微网中储能系统功率控制策略及其动模实验_雷金勇

The Power Control Strategy of Energy Storage System in Microgrid and Its Dynamic Simulation Test
LEI Jinyong1, HAO Mukai , ZHANG Xing2
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(1. Electric Power Research Institute, CSG, Guangzhou 510080, China； 2. Hefei University of Technology, Hefei 230009, China) Abstract: For a microgrid, its voltage and frequency may be fluctuating due to switching of a heavy power load. Aiming at the problem, and analyzing the characteristics of the microgrid, this paper proposes a power control strategy of the energy storage system in the microgrid, which is based on the droop characteristic of voltage and frequency, and is realized through the regulation of active and reactive powers. An operation test of microgrid is done under the condition of simulating the microgrid in a dynamic simulation laboratory, showing that the power control strategy works well as to stablize the voltage and frequency of the microgrid. Key words: microgrid; droop characteristic; energy storage system; active power; reactive power; power control; electric load
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1 微网系统的特性
一个典型的微网由多种分布式发电单元、储能 系统及电力负荷组成，并由一个中央能量管理单元 负责微网内的发电调度。储能系统由蓄电池和变流 器组成。 由于微网中主发电设备一般为同步发电机，所 以微网的电网特性可以用同步电机的运行特性来等 效。同步发电机的输出功率可以描述为[4]：
3 U m E0m P 2 X sin , dq （1） 2 3 U Q m U m E0m cos 。 2 X dq 式中：Um 为同步发电机定子电压的幅值；E0m 为励
L 1 mH。
在动模机组空载稳定运行时，系统电压有效值 稳定在 806.89 V 左右，频率稳定在 50 Hz。 考虑到微网系统电压频率下垂特性，不同特性 的负载对其影响不同，所以分别就感性负载投切以 及阻性负载投切对微网系统的影响以及储能系统的 补偿效果进行了实验研究。 3.2 感性负载投切实验 动模模拟实验室中所用感性负载为一台 1 kvar
0 mP , U U nQ ， m0 m
[5]
图 1
Fig. 1
储能系统原理
The Principle of Energy Sorage System
在电池储能系统中， 电压幅值 UE 和电压相角 θ 都是可以控制的，当我们需要向系统注入有功功率 时，便可以控制 θ > δ，这时电池储能系统的电压相 角超前于系统接人点的电压相角，所以有功功率由 电池储能系统流入微网系统；反之亦然。当我们需 要向系统注入无功功率时，便可以控制 UE > US，这 时电池储能系统的电压幅值高于微网系统接入点的 电压幅值，所以无功功率由电池储能系统流入微网 系统；反之亦然。可见，适当的调整变流器来控制 电池储能系统的电压幅值和相角，便可以实现电池 储能系统与接人的微网系统之间的有功功率和无功 功率的交换。 2.2 储能系统功率控制策略 本文利用微网频率电压下垂特性，采用通过有
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南方电网技术
第6卷
cos 1 ，则式（1）可进一步简化为： 3 U m E0m P 2 X , dq （2） 2 U 3 Q m U m E0m 。 X dq 2 式（2）表明：同步电机输出的有功功率主要由
功角决定，而无功功率主要取决于定子电压幅值。 反过来，同步电机有功功率的变化，直接反映到输 出电压相位的变化 （定子电压频率的变化） ， 而输出 无功功率的变化直接反映到定子电压幅值的变化， 这种特性称为同步发电机的频率自同步特性和电压 下垂特性 。因而同步电机的负载特性可以用一个 受控电压源表示，即令受控电压源输出交流电压幅 值和频率分别为：
实验室构建了一个模拟的微网系统，动模实验系统 结构如图 5 所示。整个系统由模拟配电网、储能模 拟系统以及电力负荷组成。其中模拟配电网是一组 额定功率为 15 kW 的模拟发电机组。储能模拟系统 采用了一组背靠背的 PWM 变流器。与蓄电池储能 系统不同的是，模拟的储能系统一端连接在真实的 配电网，另一端接入微网系统，它可以实现能量的 双向流动。在微网发电量有剩余时，它可以将多余 能量回馈至真实配电网；当微网不能支撑突加的大 功率负荷时，它会向微网输送能量。电力负荷包括 纯电阻负载和感性负载两部分，其中阻性负载为一 台 6 kW 的波纹电阻组成的功率电阻箱，感性负载 为一台 1 kvar 的风机。
2 储能系统功率控制系统设计
2.1 储能系统控制原理 储能变流器的实质是大容量的电压逆变器，它
是连接蓄电池和微网之间的接口电路，实现了电池 直流能量和交流电网之间的双向能量传递。电池储 能系统的电路原理图如图 1 所示。 图 1 中储能系统等效为一个理想的电压源，其 电压的幅值为 UE，电压相角为 θ；串联的 R、L 代 表总的功率损耗、线路损耗等；电池储能系统注入 微网系统的电流的幅值为 IL，电流相角为；微网 微网系统的接入点 系统的接入点的电压幅值为 US， 的电压相角为 δ。
储能系统电流内环控制结构图
Current Control Strategie for ESS
论内环增益如何，基于 iL1 的单位调节器内环控制始 终是稳定的。 同时，如图 4 所示，为了消除电网电压变化带 来的扰动，一般会在电流控制内环加入了电网电压 前馈，这种按照典型形系统设计的电流调节器， 具有较快的抗扰恢复能 在电流内环出现 EQ 扰动时， 力[6]，既保证了系统控制的稳定性，又实现了补偿 控制的快速性。
图5
Fig. 5
动模实验系统结构图
Dynamic Simulation Test System
3 动模实验及分析
3.1 微网环境构建 为了验证所提出储能系统控制方案，利用动模
实验中，动模机组即模拟配电网额定输出功率 为 15 kW，额定输出线电压为 800 V，额定输出电 压频率为 50 Hz，变压器变比为 800∶380。两台储 能逆变器参数相同，额定输出功率为 10 kW，内置 设置直流 一个 110∶440 升压变压器， 采用 L 并网， 侧电压为 220 V，直流侧电容 C 16 mF，桥臂电感
[1]
的功率控制技术是微网安全可靠运行的关键。 本文针对微网中储能系统的功率控制策略进行 了研究， 提出储能系统有功无功功率调节控制策略， 利用由模拟发电机组、储能模拟系统以及电力负荷 构成的动模实验室模拟微网系统， 进行了动模实验， 对所提出控制策略进行了实验验证。

磁电流在定子绕组内所感生的激磁电动势； Xdq 为同
（3）
此式反映了系统的下垂特性。式中：为带负载时 输出电压角频率，rad/s；0 为空载时输出电压角频 率，rad/s；Um0 为空载时输出电压幅值；m、n 分别 为输出电压的频率下垂系数和幅值下垂系数。 由以上分析可知，当微网独立运行时大功率电 力负荷的投切会直接影响微网输出的有功和无功功 率。而根据系统的电压频率下垂特性，系统输出有 功无功功率的变化会直接反映为系统的电压和频率 的变化，进而影响了系统的稳定性和电能质量。而 储能系统的作用就在于即时检测微电网电压频率的 变化，根据需要将储存的能量通过逆变控制单元释 放出来，快速准确地补偿系统需要的有功和无功， 从而实现微网电能的平衡、稳定控制。
为整合分布式发电的优势 , 削弱分布式发电对 电网的冲击和负面影响，最大限度发挥分布式发电 的技术经济性, 美国威斯康星大学 R. H. Lasseter 等 微网能够节省资 人在 2001 年提出了微网的概念 。 金、降低能耗、提高系统安全性和灵活性，是电网 未来的发展方向。储能系统作为微网系统必要的能 量缓冲环节，对微网的稳定控制、电能质量的改善 和不间断供电具有重要的作用[2 3]。因此，储能系统
第3期
雷金勇，等：微网中储能系统功率控制策略及其动模实验
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图2
Fig. 2
有功功率控制结构图
Active Power Control Strategie for ESS
图 3 无功功率控制结构图
Fig. 3 Reactive Power Control Strategie for ESS
图4
Fig. 4
* 南方电网“智能电网关键技术研究”重大科技专项 (K201029.9)。 Major Program Research Fund for the Key Technology of Smart Grid of CSG (K201029.9).
步电机Fra Baidu bibliotek轴和交轴的同步感抗，δ 为同步发电机的 功角。 考虑到功角 δ 通常较小， 不妨假设 sin 及
2012 年 第 6 卷 第 3 期 2012，Vol. 6，No. 3
南方电网技术 SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY 中图分类号：TM743
系统规划与运行 System Planning & Operation 文献标志码：A
文章编号：1674-0629(2012)03-0057-05
功无功输出功率调节进而控制输出电压频率的控制 策略。储能系统可以即时检测输出有功无功功率的 变化，根据需要通过逆变控制单元将能量储存或释 放出来，快速调节输出电压和频率，准确地调节系 统需要的有功和无功，从而实现微网电能的平衡、 稳定控制。 具体的控制算法如图 2 和图 3 所示。首先采样 将储能系统与微网系统公共接入点的电压，通过锁 相环技术和 RMS 计算单元检测出实际电网电压和 频率 U、ω，根据微网系统的频率电压下垂特性， 计算出实际的有功和无功功率 P、Q，然后与给定 的有功功率 P* 和无功功率 Q* 相比较并经 PI 调节控 制，产生储能系统输出电压和频率指令 U、ω，最 后通过通过电流环调节，产生三相 PWM 调制波， 控制储能逆变器的电压和频率输出，也即有功和无 功功率输出。 为了抑制 LCL 滤波器自身存在的谐振特性， 除 了有功无功功率控制外环外，还加入了电流控制内 环（见图 4） ，用以改善系统的控制性能。其中，电 无 流内环选择了桥臂侧电感电流 iL1 作为反馈变量，
微网中储能系统功率控制策略及其动模实验*
雷金勇 1，郝木凯 2，张兴 2
（1. 南方电网科学研究院，广州 510080；2. 合肥工业大学，合肥 230009） 摘要：微网系统大功率电力负荷的投切会导致电网电压和频率波动。针对此问题，分析了微网系统的电网特性，提出一 种微网中储能系统功率控制策略。该策略利用微网频率和电压的下垂特性，通过有功无功输出功率调节得以实现。利用 动模实验室模拟微网环境进行了微网系统运行实验， 验证了所提出功率控制策略在平抑电网电压和频率波动方面有良好 的效果。 关键词：微网；下垂特性；储能系统；有功功率；无功功率；功率控制；电力负荷