基于多组储能动态调节的直流微电网电压稳定控制策略_闫承山.pdf

电气传动 2023年 第53卷 第3期ELECTRIC DRIVE 2023 Vol.53 No.3摘要：提出一种基于多组储能动态调节的直流微电网电压稳定控制策略。由于新能源具有波动性并为了提高储能系统的供电可靠性，选择配置一定控制系统的多组储能来控制母线电压稳定。为了避免储能单元过充和过放并降低对通讯的依赖程度，根据储能单元荷电状态（SOC）及最大功率、直流母线电压设计自适应下垂控制自动调节不同储能单元之间的负荷功率分配。此外，设计前馈补偿控制器对下垂控制功率环参考电压进行动态校正以控制母线电压稳定。同时，该控制策略依据直流母线电压自动切换不同变流器工作状态，确保各工况下均有变流器控制直流电压稳定及系统源荷功率平衡。最后，利用Matlab/Simulink搭建仿真模型，结果表明所提出的直流微电网电压稳定控制策略可控制直流微电网稳定运行，各储能单元之间负荷功率可自适应动态分配，并减小了母线电压波动。关键词：直流微电网；下垂控制；二次控制；电压质量中图分类号：TM721文献标识码：ADOI：10.19457/j.1001-2095.dqcd24745Voltage Stability Control Strategy For DC Microgrid Based on Muti-groupEnergy Storage Unit Dynamatic RegulationYAN Chengshan1，2，QIU Mingquan2，ZHANG Lijun2，GUO Qi2，WANG Chunlei2，JIN Wenxing3（1.State Grid Beijing Electric Power Company，Beijing 100051，China；2.State Grid Beijing Tongzhou Electric Power Supply Company，Beijing 101101，China；3.School of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu，China）Abstract:A voltage stability control strategy for DC microgrid based on muti-group energy storage unitdynamatic regulation was proposed.Due to the volatility of the new energy，and in order to improve the powersupply reliability of the energy storage system，the multi-group energy storage equipped with a certain controlsystem was chosen to control the bus voltage stability.In order to avoid over-charge or deep-discharge of storageunits and reduce dependency on communication，an adaptive droop controller was designed to dynamically allocateload power among storage units considering the state of charge（SOC）of storage units，the maximum power and DCbus voltage.Meanwhile，the voltage feed forward control was designed in the power loop of droop control toreduce voltage fluctuation.Besides，the voltage stability control strategy may automatically switch converters todifferent working states，which ensures that there are convertors in all working conditions to control DC voltagestability and system power load balance.Finally，the simulation model of DC microgrid was built in Matlab/Simulink，and the simulation results indicate the proposed method may improve the ESS reliability and voltagequality for DC/AC load.Key words:DC microgrid；droop control；secondary control；voltage quality作者简介：闫承山（1974），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为电力系统运营管理，Email：基于多组储能动态调节的直流微电网电压稳定控制策略闫承山1，2，邱明泉2，张立军2，郭琦2，王春雷2，靳文星3（1.国网北京市电力公司，北京 100051；2.国网北京通州供电公司，北京 101101；3.东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096）闫承山，等微电网作为一种新型电网形式，将分布式电源、储能系统（energy storage system，ESS）和本地负荷有效结合，可作为一个小型电网并网运行或孤岛运行1。通过建立直流母线将不同源荷互联，进而可构建直流微电网。直流微电网与传统交流电网相比，不存在相位同步、高次谐波和无48闫承山，等：基于多组储能动态调节的直流微电网电压稳定控制策略电气传动 2023年 第53卷 第3期功损耗等问题，因此近年来直流微电网在配网领域得到了广泛应用2-5。风电和光伏等分布式电源是直流微电网的重要组成部分，但具有随机波动性和不确定性，因此存在源荷功率失衡的潜在风险，不利于直流微电网的稳定可靠运行6。针对上述问题，通过就地配置一定容量的多组储能单元平滑源荷功率波动，且方便模块化扩容，并可提高负荷供电可靠性。因此，储能系统是直流微电网稳定运行的关键环节，必须设计控制策略确保其可靠运行，尤其是防止过充和过放。通过设计 SOC自适应均衡策略，使并联运行的储能单元根据当前电量自动调整输出，进而实现负荷功率的自动分配7。文献8提出了一种平抑风电功率波动的储能定功率控制方法，该方法以充放电功率限制和储能荷电状态作为约束，在一定程度上能够减小风电功率的波动偏差，但该方法在储能充放电速率方面提出很高的要求，且如果储能充放电较为频繁会影响储能电池组的寿命。文献9采用三层协调控制策略，最大程度的捕获光能且考虑了储能系统间不同荷电状态时的充放电控制，但是该控制方法在源荷功率波动时母线电压波动较大。此外，微网中的可控单元较多且分散，为确保其可靠稳定运行，对不同工况下以及电网扰动下各端电力电子变流器的协调控制策略也需深入讨论10。此外，直流母线电压是反映直流微电网系统源荷功率平衡和系统稳定运行的关键指标。文献11构建了层次化多代理系统框架来维持系统不同运行模式下的电压稳定，实现了直流微网能量分层管理和系统稳定控制，但是各分布式电源间通信依赖程度较高。基于以上分析，本文提出一种基于多组储能动态调节的直流微电网电压稳定控制策略。采用配置一定控制系统的多组储能单元并联运行，并根据储能单元荷电状态及最大功率、直流母线电压设计自适应下垂控制自动调节不同储能单元之间的负荷功率分配。同时，设计前馈补偿控制器对下垂控制功率环参考电压进行动态校正以控制母线电压稳定。此外，该稳定控制策略依据直流母线电压自动切换不同变流器工作状态，确保各工况下均有变流器控制直流电压稳定及系统源荷功率平衡。利用Matlab/Simulink验证了该控制策略的有效性。1系统结构及建模直流微电网在日常居民用电以及供电电源等领域得到了广泛应用12。以图1所示的直流微电网为例进行分析，该微电网主要包含光伏发电系统、储能系统、交流主网、交流负荷和直流负荷等。图1直流微电网结构Fig.1Structure of the DC microgrid1.1光伏系统光伏电池的数学模型如下所示13：I=Iph-Ideq(U+IRs)AkT-1-U+IRsRsh（1）式中：U，I分别为光伏电池的端电压和输出电流；Rs，Rsh分别为等效串、并联阻抗；Iph，Id分别为光生电流、二极管的反向饱和漏电流，是随环境变化的量；T为光伏板的温度；q为光伏板的电子电荷量；A为常数；k为波尔兹曼常数。1.2储能系统假设充放电周期中电池的外特性相同，储能电池可以用如下受控电压源表示14：Vb=Vo+Rb ib-KQQ+ibdt+Cexp(Bibdt)（2）SOC=100(1+ibdtQ)（3）式中：Vb为储能电池的电压；Rb为储能单元的电池内阻；Vo为储能单元电池的开路电压；ib为储能单元电池的充电电流；K为储能电池的极化电压；Q为储能电池的容量；C，B分别为储能电池的电压和容量指数系数。1.3交直流负荷直流微网中包含交直流负荷，直流负荷可通过DC/DC变流器或直接与380 V直流母线连接运49闫承山，等：基于多组储能动态调节的直流微电网电压稳定控制策略电气传动 2023年 第53卷 第3期行，交流负荷可通过逆变器接至直流母线。负荷按照重要程度划分优先级，运行过程中根据需要可执行切负荷操作以满足重要负荷优先供电。2运行模式及控制方法本文提出一种基于多组储能动态调节的直流微电网电压稳定控制策略。为了验证该策略的有效性，将直流微电网系统划分四种运行模态，本节主要考虑系统运行模态划分和具体控制策略。2.1直流微电网运行模态本文主要研究如下四种工作模态：并网运行时储能系统正常工作（模式1）；并网运行时储能系统满充退出（模式2）；离网时储能系统控制母线电压稳定（模式3）；离网时部分储能单元故障（模式4）。模式1：该模式下，直流微电网通过双向AC/DC并网逆变器连接至交流主网，光伏系统采用最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）控制进行最大功率发电，储能系统根据母线电压自动调整充放电模式。此时，交流主网需提供的功率为Pgrid=Pload-Pdc-Pstorage（4）式中：Pgrid为交流主网输出功率；Pload为负荷总功率；Pdc为光伏系统发电功率；Pstorage为储能系统功率。模式 2：当模式 1中储能系统满充退出运行后，进入该模式。此时，直流微电网通过双向AC/DC并网逆变器连接至交流主网，光伏系统采用MPPT进行最大功率发电，交流主网调节有功功率输出来控制直流母线电压稳定和系统源荷功率平衡。交流主网需提供的功率为Pgrid=Pload-Pdc（5）模式3：当模式1或2中直流微电网与交流主网断开后进入模式 3，即直流微电网离网运行。该模式中，储能系统通过调节充放电功率控制直流母线电压稳定和系统源荷功率平衡。储能系统输出功率为Pstorage=Pload-Pdc（6）模式4：储能系统采用多组小容量储能单元并联构成，可根据工程需求模块化选配。在该模式中，部分储能单元故障退出，其余储能单元自动调节充放电功率控制母线电压稳定，可提高储能系统供电可靠性。此时，储能系统输出功率为Pstorage=i=1uPsto_i=Pload（7）式中：u为正常运行配置的储能单元数量，且满足u n，n为实际配置的储能单元数量。特别的，此时若发生过负荷，需根据优先级执行甩负荷操作。直流微电网系统在不同工作模式间的切换条件如表1所示。表1模式切换条件Tab.1Mode switch