微电网储能系统的设计-郑瑞

书书书 郑 瑞 /硕 士研究生 关 键词 /Keywords 微电网 · 储能系统 · 锂电池组 · 电能质量 · 电 力系统 | Power System 20 ·电 力电气 ·2013 年第 32 卷第 11 期 微电网储能系统的设计 设 计了一种适用于 380 V交流微电网的锂电池组储能 系统 。该系统核心是具备功率双向流动功能的双向 DC- DC 变换器和双向 DC-AC 变换器的主电 路及其控制部分 。 在 Matlab/Simulink 平台下进行了 储能系统数值仿真 ， 结 果表明两变换器主电路及其控制部分各项指标满足要求 ， 可行性强 ; 最后通过试验 ， 验证该系统相关指标满足微电网 并网 、孤岛工作模式下电能质量要求 ， 系统运行安全可靠 。 郑 瑞 1， 2 韩 肖清 1 /1. 太 原理工大学电气与动力工程学院 2. 中国人民解 放军 66325 部队 图 1 微电网储能系统 试验结构 在全球日益严重的环境污染和能源 短缺问题的背景下 ， 新能源技术与微电 网技术应运而生 。结合我国自身现状和 国 外经验 ， 将微电网 ［ 1］ 定 义为 : 通过 本地分布式电源 ( DG) 、储能系统 、 能量变换装置及相关负荷等组成的特殊 电网 ， 在充分满足本地用户对电能质量 和供电安全要求的基础上 ， 实现电网的 并网 、孤岛模式 运行 ［ 2］ 。并 网模 式指微电网与主 网并 联 运 行 时 ， 向主网输出或吸 收能量 ， 主网控 制频率和电压等 重要电能质量指 标 ; 孤岛模式指 微电网管理系统 进 行 孤 岛 检 测 ［ 3］ ， 发 现主网 含 分布式电源的微电网运行与优化控制的合作 研究 ( 国家国际科技交流与合作专项 ) 资助项目 ( 2010DFB63200) ， 山西省高等学校中青年拔尖创新 人 才支持计划资助 ， 山西省电力公司科技项目 支持 。 故 障或电能质量不满足要求时 ， 微电网可 以与主网断开独立运行 。此时 ， 由本地微 电源或储能系统向负荷供电 ， 电压和频率 等重要指标由微电网自身控制 。因此 ， 微 电网孤岛运行及其两种模式切换过程中的 电能质量问题成为关键 。 微电网储能系统可以较好地解决此类 问题 ， 论文研究的重点为基于 PWM 控制 技术的双向 DC-DC 变换器与双向 DC-AC变 换器及其控制的锂电池组储能系统 。储能 系统在其控制下于孤网模式进行放电 ， 为 微电网提供稳定的电压和频率支持 ， 并网 模式下进行充电储存能量 。 微电网系统结构 设 计的储能系统以确保微电网电能质 量为目标 ， 系统结构如图 1 所示 。其中 ， 储能介质的选择至关重要 ， 锂电池组凭借 其安全性能高 、能量密度大及动作速度快 等特性 ， 成为大容量储能蓄电的最佳选择 ， 本系统即使用单体标称容量为 50 A·h的 锂电池组作为存储介质 。 图 1 中 ， 储能系统控制部分采集微电 网相关信息进行系统计算和充 、放电逻辑 微 电网储能系统的设计 Power System | 电 力系统 www. eage. com. cn 2013 年 6 月 上 ·电力电气 · 21 选 择 ， 生成多路 PWM 信号 ， 对双向 DC-DC变换器 和双向 DC-AC 变换器实施控制 ， 从而对储能系统 工作模式与状态进行选择切换 。其 中 ， 双 向 DC-DC变换器在充 、放电过程中作为稳压接口电 路调节锂电池组的蓄能和释能 。双向 DC-AC 变换 器将储能系统经 LC 滤波电路与可变负载连接 ， 最 后通过静态开关与主网相联 。 储 能系统建模 1. 锂电池组数学模型 当 前的大容量锂电池组研究中 ， 电池组主要 采用内阻模型 ［ 4］ 。内阻模型将电池组等效 为理想 电流源与电阻串联 。储能系统中 ， 锂电池组的端 电压 U b 和电池充电状态 ［ 5］ SOC ( State of Charge) 是系统的重要参量 。计 算公式为 V b = V 0 + R b i b － K Q Q + ∫ i b dt + A·esp B ∫ i b d ( ) t ( 1) SOC = 100 1 + ∫ i b dt ( ) Q ( 2) 式 中 ， R b 为 锂电池组内阻 ; V 0 为锂电池组开路电 压 ; i b 为 锂电池组开路电流 ; K 为锂电池组极化 电压 ; Q 为容量 ; A 为电压系数 ; B 为容量系数 。 2. 双向 DC-DC 变换器 由于储能系统通过双向 DC-AC 变换器与交流 母线联接时需要稳定的直流电压 ， 而锂电池组充 放电时出口电压变化幅度非常大 ， 通常使用双向 DC-DC 变换器作为接口电路 ， 实现 DC-AC 变换器 直流侧电压的恒定 。本系统选择双向半桥变换器 作为 DC-DC 主电路 ［ 6］ 。 双 向 DC-DC 变换器有充电和放电两种工作模 式 ［ 7］ 。充 电模式时 DC-DC 变换器工作在 buck 状 态 ， 能量由电网流向锂电池组 ， 为其充电 ; 放电 模式时 DC-DC 变换器工作在 boost 状态 ， 能量由 锂电池组流向电网 ， 锂电池组进行放电 。 3. 双向 DC-AC 变换器 双向 DC-AC 变换器既可以将直流电逆变为三 相交流电 ， 也可以将交流电整流为稳定的直流电 。 目前 ， 主要有电压源型和电流源型变换器 ， 电压 源型变换器输出电压可控 ， 而电流源型变换器输 出电流可控 。对于储能系统来说 ， 一般要求其输 出电压稳定 ， 故本系统选择电压源型变换器 ［ 7］ 。 储 能系统控制 系 统控制主要包括能量管理系统逻辑 、双向 DC-DC 变换器控制部分和双向 DC-AC 变换器控制 部分 ， 控制系统决定了储能系统的性能 。 1. 储能系统能量管理工作逻辑 微电网能量管理系统 ( EMS) 决定微电网的 运行模式 ， 如图 2 所示 。应当指出 ， 锂电池组的 荷电状态 SOC 不能直接测量 ， 但是可以通过式 ( 2) 求得 。 图 2 储能系统能量管理流程图 图 2 中 ， SOC max 为锂电池组最高荷电状态 ， 即 此时锂电池组饱合不可进行充电 ; SOC min 为 锂电池 最低荷电状态 ， 此时锂电池组严重亏电不可进行 电 力系统 | Power System 22 ·电 力电气 ·2013 年第 32 卷第 11 期 放 电 ; P net 为 孤岛内负荷功率需求量 ; P max 为 储能 系统可提供的最大功率 ; U battery 为 锂电池的出口端 电压 ; U charge 为 恒压 、恒流充电状态的切换条件 电压 。 主网电能质量依据 IEEE 1547TM ［ 8］ 相 关标准 进行判定 。 2. 双向 DC-DC 变换器控制 双向 DC-DC 变换器的作用是维持 DC-AC 变换 器直流侧电压恒定 。当储能设备充 、放电时 ， DC- AC 变换器直流侧电压始终恒定 ， 可以减小 DC-AC 变换器控制系统的偏差 ， 保持系统稳定 ， 从而使 交流侧输出或输入的频率和电压稳定 ， 保证整个 系统可靠运行 。其控制框图如图 3 所示 。 图 3 双 向 DC-DC 变换器 boost/buck 升 /降压控制框图 图 3 中 ， V dc 为网侧直流电压 ; V dcref 为 网侧直 流电压参考值 ; I bref 为充电电流参考值 ; P limit 为 储 能设备功率限值功率 ; I limit 为 储能设备充放电限值 电流 ; I b 为 充 、放电电流值 ; S boost 为 升压放电控 制模块输出 PWM 开关控制信号 ; S buck 为 降压充电 控制模块输出 PWM 开关控制信号 。 系统采用限功率恒流 /恒压方式充 、放电 。在 综合考虑储能设备状态和网侧直流电压状态后 ， 选通 S boost 或 S buck 开关信号即可实现双向 功率流动 功能 。 3. 双向 DC-AC 变换器控制 重点介绍双向 DC-AC 变换器逆变工作模式的 控制 。逆变工作模式选择 V/f 下垂控制策略 ， 控 制目标为 DC-AC 变换器交流侧三相电压与频率 ， 控制结构如图 4 所示 。 图 4 中 ， L n 、C n 及 R n 分别为滤波器的 电感 、 电容及电阻 ; Z n 为 负载阻抗 ( n = a、b、c) ; V n 为 逆变器输出电压 ; i Ln 为 其输出电流 ; u n 为 负载 电压 ; i cn 为流向滤波器电容电流 ; S nb 为 控制信号 。 图 4 中 ， V/f 下垂控制器主要由功率控制器和 电压 、电流双环控制器组成 。首先通过采集负载 电压和逆变器输出的电压和电流 ， 计算出微电源 图 4 V/f 下 垂控制结构框图 输 出的有功功率和无功功率 ， 然后经功率控制器 得到相应三相瞬时参考电压 u dref 、u qref ， 最 后通过 电压 、电流双环控制器产生开关信号 ， 实现对 DC-AC 变换器的逆变工作模式控制 。双向 DC-AC 变换器整流工作控制目标为直流侧电压 ， 此处不 再赘述 。 双向功率流动功能控制方法与双向 DC-DC 变 换器控制方法类似 。整流和逆变两种工作模式各 输出六路 PWM 控制信号 ， 综合考虑储能设备状态 和主网状态后 ， 选通相应开关信号即可实现 。 储能系统仿真分析 进 行系统实现前 ， 根据实际系统参数 ， 在 Matlab/Simulink 环境中进行数值仿真 ， 验证方案 的可行性 ， 为系统实现提供理论依据 。 1. 样机系统参数 储能系统样机及微电网主要参数如下 : 锂电池储能装 置单体额定电压为 3. 2 V， 标称 容量为 50 A·h， 150 块串联 ， 锂电池组出口额定 电压为 480 V， 额定功率为 50 kW， 充放电限制电 流为 100 A; 双向 DC-AC 变换器直流网侧电压为 648 ～852 V。DC-AC 交流网侧线电压为 380 ( 1 ± 10%) V， 频率为 ( 50 ± 0. 2) Hz， 开关频率为 20 kHz， 滤波电感为 1 mH， 滤波电容为 510 μF。 2. Matlab/Simulink 数值仿真结果及分析 按照微电网储能系统结构与系统参数 ， 在 Matlab/Simulink 环境下搭建微电网储能系统 。并 进行以下三种模式的仿真实验 。 ( 1) 孤岛模式 孤岛模式为系统工作 于孤岛模式逆变状态下 ， 微 电网储能系统的设计 Power System | 电 力系统 www. eage. com. cn 2013 年 6 月 上 ·电力电气 · 23 由 储能系统为微电网内负荷供电 。实验过程中对 负荷由 10 kW增加至 20 kW左右 ， 对 DC-AC 交流侧 三相电流进行观测 ， 波形如图 5 所示 。 图 5 增 负荷前后 DC-AC 交流侧三相电流 对三相电压电流 幅值 、波形和频率进行观测 ， 均满足电能质量标准 ， DC-AC 直流侧电压在 DC- DC 变换器控制下保持在 648 ～852 V有效范围内 。 ( 2) 并网模式 并网模式由主网对微电网内负荷和储能系统 供电 ， 储能系统工作在整流充电模式 。对 DC-AC 变换器直流侧电压 、锂电池池组充电电流进行观 测 。经分析 ， 三相电压电流幅值 、波形和频率均 满足电能质量标准 ， DC-AC 变换器直流侧电压在 DC-DC 变换器控制下保持在 648 ～852 V有效范围 内 ， 锂电池组充电电流在 DC-DC 变换器恒流控制 下在限流范围内正常工作 。 ( 3) 模式切换 并网与孤岛两种运行模式切换过程中的电能 质量是储能系统的一个重要指标 。分别在仿真时 间 0. 05 s时进行孤岛至并网模式切换和并网至孤岛 模式切换 。经分析 ， 两种模式相互切换时 ， 电能 质量在切换瞬间出现幅度和波形的瞬间波动 ， 但 交流网侧电压波形和频率均满足电能质量要求 。 通过 Matlab/Simulink 数值仿真 ， 储能系统控 制达到相关标准 ， 有待系统试验验证 。 系统样机试验结果与分析 对 试验系统的实际运行效果 ， 进行了 2 组储 能系统孤岛模式下带负荷放电试验 ， 1 组并网模式 下整流充电试验和 2 组模式切换试验 。 1) 储能系统孤岛 模式下带负荷放电试验 ， 三 相平衡负荷 : R a = 29. 4 Ω， R b = 30. 3 Ω， R c = 30. 11 Ω。 2) 储能系统孤岛模 式下带负荷放电试验 ， 三相 平衡负荷 : R a =20.1 Ω， R b =20.1 Ω， R c =19.9 Ω。 3) 并网与孤岛模式切换试验 ， DC-AC 变 换器 交流侧三相电压波形如图 6 所示 。 图 6 工作模式切换过程 A 相负荷两端电压 通 过分析储能系统孤岛模式下带负荷放电试 验结果 ， 储能系统在 V/f 下垂控制下逆变输出三 相 交 流 相 电 压 ， 有 效 值 为 215 V， 频 率 为 49. 96 Hz， 均达到标准要求 ; 分析储能系统并网 模式下整流充电试验结果 ， 双向 DC-AC 变换器直 流侧电压在整流控 制下维持在有效值 690 V， 达到 标准要求 ; 分析图 6 中两种模式间切换试验结果 ， 交流电压有效值分别为 225. 84 V和 226. 38 V， 均 在电能质量标准电压 220 ( 1 ± 5%) V 范围内 ， 频率 50 Hz亦满足标准要求 。 结 束语 运 用 Matlab/Simulink 数值仿真实验 ， 验证储 能系统中双向 DC-DC 变换器和双向 DC-AC 变换器 的功率电路及其控制部分各项指标满足要求 ， ( 下转第 35 页 ) 大 型光伏电站集电线路经济电流密度计算 Power System | 电 力系统 www. eage. com. cn 2013 年 6 月 上 ·电力电气 · 35 ( 续 ) 载 流截面 选择 /mm 2 25 35 70 120 185 动 稳截面 选择 /mm 2 ≥50 ≥50 ≥50 ≥50 ≥50 综 合选择 截面 /mm 2 50 70 120 150 185 结 束语 按 经济电流密度选择导体截面积曾是国际电 工学会推荐方法 ， 但由于经济电流密度计算影响 因素较多 ， 当影响因素变化较大时 ， 相应的曲线 及结论无法使用 。 由于光伏电站上网电价较高 、等效运行小时 小等参数变化较大 ， 加上铜价变化的影响 ， 现有 的手册 、标准和规范上的经济电路密度曲线已不 能满足光伏电站经济电流截面积的选择 ， 本文通 过对以上几个因素的分析 ， 考虑相关因素的影响 ， 通过计算得出光伏电站 集电线路的经济电流密度 ， 进而根据集电线路的载流量选择其经济截面积 。 同时通过实例计算 ， 对光伏电站集电线路的截面 积选择进行全面的介绍并选出合适的截面积 。本 文仅就 10 kV电压等级集电线路的选择进行实例计 算 ， 对于 35 kV电压等级集电线路的选择由于篇幅 限制没有给出 。经验证 ， 采用手册原有经济电流 密度曲线对比本文计算结果 ， 差别较大 ， 故在进 行光伏电站设计时 ， 有必要按本文思路对集电线 路截面积进行选择 。 参考文献 ［ 1］ DL/T 5222—2005 导体和电器选择设计技术规定 ［ S］ ． 北 京 : 中国水利水电出版社 ． ［ 2］ 电力工程电气设计手册 ［ M］ ． 北京 : 中国水利水电 出版社 ， 2007． ［ 3］ GB 50217—2007 电力工程电缆设计规范 ［ S］ ． 北 京 : 中国计划出版社 ， 2008． ( 收稿日期 : 2012-08-08) 櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒 EA ( 上 接第 23 页 ) 验证了系统的可行性 。并通过样机试验 ， 验证系 统相关指标满足微电网并网 、孤岛工作模式和不 同模式切换过程的电能质量要求 ， 系统运行稳定 。 但在当前全球能量短缺的背景下 ， 系统能否在包 含太阳能 、风力发电单元等多种形式微电源的复 杂微电网环境中 ， 在更加完善的上层能量管理系 统控制下安全 、稳定和高效运行 ， 应该是下步继 续完善的主要方向 。 参考文献 ［ 1］ 王 成山 ， 杨占刚 ， 等 ． 微网实验室系统结构特征及 控制模式分析 ［ J］ ． 电力系统自动化 ， 2012， 34 ( 1) : 99-103． ［ 2］ 鲁 宗相 ， 王彩霞 ， 等 ． 微电网研究综述 ［ J］ ． 电力 系统自动化 ， 2007， 31 ( 19) : 100-106． ［ 3］ 郭 小强 ， 邬伟扬 ． 微电网非破坏性无盲区孤岛检测 技术 ［ J］ ． 中国电机工程学报 ， 2009， 29 ( 25) : 7-12． ［ 4］ Liu Xiong， Wang Peng， Loh Poh Chiang， et al． A hy- brid AC/DC micro-grid and its coordination control ［ J］ ． IEEE Transactions On Smart Grid， 2011， 2 ( 2) : 278-286． ［ 5］ 刘 浩 ． 纯电动汽车用锂离子电池 SOC 估算方案的研 究 ［ J］ ． 电气应用 ， 2010， 29 ( 12) : 54-58． ［ 6］ 赵 玉叶 ． 超级电容器直流储能系统的分析和设计 ［ D］ ． 秦皇岛 : 燕山大学 ， 2011． ［ 7］ 徐伟 ． 磷酸铁锂动力电池组充电系统的设计与实现 ［ J］ ． 电气应用 ， 2011， 30 ( 19) : 50-53． ［ 8］ IEEE Std 1547 ( TM) —2003 IEEE standard for inter con- necting distributed resources with electric power systems ［ S］ ． ( 收 稿日期 : 2012-07-27) EA