蓄电池SOC限值下的微电网协调

蓄电池SOC限值下的微电网协调

控制策略研究

吴振奎1,刘旭峰1,李川1，杨旭生2

(1. 内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古 包头 014010；2. 兰州理工大学电气工程与信息工程学院，兰州

730050)

摘要：微电网在孤岛模式中，由光伏阵列和储能电池并联构成的光伏逆变器作为V-f模式主控单元调节系统电压频率稳定，当光伏阵列输出功率不能满足系统需求且储能电池达到SOC限值时，逆变器不能保证系统稳定。针对此问题，本文在含光伏系统最大功率跟踪和储能电池充放电特性的系统中，提出了一种改进的V-f模式和P-Q模式控制算法，采用P-Q模式下的微燃机作为后备V-f模式调节单元，通过与光伏逆变器控制模式的切换解决了系统稳定性问题，同时在光伏阵列输出功率过剩的情况下提高了可再生能源的利用率。通过PSCAD/EMTDC软件仿真验证了其控制策略的有效性。

关键词：微电网；储能电池；SOC；协调控制

Coordinated control strategy in micro-grid with the limit value of battery

SOC

Wu Zhenkui1, Liu Xufeng1, Li Chuan1, Yang Xusheng2

(1. Information Engineering School, Inner Mongolia University of Science and Technology, Inner Mongolia, Baotou

014010,China; 2.College of Electrical and Information Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou,

730050, China)

Abstract: In an island mode of micro-grid, PV inverter, as the V-f control model, which is composed of photovoltaic

array and storage battery in parallel connection, mainly adjusts the frequency and voltage stability of the micro-grid

system. When the output power of PV array can't meet the demand of system and energy storage battery is confused

by SOC limit, the inverter can't satisfy the system stability. Aiming at this problem, based on the photo-voltaic

maximum power tracking system and the characteristics of the energy storage battery charging and discharging

system, the paper analyzes the improved V - f and P - Q model control algorithm, using P - Q model of micro gas

turbine as back-up V - f model adjusting unit, and switching the control mode of photovoltaic inverter to solve the

problem of system stability. At the same time, the control strategy improves the utilization of renewable energy when

the out power of PV array is surplus. The simulation verifies the effectiveness of the control strategy by using

PSCAD/EMTDC software.

Keywords: micro-grid, battery storage, SOC, coordination control

0( 引言

微电网是集多种微源、储能装置和负载，以及电力电子装置构成的可以独立运行也可以并网运行的智能系统。微网中的微电源一般功率在200kW以下，常见的有光伏电池系统，燃料电池和微燃机等[1]。

 基金项目：内蒙古自治区自然科学基金（2014MS0527） 微电网有并网和孤岛两种典型的运行模式。并网运行时，微电网系统电压和频率由主电网控制。孤岛运行时，微电网离开主网独立控制系统电压频率。如何提高微电网在孤岛模式下的系统稳定性成为当前国内外研究的热点。

文献[2]对于逆变器和传统同步电机在孤岛模式下的运行特性进行了分析。文献[3]采用电容器接入光伏系统来调节和控制系统频率。随着电力电子技术的发展，更为强大和敏感的电源变流器得以研发，通过储能系统和变流器配合，进行复杂的DG控制[4-5]。文献[6]研究了对于光伏阵列和电池的微网电压和频率控制，然而文中并没有解释切换控制机理，也未考虑电池的SOC约束条件。

文中重点研究微电网在孤岛模式下的微电源协调控制策略。在考虑光伏最大功率跟踪和储能电池SOC的系统中，提出了一种改进的V-f模式和P-Q模式控制算法，通过微燃机与光伏逆变器的控制模式切换，以解决微电网在孤岛模式下的系统稳定性问题和提高可再生能源的利用率。

1 系统配置

1.1 微电网系统配置

文中微电网系统包含三种微源，分别是光伏电池、蓄电池和微燃机。如图1所示，储能蓄电池并联在光伏阵列直流母线上，通过光伏逆变器输出交流电到交流母线上，微燃机系统并联在交流母线上，通过PCC开关切换微电网与主网的通断。此微电网结构适用于办公场所供电。

文章重点研究系统在孤岛模式下的协调控制。正常情况下由光伏逆变系统作为V-f主控源调节系统频率电压稳定，微燃机为P-Q恒功率模式[7]。当光伏阵列输出功率太小，不足以维持系统稳定，同时储能电池由于达到SOC下限值不能放电时，光伏逆变器则切换到恒功率模式，微燃机切换到V-f模式增大输出功率，调节系统稳定；当光伏阵列输出功率大于系统需求，同时蓄电池由于达到SOC上限值不能再充电时，为提高可再生能源利用率，光伏阵列则保持最大功率点跟踪控制恒功率输出，微燃机切换到V-f模式减小输出功率，维持系统稳定。

1.2 光伏系统配置

系统也同时考虑了在一级负荷安全供电中由于负载变动引起的电压频率不稳定因素，采用电池储能作为控制电压频率的后备之一[8]。

电池并联在PV侧通过双向DC-DC变换注入或吸收有功功率。当电池吸收功率的时候，变换器运行在buck模式，当电池向网侧注入功率的时候，变换器运行在boost模式，运行模式由控制信号送给变换开关确定。

光伏系统通过耦合电感连接在网侧，电感用以滤除输出电流纹波。连接点称作公共耦合点（PCC）。Vt(t)和Vc(t)分别表示PCC点和逆变器输出侧的电压瞬时值（忽略谐波），P(t)、S(t)、Q(t)分别表示光伏逆变器侧平均有功功率、视在功率和无功功率。

sin)()(2)()()(2cctctttwLtVtVdivTtPT (1)

cos)()(2)()()()()()(22tVtVtVtVwLtvtItVtSCtCtCtct （2）

))(cos)(()()()()(tct22tVtVwLtVtPtStQC （3）

式中α是逆变器侧相对于PCC点电压的相角差，当α很小时，（1）和（2）可以通过泰勒公式展开近似为下式（4）（5）：

Cct)()()(wLtVtVtP （4）

))()(()()(ctCttVtVwLtVtQ （5）

光伏阵列微燃机系统蓄电池DC-DCDC-DCGrid负载STSTPCC

图1 微电网系统结构

Fig.1 Configuration of micro-grid system

1.3 蓄电池模型

由于光伏发电存在间歇性和连续变化性，负载也会有变化的情况发生，储能电池很有可能在多次的深循环充放电中达到SOC的阈值点，本文中储能电池为铅酸蓄电池，它由于具有较高的充放电容量而被广泛采用。假定铅酸蓄电池的放电下限和充电上限分别为额定值的20%与80%。

蓄电池的充放电等效方程如下[9]：

)()(*0BatttExptititQQKiRVV （6）

)(]1.0[*tExpititQQKiQitQKiRVVoBatt （7）

式中VBatt是电池电压（V）, V0是电池常态电压（V）；K是极化阻抗常数（Ω）；Q是电池容量（Ah）；it是电池实际容量；R是内阻；i是电池电流；*i是电池滤波后的输出电流。 此模型中极化电压和电阻对计算开路电压更加精确，（7）式中第一个方括号代表极化电阻，第二个方括号代表极化电压。

当太阳辐照度很小或光伏系统不能提供足够电能时，蓄电池用以补偿电能，平衡系统能量，维持电压频率稳定。本文中光伏系统在最大功率点的功率为100kW,蓄电池的容量选择为在最大功率点提供一小时的能量，即100kWh。储能电池将会为系统短时提供有功功率维持系统稳定并为一级负荷提供在紧急状态下的供电。

2 协调控制策略分析

2.1光伏逆变器V-f控制策略

图2是对MPPT和电池储能采用整体V-f控制的框图，共有三个控制环，一个是对DC-DC变换环节的MPPT控制环，一个是对逆变器环节的V-f控制环，还有一个是针对储能电池的能量管理控制环（图3）。

图2中MPPT控制采用参考最大功率点控制，PMPPref是参考最大功率点功率，由电池阵列标准测试表而得出，它和实际光伏电池输出功率比较，再经过PI1比例积分环节后输出DC-DC boost 模式下的占空比，使得输出功率稳定在参考最大功率点。

最大功率跟踪控制环的等效方程式如式子（8）示，其中Kp1和Ki1分别表示控制器的比例和积分增益。

dtPPKPPKt0PVMPPi1PVMPPp1*)()(refref （8）

含有PI2的控制环节是对逆变输出电压的控制，测量PCC点的电压值并换算为均方根值Vt(t)，再和指定参考电压值)(*tVt比较，将误差值送入PI控制器，最终通过逆变器侧的控制电压信号*cV达到控制PCC点的电压值为)(*tVt。控制方程如下式：

])))()((())()((1[)()(tt*tI2ttP2tc10**dttVtVKtVtVKtvtv （9）

式中Kp2和Ki2分别是控制器的比例和积分增益。式子中的1表示在光伏电池输出电压为0的时候，逆变器输出电压仍然保持和PCC点电压一致。 efMPPPr+-PI1PVactualPDC-DCBooster光伏阵列DC-ACInverter400V/10kVreff+-PI3measuredfACmeasuredP02.1+-PI4DCP212/)(21相角变换*tv+-PI2有效值计算*tVtV1*1CV++

图2 光伏系统V-f控制框图

Fig.2 V-f control block diagram of solar

PV system in micro-grid

频率控制通过控制逆变器侧的有功功率实现。微网参考频率50Hz和实际测量频率比较后送入PI3控制环节产生相角系数*1，它能够改变电压周波，使得注入的有功功率足以维持系统频率50Hz，方程如下：

dtffKffKt0)()(measuredrefI3measuredrefP3*1 （10）

含有PI4的控制环是保持逆变器交流侧和直流侧有功功率平衡环节，PACmeasured是逆变器输出侧的有功功率，1.02是效率系数，假定逆变器的转换效率为98%而得出，通过交流侧和直流侧的功率比较，再将误差信号送入PI4调节后输出相角增益因子*2，控制方程如下：

dtPPKPPKtDCACI4DCACP420*)02.1()02.1( （11）

将*1和*2平均后产生最终相角控制因子*，通过控制*1CV的电压周波相角，最终产生逆变器PWM波参考电压调制信号*CV。

2/)(*2*1* （12）

通过*1和*2的控制环节能够使得逆变器交流侧和直流侧有功功率平衡，结合电压控制环节，确保直流侧电压稳定，维持交流侧电压值为设定值。

蓄电池控制环节如图3所示，它和光伏逆变器的控制是一个整体，可以吸收光伏电池产生的有功功率并间接控制系统频率稳定。当光伏阵列输出有功功率大于系统需求功率时，电池处于充电状态。反之，电池处于放电状态，补偿有功差额，以保持