CN104659804A - 含有混合储能的微电网及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明主要是涉及一种含有混合储能的微电网及其控制方法,将基于超级电容器与蓄电池的混合储能***并联在微电网上,采用模糊滑模的控制方式对混合储能装置进行控制。该控制方法不仅可以实现平抑微网并网波动功率,微网离网投切负荷时的波动功率,而且能够实现***由并网/离网的平滑切换,从而使***的稳定性得到提高,进一步验证该控制方法的优越性。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种含有混合储能的微电网及其控制方法,属于微电网利用技术领域。
背景技术
为满足能源利用可持续发展战略的需求,近些年来可再生能源发电技术得到极大的关注并取得了一定的进展。将可再生能源应用到微电网中是一项重大举措,然而微电网的***惯性较小,可再生能源受自然条件的影响,功率输出具有间歇性和随机性,因此这类电源的接入会给***运行的稳定性及供电可靠性带来一定的负面影响。在微电网运行时,常将柴油发电机、微型燃气轮机、燃料电池等输出功率稳定且容量较大可控型微电源对***进行调节,用来维持***电压与频率稳定。出于经济成本考虑,采用控制灵活、便捷的储能装置来平抑微电网***功率波动目前是一项最佳选择。通过调节储能装置功率输入输出,可以在一定程度上抑制***功率的波动性和非预测性,实现微网运行稳定与可靠。
然而多种间歇性非可控微电源和可控型微电源的接入,对微电网的运行与控制提出巨大的挑战。如何提高微电网的供电质量和并网运行的可调度性已成为当今一项重要课题。微电网在运行时网络结构发生变化或者出现故障时,通过对各分布式微电源以及储能装置进行协调控制,以保证在任何情况下都可以对大电网以及负荷提供优质电能,因此控制方式的好坏直接影响微电网的经济性能和技术性能。近些年国内外一些文献对微网的运行与控制采用下垂控制方式,但是在孤岛运行时各分布式电源功率不能得到合理分配,动态过程中容易产生较大的功率振荡、***控制环控制参数复杂、可控微源切换过程中的功率缺额、以及并网离网运行模式下平稳过渡***稳定性问题都是有待于解决的。
发明内容
发明目的
针对微电网在运行时网络结构发生变化或者出现故障时,如何协调各微电源之间关系,以保证在任何情况下都可以对大电网以及负荷提供优质电能,本发明提出了一种含有混合储能的微电网及其控制方法。
技术方案
一种含有混合储能的微电网,其特征在于:光伏电池连接DC/AC变流器与负荷并联,风机与AC/DC整流器和DC/AC逆变器连接并与负荷并联,光伏电池与风机并联经过断路器连接到交流母线上;燃料电池连接DC/AC变流器与负荷并联,并经过断路器连接到交流母线上;燃气轮机与AC/DC整流器和DC/AC逆变器连接并与负荷并联,经过断路器连接到交流母线上;柴油机与AC/DC整流器和DC/AC逆变器连接并与负荷并联,经过断路器连接到交流母线上;超级电容器与蓄电池分别通过DC/DC变流器与DC/AC逆变器连接,并与负荷并联,经过断路器连接到交流母线上;交流母线通过断路器与电网连接。
一种如上所述含有混合储能的微电网控制方法,其特征在于:微电网在并网、离网以及平滑切换过程中,通过控制混合储能装置充放电,对微电网运行状态进行功率补偿,步骤如下:
(1)、微电网在并网运行时,将非可控型微源作为主电源为电网和负荷供电,可控型微源与微网断开,此时非可控型微源采用PQ控制,蓄电池和超级电容器同时对微电网进行充放电,并根据***波动功率的合理分配对混合储能装置变流器进行协调控制;
(2)、微电网在并网离网运行平滑切换以及负荷投切时,采用超级电容器来平抑可控微源投切过程中的功率波动,蓄电池通过充放电用来维护***整体性能的稳定;此时储能装置外环采用下垂控制方式,内环采用模糊滑模控制方式;
(3)、微电网在离网运行时,将可控型微源作为微网主电源,采用VF控制维持微电网电压和频率稳定,此时非可控型微源与微网断开。
混合储能装置逆变器采用模糊滑模控制方式,采用比例切换控制方法对母线电流误差和电流误差变化率进行切换,同时对切换函数和切换函数微分进行模糊化,经过模糊推理和解模糊化后,最后经过模糊控制器得到输出控制量,并对控制对象进行控制。
混合储能装置DC双向变流器采用电压内环和电流外环的双闭环控制模式,电流外环通过快速动态响应,电压内环主要维持输出电压稳定,并产生适当的补偿电压增强输出电压稳定性。
优点及效果
本发明提出了一种含有混合储能的微电网及其控制方法,具有如下优点:
1、将基于超级电容器和蓄电池组合成混合储能***应用到微电网中,克服了单一储能的缺陷,提高储能装置的使用寿命,降低了投资成本。
2、对混合储能装置逆变器采用模糊滑模的控制方式,对平抑微电网并网波动功率较传统控制方式具有较好的平抑效果。
3、采用模糊滑模的控制方式,使微网离网投切负荷以及并网/离网的平滑切换的时间间隔缩短,较传统控制方式具有较强的抗干扰能力和恢复能力,从而使***动态稳定性得到提高,进一步验证该控制方法的优越性。
附图说明
图1为含有混合储能的微电网结构图;
图2为PQ控制结构框图;
图3为VF控制结构框图;
图4为下垂控制结构图;
图5为混合储能装置逆变器控制结构图;
图6为模糊滑模控制器控制结构图;
图7为混合储能装置控制框图;
图8为含有混合储能***微电网仿真模型;
图9为双馈风机全天输出波动功率图;
图10为光伏电池全天输出功率图;
图11为混合储能装置采用常规和模糊滑模控制风光并网功率对比曲线图;
图12为超级电容器与蓄电池并网波动功率曲线图;
图13为某地全天负荷曲线图;
图14为可控微源全天有功功率示意图;
图15为超级电容器与蓄电池离网波动功率曲线图;
图16为含有混合储能可控微源离网全天有功功率示意图;
图17为离网***母线频率示意图;
图18为离网***母线电压示意图;
图19为并网转孤岛母线三相电压示意图;
图20为孤岛转并网母线三相电压示意图;
图21为并网转孤岛母线频率示意图;
图22为孤岛转并网母线频率示意图;
图23为微电网***平滑切换母线频率示意图;
图24为超级电容器与蓄电池在***平滑切换过程功率波动曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明:
本发明涉及一种含有混合储能的微电网及其控制方法,将基于超级电容器与蓄电池的混合储能***并联在微电网上,采用模糊滑模控制方式对混合储能装置进行控制,在Matlab/simulink平台搭建含有混合储能及多微源的微电网仿真模型,通过具体算例验证了该算法具有较好的稳态性能和动态性能,从而使微网得到更为精确的控制。
本发明是一种含有混合储能的微电网,其特征在于:光伏电池PV连接DC/AC变流器与负荷Load1并联,风机wind与AC/DC整流器和DC/AC逆变器连接并与负荷Load2并联,光伏电池与风机并联经过断路器QF1连接到交流母线上;燃料电池FC连接DC/AC变流器与负荷Load4并联,并经过断路器QF3连接到交流母线上;燃气轮机MT与AC/DC整流器和DC/AC逆变器连接并与负荷Load5并联,经过断路器QF4连接到交流母线上;柴油机DE与AC/DC整流器和DC/AC逆变器连接并与负荷Load6并联,经过断路器QF5连接到交流母线上;超级电容器Supercapacitor与蓄电池Battery分别通过DC/DC变流器与DC/AC逆变器连接,并与负荷Load3并联,经过断路器QF2连接到交流母线上;交流母线通过断路器QF与电网Grid连接。
本发明这种含有混合储能的微电网控制方法,微电网在并网、离网以及平滑切换过程中,通过控制混合储能装置充放电,对微电网运行状态进行功率补偿,步骤如下:
(1)、微电网在并网运行时,将非可控型微源(风力发电机、光伏电池)作为主电源为电网和负荷供电,可控型微源(柴油发电机、微型燃气轮机、燃料电池)与微网断开,此时非可控型微源采用PQ控制,蓄电池和超级电容器同时对微电网进行充放电,并根据***波动功率的合理分配对混合储能装置变流器进行协调控制;
(2)、微电网在并网离网运行平滑切换以及负荷投切时,采用超级电容器来平抑可控微源投切过程中的功率波动,蓄电池通过充放电用来维护***整体性能的稳定;此时储能装置外环采用下垂控制方式,内环采用模糊滑模控制方式;
(3)、微电网在离网运行时,将可控型微源作为微网主电源,采用VF控制维持微电网电压和频率稳定,此时非可控型微源与微网断开。
混合储能装置逆变器采用模糊滑模控制方式,该控制算法采用比例切换控制方法对母线电流误差和电流误差变化率进行切换,同时对切换函数和切换函数微分进行模糊化,经过模糊推理和解模糊化后,最后经过模糊控制器得到输出控制量,并对控制对象进行控制。
混合储能装置DC双向变流器采用电压内环和电流外环的双闭环控制模式,电流外环通过快速动态响应,电压内环主要维持输出电压稳定,并产生适当的补偿电压增强输出电压稳定性。
微电网***的基本原理:
微电网结构
该微电网由非可控型微源(风力发电机(Wind)、光伏电池(PV))和可控型微源(柴油发电机(DE)、微型燃气轮机(MT)、燃料电池(FC))以及混合储能装置(超级电容器与蓄电池)组成。每个微源通过变流器与母线联接并与相应的负荷并联,微电网通过PCC点与大电网连接。含混合储能***的微电网结构图如图1所示。
微电网电源控制方式
微电网在并网运行时,将光伏电池和风力发电机作为主电源为电网和负荷供电,可控型微源柴油发电机、微型燃气轮机、燃料电池与微网断开。由于微电网的电压和频率是由大电网支撑的,此时将光伏电池和风力发电机均采用PQ控制。由于并网时非可控型微源输出功率具有波动性,从减少充放电次数和提高使用寿命的角度考虑,将超级电容器与蓄电池组成的混合储能***,采用下垂控制方式来实现平抑微电网的功率波动,从而提高微电网并网的电能质量。
微电网在离网运行时,将可控型微源作为微网主电源,采用VF控制维持微电网电压和频率稳定,此时非可控型微源与微网断开。根据负荷需求在投切可控型微源时会产生功率波动,由于超级电容器功率因素较大,因此采用超级电容器来平抑可控微源投切过程中的功率波动,蓄电池通过充放电用来维护***整体性能的稳定。此时储能装置采用下垂控制方式。具体的控制结构框图如图2~4所示。
混合储能***控制方法:
由于超级电容器与蓄电池功能特性具有互补性,采用合理的控制方式不仅降低投资成本更能有效的提高***的稳定性。微电网在并网运行时,采用混合储能装置共同协调作用来平抑***波动功率;微电网由并网向离网运行进行切换以及***在离网过程中投切负荷时,即开关进行切换时出现的功率缺额可通过超级电容迅速响应来填补,而离网平稳运行时的主电源则可由蓄电池来承担。这不仅避免单独采用其中一种储能时存在的性能缺陷,同时还避免了当采用单一储能时为实现平滑切换而增加的功率或容量额外配置,从而降低了投资成本。混合储能装置通过合理的控制方式,更有利于提高***稳定性。
储能装置逆变器控制方式
模糊控制不依赖于被控对象的精确数学模型,并能克服非线性因素的影响,对被调节对象的参数具有较强的鲁棒性。但是模糊控制器参数需经过反复试凑才能确定,不能进行稳定和综合性分析。滑模变结构控制是一种解决非线性控制问题的鲁棒控制方法,主要用于处理建模的不精确性。但变结构控制***由于开关切换、***故障等非理想因素的影响,使滑动模态容易产生高频抖振。介于模糊控制和滑模控制优缺点以及相关性,本文将二者组合成模糊滑模控制器应用到混合储能装置中,其控制结构框图如图5所示。
采用滑模控制可以克服参数不确定性和外部干扰。根据以往经验设计模糊控制器,采用模糊控制方式可以减轻滑模控制的抖振问题。一个闭环模糊滑动模式控制器如图6所示。该控制器可以使有功和无功功率保持恒定输出。该模糊滑模控制算法就是通过滑模控制器对误差和误差变化率进行切换,同时对切换函数和切换函数微分进行模糊化,经过模糊推理和解模糊化后,最后经过模糊控制器得到输出控制量u,并对控制对象进行控制。
模糊滑模控制器输入电流参考值i* d,i* q计算式如式(1)所示。其中ud、uq分别为母线有功电压和无功电压,P、Q分别为三相母线有功功率和无功功检测值。
锁相环PLL通过相位角将逆变器输出电压与电网电压保持同步,其目的使***电流误差保持最低并合成的电压的校正矢量。误差电流定义如式(2)所示。
母线三相dq轴电流误差e(t)以及误差的变化率de(t)如式(3)所示。其采样时间T=1ms。
切换函数s(k)的设计如式(4):
采用比例切换控制方法并满足滑动模态存在条件进行控制器设计,控制器设计为如式(5):
u=(αe(t)+βde(t))·sgn(s(t))(5)
使用一个二维模糊控制器,滑模控制变量u是由模糊控制规则设计。令s(t)、ds(t)为模糊变量并作为模糊控制器的输入。模糊变量Δu作为模糊控制器的输出。根据模糊控制理论,模糊集设计如下所示:
s={NB,NS,ZO,PS,PB};
ds={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB};
Δu={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB};
其中模糊变量s(t)、ds(t)、Δu的模糊论域为[-1,1]。相对应的模糊语言{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},分别表示{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大}。模糊变量采用三角型隶属函数。根据以往经验设计有功功率无功功率控制的模糊控制规则库如表1-2所示。
表1电流有功误差Δid输入模糊规则
表2电流无功误差Δiq输入模糊规则
储能装置DC/DC变流器控制方式
本发明混合储能装置控制框图如图4所示。超级电容器和蓄电池分别采用DC/DC变流器进行控制,从而使超级电容器和蓄电池充放电以及相互切换控制更具有灵活性,而且储能装置在放电时通过对高压侧的控制,有利于保持直流母线电压的稳定。在储能容量的配置方面,微电网在并网离网运行以及相互切换过程中,储能容量只需保证微电网重要负荷正常供电即可,因此蓄电池需要配置的容量额度只需满足重要负荷供电,而超级电容器为了确保切换的平滑过渡,所配置的容量须满足微电网中所有负荷的功率要求。
由于占空比d由开关管的通断时间决定,因此通过控制开关管的通断时间即可实现能量双向传输控制。确保直流母线电压稳定对实现微电网平滑切换具有重要作用,本文分别通过双向变换器来控制超级电容器和蓄电池的输出电压以抑制直流母线电压波动。由于双向变换器在升压模式的恒压输出状态时的电压传递函数在s域中存在右半平面的零点,则***属于非最小相位***,开环不稳定。为稳定直流母线电压,本文采用电压内环和电流外环的双闭环控制模式。电流外环通过快速动态响应,电压内环主要维持输出电压稳定,并产生适当的补偿电压增强输出电压稳定性。外环电流参数是由母线功率差值PH经过低通滤波器进行功率分配,并经过PI运算得到。
微电网负荷投切及相互切换控制:
微电网运行过程中主要经历并网,离网,负荷投切以及平滑切换几个状态,因此采用合理有效的控制方式对微电网稳定运行是至关重要的,本文具体控制方法设计如下:
1)微电网并网运行时非可控型微源采用PQ控制,可控微源断开。此时蓄电池和超级电容器同时对微电网进行充放电,并根据***波动功率的合理分配对混合储能装置变流器进行协调控制,以实现并网功率接近目标值。
2)在***投切负荷或由并网向离网状态切换过程中,采用超级电容器进行放电来迅速填补微电网功率缺额。首先将超级电容器由浮充状态切换到放电状态,根据超级电容器端口电压来控制超级电容器的投切,同时将混合储能装置的双向逆变器由充电模式切换到V/F控制放电模式。通过调节DC/DC变流器来实现直流母线电压稳定。将PCC点断开瞬间电网的电压和频率值作为混合储能装置V/F控制的参考电压和参考频率,从而减小混合储能装置的投入对微电网产生的冲击影响。
3)微电网在离网运行时可控制微源采用V/F控制方法,非可控微源断开。微电网由离网切换到并网时所产生的冲击电流,主要由微电网与电网之间的电压偏差和相角偏差综合决定的,而与频率差关系较小。因此在并网前须通过预同步控制将电压和相角调到与电网基本一致,从而减小并网合闸时产生的冲击,本文采用直接调整主电源V/F控制的参考电压和参考频率的方式进行预同步控制。经过预同步控制调整,当微电网和公共配电网的电压和相角满足如下条件时,实施并网操作。
其中ug和u分别为电网和微电网电压幅值;un为额定电压幅值。
仿真与分析:
仿真模型及参数
根据图1所示的微电网结构,本发明可运用MATLAB/SIMULINK软件搭建含有混合储能***的微电网仿真模型,其仿真模型如图8所示。
该微电网仿真模型主要参数设置如下:非可控型微源光伏***PV容量为150kW,风力发电***WT容量为150kW;可控型微源燃气轮机MT容量为40kW,柴油机DE容量为70kW,燃料电池FC容量为60kW;混合储能装置蓄电池Bat(Battery)容量为160kW,超级电容器SC(Supercapacitor)容量为80kW;交流母线额定电压550V,***频率50Hz。
微电网运行仿真分析
某地区微电网***中双馈风机和光伏电池全天输出有功波动功率如图9、图10所示。微电网在并网运行时主要由非可控型微源为电网和负荷供电,采用混合储能装置来平抑微电网***波动功率,此时混合储能装置(如图7)将开关K1断开,K2、K3闭合。混合储能装置逆变器分别采用常规控制和模糊滑模控制的风光并网功率对比曲线如图11所示,其中Pwave为风电和光伏叠加输出总功率,Pgrid-C为采用常规控制风光并网总功率,Pgrid-H为采用模糊滑模控制风光并网总功率。可以看出采用模糊滑模控制较常规控制具有较好的平滑效果,从而验证了采用模糊滑模控制具有高效性。图12为微电网并网运行时混合储能装置充放电功率,实现了蓄电池平抑高频波动功率,超级电容器平抑低频波动功率,使储能单元得到合理的应用,减少了蓄电池充放电次数,有效提高储能装置的使用寿命,更有利于维护***的稳定性。
微电网在离网运行时将可控制微源做为主电源对***提供支撑,非可控型微源断开。采用VF控制方法跟踪***变化。图13为某地全天负荷曲线,根据该负荷曲线逐步投入可控型微源柴油机DE、微源燃气轮机MT、燃料电池FC来补充负荷功率需求。可控微源全天有功功率如图14所示。在17h时可控制微源同时切断,微源在投入初始阶段和切断最后阶段都会对***产生冲击,严重影响***稳定性,因此采用功率因素较大的超级电容器来平抑此阶段***的波动功率,此时混合储能装置(如图7)将开关K1闭合,K2、K3断开。蓄电池在(19-24-3)h处于放电状态,主要用于非重要负荷供电,其余时间段处于充电状态,在17h时由于功率波动较大,超级电容器和蓄电池共同放电。其超级电容器与蓄电池离网波动功率曲线如图15所示,图16为含有混合储能、负荷及可控型微源的微电网在离网状态下全天的有功功率。微电网在离网状态下母线频率及电压如图17、图18所示。国网规定电网装机容量在300万千瓦以下的,***频率偏差范围为±0.5Hz,10kV及以下三相供电电压允许偏差为标称***电压的±10%。该控制方法下***频率和电压均在国网规定的范围内,近一步验证了采用模糊滑模控制方法的有效性。
微电网模式切换是一个极其重要的过程,直接关系到***的稳定状态。在微电网运行模式切换前,光伏和风力发电始终采用PQ控制模式,运行模式切换后采用VF控制,在微电网由并网向离网运行切换过程中,微电网的电压和频率均跌落后趋稳。而微电网由离网运行切换到并网运行,其母线电压在切换前后过渡的比较平稳,其主要原因是并网前采用了预同步控制,这也使得微网中负荷在并网时所受的电流冲击较小。由图19~23可知,微电网由并网状态在第2.095s切换到离网状态,以及在6.095s离网状态切换到并网状态运行时,由于微电网存在功率缺额,切换瞬间母线电压和频率均发生跌落,但随后迅速回升,主要是由于混合储能中的超级电容在切换后迅速响应出力,及时填补了功率缺额,使切换过程中的电压和频率维持在可接受范围内。图24为超级电容器与蓄电池在***平滑切换过程功率波动曲线。
结论:
(1)将基于超级电容器和蓄电池组合成混合储能***应用到微电网中,克服了单一储能的缺陷,提高储能装置的使用寿命,降低了投资成本,并且更有利于提高***的稳定性。
(2)根据以往经验为混合储能装置逆变器设计模糊滑模控制器,并将其应用到含有混合储能***的微电网中,通过具体算例验证了该控制算法的有效性。
(3)该控制算法不仅可以实现平抑微网并网波动功率,微网离网投切负荷时的波动功率,而且能够实现***由并网到离网以及离网到并网的平滑切换。使微电源在投切过程中产生的冲击较小并限制到合理范围内,从而使***的稳定性得到提高,进一步验证该控制方法具有较强的鲁棒性。
Claims (4)
1.一种含有混合储能的微电网,其特征在于:光伏电池连接DC/AC变流器与负荷并联,风机与AC/DC整流器和DC/AC逆变器连接并与负荷并联,光伏电池与风机并联经过断路器连接到交流母线上;燃料电池连接DC/AC变流器与负荷并联,并经过断路器连接到交流母线上;燃气轮机与AC/DC整流器和DC/AC逆变器连接并与负荷并联,经过断路器连接到交流母线上;柴油机与AC/DC整流器和DC/AC逆变器连接并与负荷并联,经过断路器连接到交流母线上;超级电容器与蓄电池分别通过DC/DC变流器与DC/AC逆变器连接,并与负荷并联,经过断路器连接到交流母线上;交流母线通过断路器与电网连接。
2.一种如权利要求1所述含有混合储能的微电网控制方法,其特征在于:微电网在并网、离网以及平滑切换过程中,通过控制混合储能装置充放电,对微电网运行状态进行功率补偿,步骤如下:
(1)、微电网在并网运行时,将非可控型微源作为主电源为电网和负荷供电,可控型微源与微网断开,此时非可控型微源采用PQ控制,蓄电池和超级电容器同时对微电网进行充放电,并根据***波动功率的合理分配对混合储能装置变流器进行协调控制;
(2)、微电网在并网离网运行平滑切换以及负荷投切时,采用超级电容器来平抑可控微源投切过程中的功率波动,蓄电池通过充放电用来维护***整体性能的稳定;此时储能装置外环采用下垂控制方式,内环采用模糊滑模控制方式;
(3)、微电网在离网运行时,将可控型微源作为微网主电源,采用VF控制维持微电网电压和频率稳定,此时非可控型微源与微网断开。
3.根据权利要求2所述的含有混合储能的微电网控制方法,其特征在于:混合储能装置逆变器采用模糊滑模控制方式,采用比例切换控制方法对母线电流误差和电流误差变化率进行切换,同时对切换函数和切换函数微分进行模糊化,经过模糊推理和解模糊化后,最后经过模糊控制器得到输出控制量,并对控制对象进行控制。
4.根据权利要求2所述的含有混合储能的微电网控制方法,其特征在于:混合储能装置DC双向变流器采用电压内环和电流外环的双闭环控制模式,电流外环通过快速动态响应,电压内环主要维持输出电压稳定,并产生适当的补偿电压增强输出电压稳定性。
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