的主要参数设置。本发明中针对已给出的微电网，设计了控制方法，给出主要参数设置，这些参数的设置需要根据给定微电网来反复试验调整来确定，以获得理想的控制效果。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于对混合储能系统控制的保障微电网电能质量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采用能量型锌溴液流电池及功率型钛酸锂电池的混合储能方式，实现了光储微电网电压的动态调节；
步骤2、采用对储能系统的DC/AC变流器和DC/DC变流器的两级控制策略应用于微电网并网运行；
步骤3、采用对储能系统的改进下垂无差调频控制方法应用于该微电网的离网运行控制。
2.根据权利要求1所述的基于对混合储能系统控制的保障微电网电能质量的方法，其特征在于：采用能量型锌溴液流电池和功率型钛酸锂电池分别经电压型双向DC/DC变流器可控升压至700V接直流母线，再经电压型双向DC/AC可控变流器输出400V交流电压接交流母线。
3.根据权利要求1所述的基于对混合储能系统控制的保障微电网电能质量的方法，其特征在于：DC/DC变流器用于对直流母线提供稳定的直流电压支持，也控制储能设备与直流母线的功率交换，使控制储能设备的充电或放电。
4.根据权利要求1所述的基于对混合储能系统控制的保障微电网电能质量的方法，其特征在于：DC/AC可控变流器是控制微电网储能系统与微电网交流母线之间的功率传输，通过控制策略，实现储能系统与光伏等微电源预期的能量交换方式以及微电网与大电网之间的预期的能量交换方式。
5.根据权利要求1所述的基于对混合储能系统控制的保障微电网电能质量的方法，其特征在于：对混合储能系统的DC/DC变流器控制中，采用了基于功率波动性质的分配方法协调控制方法，采用低通滤波率分配方法，将功率偏差积分信号分成两部分指令信号，其中的低频指令信号部分用于锌溴液流电池的控制回路，控制PWM1、PWM2发出脉宽调制脉冲，分别控制锌溴液流电池的充、放电；另一部分信号是输入信号减去低频信号，看作高频指令信号，用于钛酸锂电池的控制回路，控制PWM3、PWM4发出脉宽调制脉冲，分别控制钛酸锂电池的充、放电。
6.根据权利要求1所述的基于对混合储能系统控制的保障微电网电能质量的方法，其特征在于：对混合储能系统的DC/AC变流器控制中，并网时控制部分采用由功无功解耦控制，并离网控制模式的转换采用PQ控制→改进下垂控制；通过并网时的对储能变流器的PQ控制，配合能量管理系统实现微电网与大电网的功率交换。
7.根据权利要求6所述的基于对混合储能系统控制的保障微电网电能质量的方法，其特征在于：电刚从并网运行转为离网运行前，应先将储能变流器由PQ控制转为下垂控制；为保证转换过程中不影响系统的潮流分布，需要确保转换前后储能变流器输出的电压角度、电压幅值、频率、输出功率均没有跳变；保持变流器控制方式转换到在下垂控制时，储能变流器出口处的输出功率为P 0和Q 0，初始频率f 0 和初始电压U 0与切换前的电网电气参数相同。
8.根据权利要求1所述的基于对混合储能系统控制的保障微电网电能质量的方法，其特征在于：DC/AC变流器控制策略由恒功率控制切换到改进下垂无差调频控制方法，改进下垂无差调频控制方法在对传统下垂特性进行改进，在下垂特性环节前加入积分，得到对微电网储能系统DC/AC变流器的二次调频控制策略。
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