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。

　　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.asseter等人在2001年提出了微网的概念^[1]。微网能够节省资金、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。

　　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]：

　　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。

　　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ψ ；微网系统的接入点的电压幅值为US，微网系统的接入点的电压相角为δ。

　　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，电流内环选择了桥臂侧电感电流1Li作为反馈变量，无论内环增益如何，基于1Li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，在电流内环出现QE扰动时，具有较快的抗扰恢复能力^[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。

　　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15kW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6kW的波纹电阻组成的功率电阻箱，感性负载为一台1kvar的风机。

　　实验中，动模机组即模拟配电网额定输出功率为15kW，额定输出线电压为800V，额定输出电压频率为50Hz，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10kW，内置一个110∶440升压变压器，采用L并网，设置直流侧电压为220V，直流侧电容C=16mF，桥臂电感L＝1mH。

　　在动模机组空载稳定运行时，系统电压有效值稳定在806.89V左右，频率稳定在50Hz。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1kvar的鼓风机，它主要消耗无功功率。根据微网下垂特性，风机的投切主要影响其电压变化，而储能装置的作用，就是检测系统电压的变化，计算出系统需要的无功功率，进行补偿调节，实现电压的稳定。

　　图6（a）和（b）分别示出不带储能装置和带有储能装置时，模拟配电网空载稳定运行状态下突加1kvar鼓风机输出端电压和相电流变化。

　　图7（a）和（b）分别示出不带储能装置和带有储能装置时，模拟配电网在加入风机稳定后突然切出风机负荷，输出端电压和相电流变化。

　　通过图6和图7投入和切出风机电压波形对比可见，加入储能装置后，可以明显地平抑投入和切出风机对电网电压幅值的影响，验证了控制系统对模拟配电网系统电压检测的快速性以及无功功率补偿策略的有效性。

　　3.3阻性负载运行实验

　　动模模拟实验室中所用阻性负载为一台6kW的波纹电阻组成的功率电阻箱，它主要消耗有功功率。根据微网下垂特性，电阻负载的投切主要影响其频率变化，而储能装置的作用，就是检测系统频率的变化，计算出系统需要的无功功率，进行补偿调节，实现频率的稳定。

　　在不带储能装置和带有储能装置时，模拟：

　　1）配电网空载稳定运行状态下突加6kW电阻负载输出端电压和相电流变化；

　　2）配电网在带有6kW电阻负载载稳定运行状态下突然切出6kW电阻负载输出端电压和相电流变化；

　　3）配电网投切6kW电阻负载系统频率的变化曲线。

　　通过对比这些模拟结果可以发现，未加储能装置时，投切电阻负载除了系统频率会有明显的变化外，系统输出端电压也有不同幅度的升降；然而，加入储能装置后，系统频率几乎没有变化，端电压在投入负载瞬间有跌落但会迅速回升，切出负载时几乎无变化。

　　由此可见，加入储能装置后，可以明显地平抑投入和切出电阻负载对模拟配电网频率的影响，验证了控制系统对模拟配电网系统频率检测的快速性以及有功功率补偿策略的有效性。

　　3.4混合负载投切实验

　　混合负载投切实验采用如下方式进行，在动模发电机空载稳定运行状态下，先投入6kW电阻负载，稳定后再投入1kvar鼓风机，观察系统电压频率变化。然后后先切出电阻负载，稳定后再切出鼓风机，观察系统电压频率变化。

　　仿真结果显示，加入储能装置后，混合投切阻性和感性负载，系统频率在投切瞬间会有波动，之后恢复正常。系统电压在投入和切出时会有差别，切出时电压几乎没有变化，而两次投入负载的瞬间电压初始都会有不同程度的跌落，之后才恢复正常电压水平。

　　配电网系统的无功消耗导致了电压的跌落，而无功消耗的主要来源除了无功功率负荷（鼓风机）之外，还有相当一部分来自变压器无功损耗以及传输线路的无功损耗，这也是投入电阻负载电压也有小幅跌落的原因。

　　通过混合投切实验发现，在切除负载时储能装置的平抑效果要比投入负载时效果好，这是因为电力系统中电力负荷最优分配的问题。理论上15kW的电网系统，连续投入1kvar的无功负荷和6kW的有功负荷，已经超过其要求的容量限制，所以微网系统对于发电设备、储能装置以及电力负荷的容量配比也有一定的要求和限制。

　　3.5控制参数对系统的影响

　　由于储能装置的控制是一种滞后的反馈补偿控制，所以补偿效果的好坏直接取决于控制系统的调节器参数以及锁相环的精度和快速性。实验中采用了双d-q坐标变换快速锁相环技术，可以快速检测系统电压和频率变化，从而进行有功和无功补偿。

　　由于外环的调节器输出直接决定补偿功率值的大小，所以外环的调节器参数决定了系统的稳定性。

　　仿真结果显示，不同的外环调节器比例系数对系统稳定性的影响，当调节器参数过大时会出现过补偿电压波形畸变的现象。

　　而对于电流内环来说，它是功率输出的执行单元，其调节器参数主要影响系统的响应速度。仿真结果显示，内环比例调节器Kp2＝8时从电压跌落到

　　恢复需要的时间是200ms，而Kp2＝13时从电压跌落到恢复需要的时间是100ms，检验了不同的内环调节器比例系数对系统响应速度的影响。

　　4结论

　　本文在分析了微网具有电压频率下垂特性的基础上，提出了基于有功无功功率调节的储能系统控制策略。该控制策略使得储能系统可以即时检测电网电压频率波动并进行快速功率补偿，实现了微网内部能量的瞬时平衡、维持了微网的稳定运行。

　　通过在动模模拟实验室中进行了不同电力负荷投切的仿真实验，探讨了不同内外环控制参数变化对系统响应速度和稳定性的影响，检验了混合负荷投切时储能系统的响应特性。

　　实验验证了所采用的功率控制策略在平抑不同电力负荷投切对微网系统的电压频率波动方面的有效性和正确性。

　　参考文献：

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