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电力电子节能与传动控制河北省重点实验室(燕山大学)的研究人员吴青峰、孙孝峰等,针对孤岛交流微电网中的分布式储能系统(DESS)采用传统的P-f下垂控制时出现的荷电状态(SOC)不平衡问题,提出一种分布式下垂控制。
该方案通过在传统的P-f下垂控制基础加入SOC平衡因子控制逆变器输出的有功功率,从而实现不同容量的DESS充电和放电过程中SOC平衡,并且在SOC平衡过程中频率不会发生偏移。当SOC平衡以后,SOC平衡因子为1,控制算法自动变为传统的P-f下垂控制。由于下垂系数一般很小,频率可以保持在规定的范围(±1%)内。
此外,通过调节SOC的下垂系数,可以调节SOC的平衡速度。最后,不同工况下的仿真和实验结果验证了所提方案的有效性。
随着环境问题的加剧和人们环保意识的提高,由具有清洁、可再生性、高可靠性等优点的光伏、风机等可再生能源(Renewable Energy Sources, RES)组成的微电网逐步发展起来[1]。微电网的结构如图1所示,光伏、风机等RES和分布式储能系统(Distributed Energy Storage Systems, DESS)(蓄电池)通过逆变器并联接入交流电网。
微电网通过静态转换开关(Static Transfer Switch, STS)与公共电网连接于公共耦合点(Point of Common Coupling, PCC)。STS断开时微电网处于孤岛模式;STS闭合时微电网处于并网模式。由于微电网中的RES具有间歇性、随机性和不稳定性,为了保证系统的稳定运行,孤岛微电网中含有蓄电池、超级电容等储能单元[2]。
为了实现微电网的扩容和提高系统的稳定性,系统内一般含有多个DESS。由于生产DESS的原材料及生产工艺等方面的原因造成了DESS的初始荷电状态(Stateof Charge, SOC)一般是不同的。另一方面,由于微电网线路长度和老化程度的不同,微电网的线路阻抗Zi一般是不相等的。
由于微电网的线路阻抗Zi和DESS的初始SOC的不同,DESS的逆变器采用传统的下垂控制时在充电或者放电过程中的SOC是不平衡的[3]。SOC不平衡会导致微电网某个DESS先放完电再退出系统,从而加快剩余的DESS的放电速度,缩短DESS的使用寿命。当剩余的DESS的容量不足以支持系统时会导致整个系统的崩溃[4]。此外,DESS是微电网中比较昂贵的成分。因此,实现DESS的SOC平衡是十分必要的。
图1 微电网的结构
为了实现电池SOC平衡,文献[5,6]提出一种基于电池管理系统(Battery Management System, BMS)的SOC平衡控制策略,该方案能够实现蓄电池组内部各个蓄电池单元之间SOC平衡,但是这些方案并不适用于DESS。
为了实现DESS的SOC平衡,文献[7-13]提出了功率变换器(Power Converter System, PCS)的方案,这些控制方案主要包括分散式控制、分布式控制和集中控制方案。由于基于下垂控制的分散式控制不需要通信线,能够实现即插即用功能,所以被广泛研究。
文献[7,8]提出一种基于下垂控制的直流微电网DESS的SOC平衡方案,通过改变下垂系数实现SOC平衡,同时能够实现有功功率均分,但是该方案基于P-E下垂控制,不适用于采用P-f下垂控制的交流微电网。
文献[9-11]提出一些基于P-f下垂控制的交流微电网DESS的SOC平衡方案,但SOC平衡过程中会导致严重的频率偏移,需要加入额外的频率恢复方案来恢复频率。此外,这些方案没有考虑充电过程SOC平衡问题。文献[12]利用一种级联H桥电路获得SOC平衡,但是该方案电路复杂,需要集中控制器,增加了系统的成本且控制复杂。
文献[13]提出一种基于分布式控制的SOC平衡方案,利用低带宽通信线来传递各个变量的信息,该方案计算量大且控制复杂,同时,导致频率发生偏移。
本文提出一种分布式下垂控制来实现DESS的SOC平衡。所提方案的优点在于能实现不同容量DESS充、放电过程中的SOC平衡,并且所提方案在SOC平衡中不会出现严重的频率偏移。通过调节SOC的下垂系数可以调节SOC的平衡速度。
图13 实验平台
结论
本文提出一种分布式下垂控制来实现孤岛交流微电网中DESS的SOC平衡。通过将SOC平衡因子以乘法关系加入到传统的下垂控制中,对逆变器输出的有功功率进行调节,可以实现DESS的SOC平衡。
该方案不但实现了DESS充电和放电过程中的SOC平衡,在SOC平衡过程中频率不会发生严重的偏移并且可以保持在规定的范围内,通过调节下垂系数kSOC可以调节SOC的平衡速度。
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