-
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<
/p>
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
< br>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；
S
OC
；协调控制
Coordinated control strategy in micro-
grid with the limit value of battery
SOC
Wu
Zhenkui
1
, Liu
Xufeng
1
,
Li Chuan
1
, Yang
Xusheng
2
(
1. Information Engineering
School, Inner Mongolia University of Science and
Technology, Inner Mongolia, Baotou
014010,China; e 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
微电网有并网和孤岛两种典型的运行模式。并
微电网
是集多种微源、储能装置和负载，以及
网运行时，微电网系统电压和频率由主电网控制。
电力电子装置构成的可以独立运行也可以并网运行
孤岛运行时，
微电网离开主网独立控制系统电压频
的智能系统。微网中的微电源一般功率在
200kW
以
率。如何提高微电网在孤岛模式下的
系统稳定性成
下，
常见的有光伏电池系统，
燃料电池和微燃机等
[1]
。
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
?
基金项目：
内蒙古自治区自然科学基金（
2014MS0527
）
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<
/p>
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<
/p>
[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
< br>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
）
。
V
t
(
t
)
和
V
c
(
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。
P
(
t
)
?
2<
/p>
t
v
t
(
?
)
i
c
(
?
V
t
(
t
)
V
c
(
t
)
(1)
T
?
t
?
T
)
d
?
?
sin
?
2
wL
c
S
(
t
)
?
V
t
(
t
)
I
c
(
t
)
?
v
（
2
）
t
(
t
)
V
t
(
t
)
2
?
V
< br>C
(
t
)
2
wL
?
2
V
t
(
t
)<
/p>
V
C
(
t
)
cos
?
C
Q
(
t
)
?
S
2
(
t
)
?
P
2
(
t
)
?
V
t
(
t<
/p>
)
（
3
）
wL
(
V
c
(
t
)
cos
?
?
V
t
(
t
))
C
式中
α
是逆变器侧相对于
P
CC
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
）：
P
(
t
)
?<
/p>
V
t
(
t
)
V
c
(
t
)
（
4
）
wL
?
C
Q
(
t
)
?
V
t
(
t
)
（
5
）
wL
(
V
t
(
t
)
?
V
c
(
t
))
C
光伏阵列
DC-DC<
/p>
PCC
T
Grid
STS
蓄电池
DC-
DC
负载
微燃机系统
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
< br>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<
/p>
20%
与
80%
。
蓄电池的充放电等效方程如下
[9
]
：
V
Ba
tt
?
V
0
?
R
?
i
?
K
Q
(
it
?
t
*
)
?
Exp
(
t
)
（
6
）
Q
?
it<
/p>
V
Batt
?
V
o
?
R
?
i
?
[
K
Q
]
i
*
?
?
?
K
< br>Q
?
?
?
it
?
（
7
）
it
?
0
.
1
Q
?
Q
?
it
?
Exp
(
t
)
式中
V
Batt
是电池电压
（
V
）
,
V<
/p>
0
是电池常态电压
（
V
）
；
K
是极化阻抗常数（
Ω
）；
Q
是电池容量（
Ah
）；
i
t
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<
/p>
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
）
。
< br>图
2
中
MPPT
控制采用参考最大功率点控制，
P
MPPref
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
K
p1
和
K
i1
分别表示控制器的比例和积分增
益。
?
*
?
K
p1
?
(
< br>P
MPP
ref
?
P
PV
)
?
t
（
8
）
K
i1
?
?
0
(
P
MPP
ref
?
P
PV
)
dt
含有
PI
2
的控制环节是对逆变输出电压的控制，
测量
< br>PCC
点的电压值并换算为均方根值
V
< br>t
(
t
)
，再和
指定参考电压值
V
t
*
(
t
)
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
V
c
< br>*
达到控制
PCC
点的电压值为
V
t
*
(
t
)
。控制方程如下式：
< br>
v
c1
*
(
t
)
?
v
t
(
t
)<
/p>
?
[
1
?
K
P2
(
V
t
*
(
t
)
?
V
t
< br>(
t
))
t
（
9
）
?
K
I2
?
0
((
V
t
*
(
t
)
?
V
< br>t
(
t
))
dt
)
]
式中
K
p2
和
K
i2
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。
P
MP
Pr
ef
+
-
PI1
P
PVactual
< br>400
V
/10
kV
光伏阵列
DC-DC
DC-AC
< br>Booster
Inverter
f
ref
+
-
PI3
?
1
f
*
相
measured
(
?
1
?
?
2
)
/
2
?
< br>角
变
1
.
02
P
ACmeasured
换
+
-
PI4
?
2
V
C
1
*
v
DC
t
P
有效值
V
t
?
-
计算
+
PI2
+
+
V
t
*
1
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
50
Hz
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
50
Hz
，方程
如下：
?
1
*
?
K
P3
(
f
ref
?
f
measured
)
?
t
（
10<
/p>
）
K
I3
?
0
(
f
ref
?
f
measured
)
dt
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，
P
ACmeasured
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：
?
2
*
?
K
P4
(
1
.
0
2
?
P
AC
?
P
DC
)
?<
/p>
t
（
11
）
K
I4
?
0
(
1
.
02
?
P
AC
?
P
DC
)
dt
将
?
1
*
和
?
< br>2
*
平均后产生最终相角控制因子
?
*
，
通过控制
V
C
1
*
的电压周波相角，最终产生逆变器
PWM
波参考电压调制信号<
/p>
V
C
*
。
?
*
?
(
?
1
*
?
?
2
*
)
/
2
（
12<
/p>
）
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。<
/p>
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