微电网储能系统建模与分析

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@ ，BHZhang@
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@ ，BHZhang@
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：
30.5(,)t P P Av C ρβλ=
112.51(,)0.22(1160.45)P C e λβλλβ−=−− 311(1(0.08)0.0035(1))λλββ−=+−+ 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。

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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
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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
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
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D-527。