独立光伏发电系统混合储能协调控制研究.pdf

第3 4 卷第4 期计算机仿真2 0 1 7 年0 4 月 文章编号：1 0 0 6 9 3 4 8 ( 2 0 1 7 ) 0 4 0 1 2 5 0 4 独立光伏发电系统混合储能协调控制研究 陈上豪L 2 ，刘国海1 ，陈兆岭1 ，沈跃1 ( 1 江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江2 1 2 0 1 3 ； 2 浙江省电力公司检修分公司，浙江杭州3 1 1 2 3 2 ) 摘要：光伏发电系统具有随机性与波动性，尤其在离网状态下，易引起直流母线电压失稳越限。鉴于此，提出了一种适用于 含混合储能的独立光伏发电系统协调控制策略，利用混合储能系统具有功率型与能量型的特性，使独立光伏发电系统满足 直流母线电压稳定性的要求。在系统功率平衡的基础上，上述控制策略考虑到储能元件的剩余容量，进而决定了各单元变 换器的工作状态，从而解决了直流母线电压稳定及能量优化协调的问题。仿真结果验证了所提出的控制策略在独立光伏发 电系统中的可行性与正确性。 关键词：独立光伏发电系统；混合储能系统；功率平衡；控制策略 中图分类号：T M 7 l l文献标识码：B R e s e a r c ho fC o o r d i n a t i o nC o n t r o lo fH y b r i dE n e r g yS t o r a g e i nS t a n d A l o n eP VP o w e rG e n e r a t i o nS y s t e m C H E NS h a n g h a 0 1 ”，U UG u o h a i l ，C H E NZ h a o l i n 9 1 ，S H E NY u e l ( 1 C o U e g eo fE l e c t r i c a la n dI n f o n a t i o nE n 百n e e r i n g ，J i a l l g s uU l l i v e r s i t y ，Z h e n j i a n gJ i 蚰g s u2 1 2 0 1 3 ，C h i n a ； 2 Z h e j i 蛐gE l e c t r i cP o w e rC o r p o r a t i o nM a i n t e n a n c eB r 粕c h ，H 粕孕h o uZ h e j i a n g3 1 1 2 3 2 ，C h i n a ) A B S T R A C T ：T h em n d o m n e s sa n dv 0 1 a t i l i t yo f t e ne x i s tP h o t o v o l t a i c ( P V )p o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ，w h i c hm a y causet h ei n s t a b i l i t yo ft h ed cb u sv o l t a g e ，e s p e c i a U yi nt h ec o n d i t i o no fo l f g r i d A c c o r d i n gt oi t ，as t a n d a l o n e P Vs y s t e mf o rh y b r i de n e r g ) rs t o r a g ei sp r o p o s e d ，w h i c hu s e st h ec h a m c t e r i 8 t i c so ft h eh y b r i de n e r g ) rs t o r a g es y s t e m ( H E S S ) a n dm e e t st | l en e e d so ft h es t a b i l i t y0 fD Cb u sv o l t a g e T h ec o n 咖ls t r a t e g yi sb a s e do nt h eb a l a r I c e0 fp o w e r i nt h es y s t e m ，w l l i c hc o n s i d e r st h er e s i d u a lc 印a c i t yo fe n e r g ) rs t o m g ee l e m e ma n dd e t e 删i n e st h ew o r k i n gs 诅t e o f e a c hu n i tc o n v e r t e r ，t h e nt h es t a b i l i t yo fD Cb u sv o l t a g ea n dt h ec o o r d i n a t i o no fe n e 哟o p t i m i z a t i o np m b l e mw i ub e s o l v e d T h es i m l l l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt l ef e a s i b i l i t ya n dc o e c t n e s so ft h ec o n t m ls t r a t e g yp m p o s e di nt h i sp a p e ri nt 1 1 e s t a n d a l o n eP Vp o w e rs y s t e m K E Y W o R D S ：S t a n d a l o n ep h o t o v 0 1 t a i c ( P V ) p o w e rs y s t e m ；H y 晡de n e r 夥s t o r a g es y s t e m ；P o w e rb a l a n c e ；C o n t r o ls t r a t e g y 1 引言 独立光伏系统中，光伏电池输出功率及负荷消耗功率的 随机性，易造成直流母线电压波动，甚至导致系统崩溃。储 能系统对直流母线电压的稳定具有很重要的作用。不同储 能技术具有不同的特性，兼具高密度、高能量的新型混合储 能技术是储能技术的发展方向。蓄电池能够保障系统的稳 基金项目：国家自然科学基金( 6 1 3 0 1 1 3 8 ) ；江苏高校优势学科资助项 目( P A P D ) ( 2 0 1l 6 ) ；江苏大学高级人才科研启动基金( 1 4 J D G l 6 7 ) 收稿日期：2 0 1 6 0 5 2 0 修回日期：2 0 1 6 0 6 一0 7 定运行，但由于其具有功率密度低、循环使用寿命短、运行成 本高的缺点，与此同时，超级电容器具有功率密度大、循环使 用寿命长、充放电速度快等优点，在分布式发电系统等领域 具有广阔的应用前景J 。因此，将以上两种储能元件组合使 用，能够充分发挥各自的优点，配以相应的能量管理方案和 控制策略，可有效提高系统的经济性与可行性J 。网内各单 元变换器特别是储能单元变换器之间的有效协调控制起到 稳定母线电压、能量优化分配的作用。J 。因此基于储能元 件容量对各个单元的协调控制研究具有十分必要的意义。 文献 7 提出的光伏系统中采用蓄电池作为能量存储设 备，并利用B P 神经网络算法对蓄电池s O c 状态进行监测， 一1 2 5 万方数据 其所提的控制策略考虑了储能元件的剩余容量，但蓄电池作 为能量型储能元件，使得系统功率失衡时不能得到快速响 应，影响电能质量；文献 8 提出将由超级电容与蓄电池组成 的混合储能系统运用于独立光伏发电系统，通过控制各单元 变流器，实现各单元的功率分配，但未考虑储能元件的容量 是否足以平抑负载功率波动的问题；文献 9 提出的基于超 级电容器的混合储能在直流微电网孤岛状态下的应用解决 了单一蓄电池储能系统的响应慢的缺点以及达到了母线电 压稳定性的要求，但在其控制策略中忽视了储能元件剩余容 量对系统的影响。 针对以上问题，本文提出了一种适用于独立光伏发电系 统的基于混合储能元件剩余容量的协调控制策略，实现对各 单元变换器的协调控制，采用M a t l a b S i m u l i n k 建立了含混合 储能系统的光伏系统仿真模型，并对其进行仿真分析。 2系统构成与拓扑结构 2 1 系统拓扑结构 系统构成主要包括光伏电池板、铅酸蓄电池、超级电容 器组、负载及相应变换器组成，负载消耗由作为能量源的光 伏电池板提供；铅酸蓄电池和超级电容器存储的能量来自于 光伏电池板，其本身不产生能量，在整个系统中起到功率平 抑的作用。相应变换器为各部分的接口，也是执行系统控制 策略的主电路。 由于系统中各元件都是直流源，是以本文采用直流母线 结网结构，如图1 所示。光伏电池板、铅酸蓄电池、超级电容 器组通过变换器与直流母线相连，如图1 中1 3 号变换器 所示；尸。、R 、凡和R 分别表示光伏电池板、铅酸蓄电池、超 级电容器组输出的功率和负载吸收的功率；图l 中双向箭头 表示功率可以双向流动。 直流母线P 兰 警口。剖Il = 叵l 。嚣。日竺 鲥! 圣掣目! i 至! 日篓 图l 独立光伏发电系统拓扑结构 根据图1 ，光伏微电网中各单元功率关系为 P D v + P b + 尸。= P L + P d 。 ( 1 ) 当系统电压发生改变时，电容中的能量也随之改变，其 变化E 大小为 ，1 E = 兰产( 玩。一玩。，) ( 2 ) E 也可由下式表示 一1 2 6 一 E = r ( P p ，+ P b + P 。一P L ) ( 3 ) 式中。为直流母线额定电压；r 为系统运行时间。由式 ( 2 ) 与式( 3 ) 可知 下 一 玩。= 考二( P p ，+ P b + P 。一P L ) + 珑。一。 ( 4 ) u d o 由式( 4 ) 可知，任一单元功率的改变都会引起系统的电 压的波动，为使系统稳定运行，须对各单元的功率加以控制。 本文基于储能元件的容量提出的能量协调控制策略，能够避 免储能元件的出现过放与过充，影响使用寿命，同时达到平 衡系统功率稳定直流母线电压的目的。 2 2 各接口变换器的控制 2 2 1 光伏单元接口变换器控制 光伏单元与直流母线可通过变换器相连，该变换器可工 作在M P 胛( 最大功率点跟踪) 状态或恒压状态。采用占空 比扰动观察法实现M P P r r 时，可根据处于M P P 的左右侧，减 小增大输出电流参考值调整母线电压，最终达到稳定的工 作点。控制框图如图2 所示，图2 中，、。r 和i 。 分别为光伏单元输出电压和电流、直流母线电压的实际值、 参考值和变换器的电感电流。 M P P 懒式 恒压模式 图2 光伏接口单元控制框图 1 号 D c D c 开关管 2 2 2 蓄电池单元变换器控制 蓄电池充电时，采用恒流一恒压法，当s O c 低于8 0 时 采用恒流充电，当S O C 大于8 0 是转为恒压充电；蓄电池放 电时，采用变功率放电，在稳定直流母线电压恒定的基础上， 根据直流母线负载需求控制放电电流。如图3 所示中的模 式选择可根据实际情况选择合适的信号并产生P w M 控制2 号D C D C 变换器开关管。 图3蓄电池单元变换器控制框图 2 号 D C D C 开关管 2 2 3 超级电容器组单元接口变换器控制 采用互补P W M 控制的B u c k B 0 0 s t 双向变换器控制超 级电容器组充放电 。直流母线电压与直流母线电压参考 值比较后得到电压偏差，电压偏差经电压环P I 调节器输出 万方数据 作为电感电流给定值，将该给定值与实际电感电流值比较后 得到电流偏差，输入至电流环P I 调节器，使得电流快速跟踪 电感电流，实现超级电容器充放电控制，其控制框图如图4 所示。 葛名。惦藏 图4 超级电容器组控制框图 3系统协调控制策略 在独立光伏发电系统各变换器的控制上，统一设定切换 依据，各变换器的控制具有独立性，这样实现了统一与分散 的有机结合，使系统运行更具灵活性与可靠性。在功率平衡 的基础上，考虑混合储能的容量，根据系统中不同状况，划分 合适的工作模式，以此确定各变换器的工作状态。该控制方 法可更有效的利用太阳能，更科学的协调能量分配，改善直 流母线电压波动，提高系统运行稳定性。 功率分配模块的根据是通过实现系统功率的平衡来达 到直流母线电压稳定的目的，同时实时检测负载和光伏单元 的输出功率并计算得出混合储能出力的参考值；针对铅酸蓄 电池动态响应速度慢、寿命短的缺点，经过一个低通滤波器 ( 1 0 wp a s sf i l t e r ，L P F ) 得到系统平抑功率参考值P 。，的低频部 分R 。，由蓄电池平抑的功率参考值，再通过与R 一比较得出 P 。，的高频部分P ，由超级电容器组平抑，如图5 所示。 图5 功率分配控制框图 为此将系统分为以下几种模式： 1 ) 模式1 此模式下的主要目标是合理地利用可再生能源，光伏单 元接口变换器工作在恒压状态，混合储能单元处于空闲状 态。此模式下光伏电池单元输出总功率与直流负荷功率满 足功率平衡，可表示为 P 。= P L( 5 ) 式中：P 。和R 各自代表光伏单元输出功率和负荷功率。 2 ) 模式2 此模式下的主要目标是最大程度地利用可再生能源，光 伏单元接口变换器工作在M P P r 状态，混合储能处于正常工 作状态。此模式下光伏单元输出功率、负荷功率、混合储能 吸收发出功率三者满足功率平衡，可表示为 P 。，+ P 虻+ P b = P L ( 6 ) 式中，R 和凡分别代表铅酸蓄电池、超级电容器组吸收发 出的功率。任意模式下R 、P 。为正代表放电，为负表示 充电。 此模式下主要分为两部分： 模式2 1 ：混合储能工作在放电状态； 模式2 2 ：混合储能工作在充电状态。 3 ) 模式3 此模式下的主要目标是应对系统处于极限状态下的模 式切换，主要分为两部分： 模式3 1 ：能量不足模式，混合储能放电，且容量处于设 定下限值，可表示为 P 。，+ P 卵+ P b P L ( 8 ) 混合储能系统处于充电状态，式( 8 ) 中R 和以为负值。 4 仿真分析 为了论证文章中提出的对于控制策略在独立光伏系统 中有效性，基于M a t l a b s i m u l i n k 建立了仿真分析，对3 种运 行模式进行仿真验证。仿真模型主要包括：光伏单元，在标 况( 温度T = 2 5 ，光照强度S = 1 0 0 0W 耐) 下工作；混合储 能单元由蓄电池组与超级电容组构成，其中蓄电池组额定电 压为1 2 0V ，标称容量为1 0 0A h ；超级电容额定电压为2 0 0 V ，容量为1 0 F 。直流母线电压额定值为6 0 0V 。 根据上述3 种运行模式做了5 种运行状态的仿真分析， 其中运行状态1 为模式1 内的运行分析，运行状态2 5 为 模式间的动态切换，具体如下： 1 ) 运行状态l 该运行状态下，系统处于模式1 。光伏变换器为恒压控 制，混合储能装置为空闲状态。由图6 可知，当0 6 s 与1 2 s 时，负载变化，网内功率平衡，是以直流母线电压稳定在 6 0 0V 。 2 ) 运行状态2 该运行状态下，系统对应模式1 向模式2 1 切换。光 伏变换器为M P 胛控制，混合储能装置初始为空闲状态。由 图6 可知，初始时刻P 。，= P L ，当t = 0 5 s 时，负载增大到 1 5 k w ，此时P 。， P 。，混合储能工作，由于超级电容的特性， 超级电容先于蓄电池动作，使母线电压快速稳定在指定电 压。由于超级电容是功率型储能元件，故经过0 2 s 后停止 工作。 3 ) 运行状态3 该运行状态下，系统对应模式l 向模式2 2 切换。光 伏变换器为M P 盯状态，混合储能装置初始为空闲状态。由 一】2 7 万方数据 童l 厂 一一 寸9 I 喜 匕= 二二工= = 二二= 萋；一 匕= 二= = 工= j l = ：匕匕 二 = 一 6 0 5 6 0 0 5 9 5 O 2O 40 6 0 8 ll2 14l6 18 “s 图6 运行状态1 耄 i E 二二= 二二= 喜；匕 P t ，混合储能工作，由于超级电容是功率型 储能元件，其先于蓄电池动作，使母线电压快速稳定在指定 电压，并经过0 2 s 后停止工作。 郸 二二二二= 1 0 r 善，：亡= 二1 二= 二二工= l 】：| E = j 二亡工丁 “s 图8 运行状态3 1 2 8 4 ) 运行状态4 该运行状态下，系统对应模式2 1 向模式3 1 切换。 初始时刻，光伏变换器为M P 胛控制，混合储能装置处于工 作状态，且处于极限放电状态，如图9 所示。由图9 可知，t = 0 5 s 之前母线电压U 如稍低于额定电压且波动较大，故通过 切除部分负载以稳定母线电压。 墓i l = 二二二二= 喜1 l E 二二= 一 c II = 匕= = = = = = = j = = l 杰；： 吾1 ：E 二 二1 工= j 二二E 二五 簦 二L 工工一 6 0 5 r 6 0 0 卜_ _ _ - - _ 一 S5 9 5 L 5 9 0L ，1 J J L L J L _ J O3O 4O5 O m 0708O 9 图9 运行状态4 5 ) 运行状态5 该运行状态下，系统对应模式3 2 向模式1 切换。初 始时刻，光伏变换器为M P 胛状态，混合储能装置为工作状 态，且处于极限充电状态，如图1 0 所示。由图1 0 可知，在t = 0 5 s 前，混合储能处于充满状态，若负载继续减小，母线电 压将增大，为稳定母线电压，切换光伏变换器至恒压工作 状态。 薰；：卜1 毒1 ：L L J _ - L J _ J u 喜i i L = = 二二= 喜一曩E 二= 二二二= 枣；E = 二= = 二二二二= = 霎粪日二工二 工二r 图1 0 运行状态5 5 结论 1 ) 由蓄电池与超级电容器组成的( 下转第2 4 9 页) 万方数据 9 1 0 1 2 1 3 1 4 1 5 业出版社，2 0 0 5 CJ i a n g ，XH a n ，a I l dG RL i u O p t i m i z a t i o no fs 扛1 l c t u r e sw i t hu n c e r t a i nc o n s t r a i n t sb a s e do nc o n V e xm o d e la n ds a t i s f a c t i o nd e g r e eo f i n t e n r a I J c o m p u t e M e t h o d sA p p l i e dM e c h a J l i c sa n dE n 舀n e e r - i n g ，2 0 0 7 ，1 9 6 ：4 7 9 l 一4 8 0 0 C J i a n g ，xH a n ，wx “，J “u ，zz h a n g Ah y b r i dr e l i a b i l i t y 印p r o a c hb a s e do np r o b a b i l i t ya n di n t e r v a lf 斫u n c e n a i ns t n l c - t u r e s ，J o u m a l0 fM e c h 锄i c a lD e s i g I l J ，2 0 1 2 ，1 3 4 ：0 3 l 0 0 1 一l 一0 3 1 0 0 1 1 1 D ux i a o P i n g I n t e r v a lr e l i a b i l i t ya n a l y s i s J A S M E2 0 0 7D e s i g nE n g i n e e r i n gT e c h n i c a lC o n f e r e n c ea n dC o m p u t e 瑙a n dI n f o r - m a t i o ni nE n 西n e e r i n gC o n f e r e n c e ( D E T C 2 0 0 7 ) ，I J a sV e g a s ， N V 2 0 0 7 高镇同疲劳应用统计学 M 北京：国防工业出版 社，1 8 9 6 TYT W i r s c h i n g ，WSM a n i n A d v a n c e df a t i g L I er e l i a b i l i t ya I l a l y s i s J I n t e m a t i o n a lJ o u m a lo fF a t i g u e ，1 9 9 1 ，1 3 ( 5 ) ：3 8 9 3 9 4 闰彩伟，叶南海汽车钢板弹簧在不同摩擦系数下疲劳寿命 研究 J 计算机仿真，2 0 1 4 ，3 1 ( 1 2 ) ：1 4 7 1 5 0 杨志凌，苗丽娟基于C A E 软件的风电机组齿轮疲劳寿命预 测 J 计算机仿真，2 0 1 5 ，3 2 ( 2 ) ：1 6 1 1 6 4 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 邱志平，王晓军结构疲劳寿命的区间估计 J 力学学报， 2 0 0 5 ，3 7 ( 5 ) ：6 5 3 6 5 6 SSR a o ，LB e r k e A n a l y s i so fu n c e r t a i ns t r u c t u r a ls y s t e m su s i n g i n t e a la n a l y s i s J ，A I A AJ ，1 9 9 7 ，3 5 ( 4 ) ：7 2 7 7 3 5 谢永强参数不确定问题的区间与仿射分析方法理论与应用 分析 D 西安电子科技大学，2 0 1 4 王清印灰色数学基础 M 武汉：华中理工大学出版 社，1 9 9 6 吕震宙，冯蕴雯，岳珠峰改进的区间截断法及基于区间分析 的非概率可靠性分析方法 J 计算力学学报，2 0 0 2 ，1 9 ( 3 ) ： 2 6 0 2 6 4 作者简介 陈小月( 1 9 9 1 一) ，女( 汉族) ，湖北省武汉市人，硕 士研究生，主要研究领域为结构可靠性分析与 优化。 文桂林( 1 9 7 0 一) ，男( 汉族) ，湖南省衡东人，教授， 博士研究生导师，主要研究领域为特种装备结构 优化。 刘杰( 1 9 8 9 一) ，男( 汉族) ，山东省菏泽市人，博士研究生，主要研 究领域为结构可靠性理论。 卿启湘( 1 9 “一) ，男( 汉族) ，湖南省邵阳市人，副教授，硕士生导 师，主要研究领域为结构学与机械设计。 ( 上接第1 2 8 页) 混合储能系统能够充分地发挥两种储能方式的性能特点，能 够快速、合理地平抑网内功率波动，稳定直流母线电压。 2 ) 提出的独立光伏发电系统混合储能的协调控制策略 有效地控制系统内各单元变换器，可在3 种运行模式间实现 快速、平滑切换。确保系统功率的平衡，避免直流母线电压 波动，同时防止储能元件出现过充或过放，延长其寿命。 参考文献： 1 鲁蓉，张建成超级电容器储能系统在分布式发电系统中的应 用 J 电力科学与工程，2 0 0 6 ，( 3 ) ：6 3 6 7 2 陈明，汪光森，马伟明多重化双向D c D c 变换器P I 滑模变 结构控制策略研究 J 电力自动化设备，2 0 0 8 ，2 8 ( 4 ) ：5 3 5 7 3 宋强，等智能直流配电网研究综述 J 中国电机工程学报， 2 0 1 3 ，3 3 ( 2 5 ) ：9 1 9 4 L i ux i o n g ，W a n gP e “g ，Pck h Ah y b 耐A C D