微电网储能系统建模与分析

中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013 D-527 微电网储能系统建模与分析 陈琳浩 1 ，张保会 2 西安交通大学电气工程学院 Email: chen.3@stu.xjtu.edu.cn，BHZhang@mail.xjtu.edu.cn 摘 要：微电网存在着并网和孤网两种运行方式。本文对微电网的控制原理进行了分析，讨论了双馈 式风力发电机变流器的控制策略；并根据蓄电池和超级电容器的特点给出了储能系统的控制策略；还 利用仿真软件建立了包含双馈式风力发电机、蓄电池和超级电容器储能装置的微电网模型；进行了并 网和孤岛两种运行模式下的仿真，验证了所提出的储能系统控制策略的可行性和有效性。 关键词：微电网；储能系统；蓄电池；超级电容器 Modeling and Analysis of Micro-grid Energy Storage System Chen Linhao 1 , Zhang Baohui 2 College of Electrical Engineering of Xi an Jiaotong University Email: chen.3@stu.xjtu.edu.cn，BHZhang@mail.xjtu.edu.cn Abstract: Micro-grid exists two kinds of operation mode: interconnection and isloated network operation. In this paper, the control principles of micro-grid are analyzed, and discussed the control strategy of doubly-fed wind turbine type converter; and according to the characteristics of the battery and super capacitor energy storage system control strategy is given. Using simulation software set up also contain doubly-fed wind generator, storage battery and super capacitor energy storage device of micro grid model; The interconnection and the islands of the simulation of two kinds of operation mode, verified the feasibility and effectiveness. Keywords: micro-grid; energy storage system; storage battery; super-capacitor 1 引言 随着分布式能源的应用越来越广泛，电源功率的 随机性和波动性对配电网产生了不利的影响，人们提 出了微电网的概念，而微电网的运行离不开储能系统 的支撑。参考文献 [1-4] 指出储能装置的主要功能：负荷 调节作用，实现峰值转移；维持系统动态稳定，减小 功率波动；提高调度能力，使分布式发电单元作为调 度机组单元运行；提高分布式电源的输出可控性，平 滑分布式电源的输出波动，降低对电网的冲击；当微 电网脱离大电网独立运行时，能够及时吸收或补充必 要的功率，维持微电网短时间孤岛运行。文献 [5-7] 介绍 了双馈式风力发电机的基本原理和励磁方式。文献 [8-9] 介绍了仿真软件DIgSILENT中电力元件的模型结构 和建模仿真过程。 本文讨论由双馈式风力发电机，蓄电池和超级电 容器储能装置组成的微电网的控制策略和建模仿真结 果。 2 双馈式风力发电机的基本原理 风能转换设备是整个风力发电单元的始端，是风 能与机械能转化核心环节。双馈式风力发电机的功率 调节控制方式主要有两类：定桨距失速控制和桨距角 控制。为避免复杂的建模与计算，忽略动态迟滞效应， 常用的解析风力机模型为： 3 0.5 ( , ) tP PAvCρ βλ= 1 12.5 1 ( , ) 0.22(116 0.4 5) P Ce λ βλ λ β − =−− 31 1 (1 ( 0.08 ) 0.0035 ( 1))λλβ β − =+ − + 式中：P t 为气动功率；v为有效风速；β为桨距角； λ为叶尖速比。 风力发电机转子侧变流器通常采用定子磁场矢量 定向控制，选择定子磁链向量为d轴方向参考。定子 侧有功功率通过转子电流分量i rd 控制，而定子侧的无 功功率可以通过转子电流的励磁分量i rq 控制，实现解 耦控制。 网侧变流器通过电压定向控制维持变流器组直流 母线电压稳定和变流器交流侧无功控制，实现解耦控 制 [2] 。 此项工作得到国家重点基础研究发展计划（ 973 计划）资助，项目 批准号： 2009CB219700。 中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013 D-527 3 储能装置的控制策略 储能装置是微电网的重要组成部分，电能通过 Boost电路和DC/AC变流器输送到电网，反之电网中 的电能也可以通过DC/AC变流器和Buck电路传递给 储能装置。 3.1 储能装置的 PQ 控制模型 当微电网运行在并网模式下，储能装置需要根据 需要调节微电网与大电网之间的交换功率，工作在PQ 控制模式下。与双馈式风力发电机转子侧和网侧变流 器都是DC/AC变流器不同，蓄电池和超级电容器需 要Buck-Boost电路和DC/AC变流器电路进行解耦控 制。 这种情况下DC/AC变流器相当于DFIG网侧变流 器，使用网侧电压矢量控制，可以实现直流电压和无 功功率的解耦控制。Buck-Boost电路的参考有功功率 决定了蓄电池侧电流i ref 的大小。 图 1 蓄电池储能装置 PQ 控制系统结构图 3.2 储能装置的 V/f 控制模型 当微电网运行在孤网模式时，没有了与大电网的 联系，需要特定的电源为微电网系统提供电压和频率 支撑，相当于电力系统中的平衡节点。为了保证微电 网在并网、孤网模式切换时能够平稳过渡，使用公共 连接点断开前的电压幅值和频率作为V/f控制的参考 值，通过PI环节决定i dref 和i qref 的大小。 4 仿真与结果 利用DIgSILENT的电力电子元件模块及多类型 图 2 微电网结构 变流器控制模型构建了如图2所示的包含双馈式异步 发电机，蓄电池和超级电容器的微电网模型。 4.1 微电网并网运行 微电网并网时，控制策略的目的是为了使其作为 功率可调的整体运行单元。 设定发电机发出的有功功率随风速波动，无功功 率与尽量满足与负荷一致为0.25MW。 考虑到风速的波动性，始终保持噪声分量，并在 15秒到30秒之间加入了1m/s的斜坡风速，如图3。 图 3 风速大小的波形 4.1.1 超级电容器的作用 超级电容器主要调节发电机和超级电容器并联母 线的出口功率平稳。 将输出功率设定为发电机额定值附近，有功功率 2MW，无功功率0.25MW。 下面各图分别为发电机发出的有功、无功功率， 以及超级电容器的补充功率。可以看出超级电容器的 补偿功率波动曲线与发电机发出的功率波动情况吻 和，满足补偿后的输出功率稳定在设定值附近。 图 4 发电机发出的有功功率 图 5 超级电容器发出的有功功率 中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013 D-527 图 6 发电机发出的无功功率 图 7 超级电容器的无功功率 4.1.2 蓄电池的作用 蓄电池控制微电网与大电网交换功率。 考虑到负荷变化，设置负荷有功在10s时减小 20kW，35s时增加20kW，如图8所示。 交换有功0-5s时为10kW，5-20s为0kW，20-45s 为-20kW，45s到50s为10kW，如图9所示。 图 8 负荷有功变化曲线 图 9 交换功率要求 图 10 蓄电池的输出有功功率 负荷无功在15s时增大5kVar，40s时减小kVar， 如图11所示。 交换无功要求为0。 蓄电池的输出无功变化如图12所示。 图 11 负荷的无功功率变化 图 12 蓄电池的输出无功功率 4.2 微电网孤岛运行 孤岛运行：10s-40s之间孤岛运行 负荷有功变化：15s时增加20kW，30s时减少 20kW；负荷无功变化：20s时设定增加5kVar，35s 时减少5kVar，如图13和图14所示。 图 13 复合的有功功率变化 中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013 D-527 图 14 负荷的无功功率的变化 图15和图16为交流母线上的频率和电压波形， 可以看出微电网的频率和电压稳定。 图 15 交流母线的频率 图 16 交流母线的电压 5 总结 根据仿真得到的波形和数据说明了微电网并网和 孤网运行的可行性，主要结论如下： （1）蓄电池和超级电容器的本质特性就是储能 元件，可以存储系统中过剩的能量，方便分布式电源 按照最大功率追踪原则的方式运行，尽可能地提高可 再生能源的利用率，从而减少了对化石燃料的消耗， 节约了能源。 （2）微电网并网运行时，蓄电池和超级电容器组 成的储能装置能够保证微电网作为一个功率可调的单 元，在短时间内可以像火力发电机组一样调节功率， 提高系统的可靠性。 （3）储能装置能够使得微电网出口侧的功率恒 定，减小了分布式电源侧和负荷侧的波动对大电网产 生影响，提高了大电网的功率调节能力。 （4）储能装置能够作为主电源，在微电网孤岛模 式下吸收或提供必要的能量，维持微电网功率的平衡， 电压和频率的稳定，使其独立运行。 致 谢 此项工作得到国家重点基础研究发展计划（973 计划）资助，项目批准号：2009CB219700，特此感谢。 参考文献 [1] Jauch C. Stability and control of wind farms in power systems[J]. 2006. [2] 朱昱．储能系统主电路设计及其运行控制的研究[D]．东北电 力大学，2012． [3] 彭思敏，曹云峰，蔡旭．大型蓄电池储能系统接入微电网方 式及控制策略[J]．电力系统自动化，2011，(16)：38-43． [4] 黄晓东，郝木凯，陆志刚，陈柔伊，董旭柱，饶宏．微网系 统中电池储能系统应用技术研究[J]．可再生能源，2012，(01)： 38-41． [5] 卞松江. 变速恒频风力发电关键技术研究[D]. 浙江大学， 2003. [6] 伍小杰，柴建云，王祥珩. 变速恒频双馈风力发电系统交流 励磁综述[J]. 电力系统自动化，2004，(23)：92-96. [7] 马奎安. 超级电容器储能系统中双向DC/DC变流器设计[D]. 浙江大学，2010. [8] Jauch C, Sørensen P, Bak Jensen B. Simulation model of a transient fault controller for an active-stall wind turbine[J]. Wind Engineering, 2005, 29(1): 33-48. [9] Hansen A D, Jauch C, Sørensen P E, et al. Dynamic wind turbine models in power system simulation tool DIgSILENT[M]. 2004.