微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
日期：2021-11-25    瀏覽次數(shù): 4391

　　設(shè)計(jì)了一種適用于380V交流微電網(wǎng)的鋰電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)核心是具備功率雙向流動(dòng)功能的雙向DC-DC變換器和雙向DC-AC變換器的主電路及其控制部分。在Matlab/Simulink平臺(tái)下進(jìn)行了儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)值仿真，結(jié)果表明兩變換器主電路及其控制部分各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求，可行性強(qiáng);最后通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證該系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)滿足微電網(wǎng)并網(wǎng)、孤島工作模式下電能質(zhì)量要求，系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。

　　在全球日益嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題的背景下，新能源技術(shù)與微電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。結(jié)合我國(guó)自身現(xiàn)狀和國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，將微電網(wǎng)[1]定義為：通過(guò)本地分布式電源(DG)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、能量變換裝置及相關(guān)負(fù)荷等組成的特殊電網(wǎng)，在充分滿足本地用戶對(duì)電能質(zhì)量和供電安全要求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的并網(wǎng)、孤島模式運(yùn)行[2]。并網(wǎng)模式指微電網(wǎng)與主網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，向主網(wǎng)輸出或吸收能量，主網(wǎng)控制頻率和電壓等重要電能質(zhì)量指標(biāo);孤島模式指微電網(wǎng)管理系統(tǒng)進(jìn)行孤島檢測(cè)[3]，發(fā)現(xiàn)主網(wǎng)含分布式電源的微電網(wǎng)運(yùn)行與優(yōu)化控制的合作研究(國(guó)家國(guó)際科技交流與合作專項(xiàng))資助項(xiàng)目(2010DFB63200)，山西省高等學(xué)校中青年拔尖創(chuàng)新人才支持計(jì)劃資助，山西省電力公司科技項(xiàng)目支持。

　　故障或電能質(zhì)量不滿足要求時(shí)，微電網(wǎng)可以與主網(wǎng)斷開(kāi)獨(dú)立運(yùn)行。此時(shí)，由本地微電源或儲(chǔ)能系統(tǒng)向負(fù)荷供電，電壓和頻率等重要指標(biāo)由微電網(wǎng)自身控制。因此，微電網(wǎng)孤島運(yùn)行及其兩種模式切換過(guò)程中的電能質(zhì)量問(wèn)題成為關(guān)鍵。

　　微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)可以較好地解決此類問(wèn)題，論文研究的重點(diǎn)為基于PWM控制技術(shù)的雙向DC-DC變換器與雙向DC-AC變換器及其控制的鋰電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)在其控制下于孤網(wǎng)模式進(jìn)行放電，為微電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓和頻率支持，并網(wǎng)模式下進(jìn)行充電儲(chǔ)存能量。

　　微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能系統(tǒng)以確保微電網(wǎng)電能質(zhì)量為目標(biāo)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，儲(chǔ)能介質(zhì)的選擇至關(guān)重要，鋰電池組憑借其安全性能高、能量密度大及動(dòng)作速度快等特性，成為大容量?jī)?chǔ)能蓄電的最佳選擇，本系統(tǒng)即使用單體標(biāo)稱容量為50A·h的鋰電池組作為存儲(chǔ)介質(zhì)。

　　圖1中，儲(chǔ)能系統(tǒng)控制部分采集微電網(wǎng)相關(guān)信息進(jìn)行系統(tǒng)計(jì)算和充、放電邏輯選擇，生成多路PWM信號(hào)，對(duì)雙向DC-DC變換器和雙向DC-AC變換器實(shí)施控制，從而對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)工作模式與狀態(tài)進(jìn)行選擇切換。其中，雙向DC-DC變換器在充、放電過(guò)程中作為穩(wěn)壓接口電路調(diào)節(jié)鋰電池組的蓄能和釋能。雙向DC-AC變換器將儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)LC濾波電路與可變負(fù)載連接，最后通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)與主網(wǎng)相聯(lián)。

　　儲(chǔ)能系統(tǒng)建模

　　1.鋰電池組數(shù)學(xué)模型

　　當(dāng)前的大容量鋰電池組研究中，電池組主要采用內(nèi)阻模型[4]。內(nèi)阻模型將電池組等效為理想電流源與電阻串聯(lián)。儲(chǔ)能系統(tǒng)中，鋰電池組的端電壓Ub和電池充電狀態(tài)[5]SOC(StateofCharge)是系統(tǒng)的重要參量。計(jì)算公式為

　　2.雙向DC-DC變換器

　　由于儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)雙向DC-AC變換器與交流母線聯(lián)接時(shí)需要穩(wěn)定的直流電壓，而鋰電池組充放電時(shí)出口電壓變化幅度非常大，通常使用雙向DC-DC變換器作為接口電路，實(shí)現(xiàn)DC-AC變換器直流側(cè)電壓的恒定。本系統(tǒng)選擇雙向半橋變換器作為DC-DC主電路[6]。

　　雙向DC-DC變換器有充電和放電兩種工作模式[7]。充電模式時(shí)DC-DC變換器工作在buck狀態(tài)，能量由電網(wǎng)流向鋰電池組，為其充電;放電模式時(shí)DC-DC變換器工作在boost狀態(tài)，能量由鋰電池組流向電網(wǎng)，鋰電池組進(jìn)行放電。

　　3.雙向DC-AC變換器

　　雙向DC-AC變換器既可以將直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟�，也可以將交流電整流為穩(wěn)定的直流電。目前，主要有電壓源型和電流源型變換器，電壓源型變換器輸出電壓可控，而電流源型變換器輸出電流可控。對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一般要求其輸出電壓穩(wěn)定，故本系統(tǒng)選擇電壓源型變換器[7]。

　　儲(chǔ)能系統(tǒng)控制

　　系統(tǒng)控制主要包括能量管理系統(tǒng)邏輯、雙向DC-DC變換器控制部分和雙向DC-AC變換器控制部分，控制系統(tǒng)決定了儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能。

　　1.儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理工作邏輯

　　微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(EMS)決定微電網(wǎng)的運(yùn)行模式，如圖2所示。應(yīng)當(dāng)指出，鋰電池組的荷電狀態(tài)SOC不能直接測(cè)量，但是可以通過(guò)式(2)求得。

　　圖2中，SOCmax為鋰電池組最高荷電狀態(tài)，即此時(shí)鋰電池組飽合不可進(jìn)行充電;SOCmin為鋰電池最低荷電狀態(tài)，此時(shí)鋰電池組嚴(yán)重虧電不可進(jìn)行放電;Pnet為孤島內(nèi)負(fù)荷功率需求量;Pmax為儲(chǔ)能系統(tǒng)可提供的最大功率;Ubattery為鋰電池的出口端電壓;Ucharge為恒壓、恒流充電狀態(tài)的切換條件電壓。

　　主網(wǎng)電能質(zhì)量依據(jù)IEEE1547TM[8]相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定。

　　2.雙向DC-DC變換器控制

　　雙向DC-DC變換器的作用是維持DC-AC變換器直流側(cè)電壓恒定。當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備充、放電時(shí)，DC-AC變換器直流側(cè)電壓始終恒定，可以減小DC-AC變換器控制系統(tǒng)的偏差，保持系統(tǒng)穩(wěn)定，從而使交流側(cè)輸出或輸入的頻率和電壓穩(wěn)定，保證整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行。其控制框圖如圖3所示。

　　系統(tǒng)采用限功率恒流/恒壓方式充、放電。在綜合考慮儲(chǔ)能設(shè)備狀態(tài)和網(wǎng)側(cè)直流電壓狀態(tài)后，選通Sboost或Sbuck開(kāi)關(guān)信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)雙向功率流動(dòng)功能。

　　3.雙向DC-AC變換器控制

　　重點(diǎn)介紹雙向DC-AC變換器逆變工作模式的控制。逆變工作模式選擇V/f下垂控制策略，控制目標(biāo)為DC-AC變換器交流側(cè)三相電壓與頻率，控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　圖4中，Ln、Cn及Rn分別為濾波器的電感、電容及電阻;Zn為負(fù)載阻抗(n=a、b、c);Vn為逆變器輸出電壓;iLn為其輸出電流;un為負(fù)載電壓;icn為流向?yàn)V波器電容電流;Snb為控制信號(hào)。

　　圖4中，V/f下垂控制器主要由功率控制器和電壓、電流雙環(huán)控制器組成。首先通過(guò)采集負(fù)載電壓和逆變器輸出的電壓和電流，計(jì)算出微電源輸出的有功功率和無(wú)功功率，然后經(jīng)功率控制器得到相應(yīng)三相瞬時(shí)參考電壓udref、uqref，最后通過(guò)電壓、電流雙環(huán)控制器產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)DC-AC變換器的逆變工作模式控制。雙向DC-AC變換器整流工作控制目標(biāo)為直流側(cè)電壓，此處不再贅述。

　　雙向功率流動(dòng)功能控制方法與雙向DC-DC變換器控制方法類似。整流和逆變兩種工作模式各輸出六路PWM控制信號(hào)，綜合考慮儲(chǔ)能設(shè)備狀態(tài)和主網(wǎng)狀態(tài)后，選通相應(yīng)開(kāi)關(guān)信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)。

　　儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真分析

　　進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)前，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)，在Matlab/Simulink環(huán)境中進(jìn)行數(shù)值仿真，驗(yàn)證方案的可行性，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提供理論依據(jù)。

　　1.樣機(jī)系統(tǒng)參數(shù)

　　儲(chǔ)能系統(tǒng)樣機(jī)及微電網(wǎng)主要參數(shù)如下：

　　鋰電池儲(chǔ)能裝置單體額定電壓為3.2V，標(biāo)稱容量為50A·h，150塊串聯(lián)，鋰電池組出口額定電壓為480V，額定功率為50kW，充放電限制電流為100A;雙向DC-AC變換器直流網(wǎng)側(cè)電壓為648～852V。DC-AC交流網(wǎng)側(cè)線電壓為380(1±10%)V，頻率為(50±0.2)Hz，開(kāi)關(guān)頻率為20kHz，濾波電感為1mH，濾波電容為510μF。

　　2.Matlab/Simulink數(shù)值仿真結(jié)果及分析

　　按照微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)參數(shù)，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)。并進(jìn)行以下三種模式的仿真實(shí)驗(yàn)。

　　(1)孤島模式

　　孤島模式為系統(tǒng)工作于孤島模式逆變狀態(tài)下，微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)PowerSystem由儲(chǔ)能系統(tǒng)為微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷供電。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)負(fù)荷由10kW增加至20kW左右，對(duì)DC-AC交流側(cè)三相電流進(jìn)行觀測(cè)，波形如圖5所示。

　　對(duì)三相電壓電流幅值、波形和頻率進(jìn)行觀測(cè)，均滿足電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，DC-AC直流側(cè)電壓在DC-DC變換器控制下保持在648～852V有效范圍內(nèi)。

　　(2)并網(wǎng)模式

　　并網(wǎng)模式由主網(wǎng)對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷和儲(chǔ)能系統(tǒng)供電，儲(chǔ)能系統(tǒng)工作在整流充電模式。對(duì)DC-AC變換器直流側(cè)電壓、鋰電池池組充電電流進(jìn)行觀測(cè)。經(jīng)分析，三相電壓電流幅值、波形和頻率均滿足電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，DC-AC變換器直流側(cè)電壓在DC-DC變換器控制下保持在648～852V有效范圍內(nèi)，鋰電池組充電電流在DC-DC變換器恒流控制下在限流范圍內(nèi)正常工作。

　　(3)模式切換

　　并網(wǎng)與孤島兩種運(yùn)行模式切換過(guò)程中的電能質(zhì)量是儲(chǔ)能系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)。分別在仿真時(shí)間0.05s時(shí)進(jìn)行孤島至并網(wǎng)模式切換和并網(wǎng)至孤島模式切換。經(jīng)分析，兩種模式相互切換時(shí)，電能質(zhì)量在切換瞬間出現(xiàn)幅度和波形的瞬間波動(dòng)，但交流網(wǎng)側(cè)電壓波形和頻率均滿足電能質(zhì)量要求。

　　通過(guò)Matlab/Simulink數(shù)值仿真，儲(chǔ)能系統(tǒng)控制達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，有待系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

　　系統(tǒng)樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果，進(jìn)行了2組儲(chǔ)能系統(tǒng)孤島模式下帶負(fù)荷放電試驗(yàn)，1組并網(wǎng)模式下整流充電試驗(yàn)和2組模式切換試驗(yàn)。

　　1)儲(chǔ)能系統(tǒng)孤島模式下帶負(fù)荷放電試驗(yàn)，三相平衡負(fù)荷：Ra=29.4Ω，Rb=30.3Ω，Rc=30.11Ω。

　　2)儲(chǔ)能系統(tǒng)孤島模式下帶負(fù)荷放電試驗(yàn)，三相平衡負(fù)荷：Ra=20.1Ω，Rb=20.1Ω，Rc=19.9Ω。

　　3)并網(wǎng)與孤島模式切換試驗(yàn)，DC-AC變換器交流側(cè)三相電壓波形如圖6所示。

　　通過(guò)分析儲(chǔ)能系統(tǒng)孤島模式下帶負(fù)荷放電試驗(yàn)結(jié)果，儲(chǔ)能系統(tǒng)在V/f下垂控制下逆變輸出三相交流相電壓，有效值為215V，頻率為49.96Hz，均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求;分析儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)模式下整流充電試驗(yàn)結(jié)果，雙向DC-AC變換器直流側(cè)電壓在整流控制下維持在有效值690V，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求;分析圖6中兩種模式間切換試驗(yàn)結(jié)果，交流電壓有效值分別為225.84V和226.38V，均在電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)電壓220(1±5%)V范圍內(nèi)，頻率50Hz亦滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　運(yùn)用Matlab/Simulink數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證儲(chǔ)能系統(tǒng)中雙向DC-DC變換器和雙向DC-AC變換器的功率電路及其控制部分各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。并通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)滿足微電網(wǎng)并網(wǎng)、孤島工作模式和不同模式切換過(guò)程的電能質(zhì)量要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。但在當(dāng)前全球能量短缺的背景下，系統(tǒng)能否在包含太陽(yáng)能、風(fēng)力發(fā)電單元等多種形式微電源的復(fù)雜微電網(wǎng)環(huán)境中，在更加完善的上層能量管理系統(tǒng)控制下安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行，應(yīng)該是下步繼續(xù)完善的主要方向。

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