鲍 镘，张继红，付文豪，吴振奎，魏毅立

（内蒙古自治区光热与风能发电重点实验室，内蒙古科技大学 信息工程学院，内蒙古 包头 014010）

0 引言

可再生能源开发利用的快速推进是我国实现“碳达峰，碳中和”目标、解决绿色低碳转型棘手问题、全面实施降碳减排的重要举措［1］。能源结构的深层次转型可以提升地区清洁能源供给、提高能源利用率，实现中国绿色发展［2-4］。以风力发电、光伏发电以及光热发电为代表的绿色能源利用方式已技术成熟并被大众广泛认可。然而，上述绿色能源发电过程会产生较强的功率波动，很大程度上影响电能质量和系统的稳定运行水平［5］。为顺利接入和利用这些能源，微电网技术顺势而出［6-7］。微电网技术可以充分发挥各自分布式电源的能效，是近年来能源领域专家研究的热点和焦点问题之一。微电网按照各单元连接母线性质和回路电能种类不同可分为交流、直流和混合式3种［8］。由于交流微电网具有供配电方便以及升降压灵活等优势，而直流微电网没有无功损耗及谐波问题，因而学者们针对不同场景研究混合式微电网情况也较为普遍［9］。混合式微电网中，母线电压的稳定性及频率的波动性会较大程度影响网内系统功率的平衡及微电网的可靠运行［10-11］。如果发生关键参数波动，势必影响负荷的正常运行［12］。另外，微电网系统的功率平衡任务多由电力电子器件变换实现，一方面使得系统惯性减小、抗扰能力变弱；另一方面影响分布式电源出力、使得过载能力变差［13］。而储能系统动态性能好、效率高，能够快速提供电网需要的有功及无功功率，因此，储能已成为微电网中提高其稳定性、安全性和电能质量的关键技术支撑。

文献［14］对低压微电网系统的输出功率按照比例进行了分配分析，设置了自适应虚拟电阻确定分布式电源的输出功率，可以满足“即插即用”的电源快速“投退”要求，但该方法可能存在多个逆变器同时、同方向的调节现象，将会引起系统运行超调，并出现稳态运行点的偏移，尤其对恒功率负载较为不利。文献［15］-文献［16］结合本地信息的能量需求及综合调控方法，给出了利用通信手段设置了二次电压方案，重点解决了母线电压的波动问题，但该方法对主控制器的稳定性要求较高。文献［17］-文献［18］分析了超级电容、蓄电池构建的混合储能系统在微电网中的应用机理，主要设计了高频功率波动的算法并平衡了直流微电网内部功率，具有一定的参考价值。文献［19］-文献［21］指出了直流微电网电压综合协调控制策略并对直流母线电压给以分区处理，分别采取不同的控制策略，满足系统低电压穿越要求，但该方法还需综合考虑双储能的容量优化配比及荷电状态约束，因而应用范围受到一定限制。文献［22］-文献［24］对影响微电网的稳定运行进行了分析，针对大扰动时交流微电网的稳定运行从电流特性的角度进行分析以及在多个微电网接入导致的动态耦合对其稳定性的影响分析。

本文根据风力发电、光伏发电等可再生能源的发电特点，结合混合储能的不同工作特性、考虑了各自荷电状态约束，设计了相应控制策略，以期解决微电网电压及频率波动问题。由于单一储能无法同时满足负荷的功率密度与能量密度双重需求，飞轮储能系统具有寿命长、动态响应快、无污染等优势，因此将飞轮储能（Flywheel Energy Storage System，FESS）和蓄电池储能（Battery Energy Storage System，BESS）两者优化组合，不但在性能方面进行了优势补偿，提高了蓄电池使用寿命，而且降低了电子开关器件动作频次，提升了微电网运行的整体稳定性。

1 混合储能型微电网拓扑结构

混合储能型微电网拓扑结构如图1所示。风力发电和光伏发电分别通过各自的变流器与母线相连，飞轮储能和蓄电池组成的混合储能系统经由相应变换器与母线连接，负荷主要为常见的交流与直流负荷，微电网经由变流器与大电网连接。图1中STS、T为连接电网的静态开关与变压器。由于并网型微电网的控制较为简单，基本无电压波动或功率缺额现象，本文重点研究独立微电网运行的电压稳定问题。由图1 可知，直流母线的功率交换可表示为：

图 1 混合微电网拓扑结构图Fig.1 Hybrid energy storage microgrid topology

式（1）中：ΔPall为母线的总功率变化量；PG为大电网输出功率；PPV、PWT分别为光伏和风机的输出功率；PACLoad、PDCLoad分别为交流和直流负荷消耗功率；ΔPBS为蓄电池功率变化量；ΔPFESS为飞轮储能功率变化量。

当储能系统处于充电状态时，ΔPall＞0时，直流微电网系统内输出功率大于负荷消耗功率，由储能系统消耗直流微电网系统内的多余输出功率。当ΔPall＜0时，直流微电网系统内输出功率不足，无法提供负载所需功率，由储能系统提供负载所需功率差额。

母线负荷的变化以及分布式电源输出的变化都将对母线电压波动产生重要影响，但最直接、最有效的解决办法为借助混合储能系统进行功率平衡。

2 混合储能系统配置及控制原理

2.1 配置原则

储能系统（Energy Storage System，ESS）的配置主要考虑两方面因素，一方面，因为可再生能源发电的间歇性和随机性会很大程度地影响发电机的出力情况，所以一定要平滑出力，才能使微电网稳定运行；另一方面，考虑到分布式电源的能量跨时调度，共同参与配电网的功率优化，可以增加系统惯性。由于电池是能量型储能设备，具有功率密度相对较低的特点，所以对平抑低频功率波动有明显的效果；与此相对应，飞轮是功率型储能设备，具有密度大、响应速度相较于电池更快的特点，可以平抑高频功率波动。因此，本文将电池与飞轮进行优化组合，构建混合储能系统来控制协调微电网的功率平衡以及稳定微电网母线电压和减少频率波动。

2.2 直流母线电压稳定控制

以图1为例，对于直流母线侧，功率平衡方程可表示为：

式（2）中，Pinv为交直流母线功率交换量。

由电路理论可知，直流系统中功率、电压之间呈线性关系，则微电网系统母线电压表示为：

可见，直流母线电压波动与储能电池的容量大小有关，针对不同的场景要求和多重条件限制，灵活选择储能容量，若储能功率容量选择太小，导致无法对大的波动进行调节，影响使用寿命，影响预期效果；相反，容量选择过高则会导致前期投资成本升高，降低系统利用效率［25-26］。电能质量受母线电压波动程度的影响，本文通过自适应下垂控制策略，追踪电压幅值波动动态，实时调整相应下垂系数，以此来减少母线电压波动，最终实现母线电压的波动更加平滑的目的，设计的控制策略如下。

依据电压、功率下垂关系，可以将式（3）作如下变换：

式（4）中，Udc_ref为微电网直流母线电压参考值，γ为功率下垂系数。联立式（3）、式（4）可以得到：

式（5）中，λ为电压下垂系数。采用上述模型设计的母线电压控制拓扑图如图2 所示。根据式（5）计算出的IBS为电流给定值，实际测量值会通过电流负反馈系统来跟随给定值。

图2 母线电压控制拓扑图Fig.2 Bus voltage control topology

2.3 交流母线电压稳定及频率控制

2.3.1 传统下垂控制原理分析

由频率、角频率与相角之间的关系式可以得到：

参考火电厂母线电压、频率与功率的传统下垂关系可以得到：

式（7）中，逆变器输出的有功功率和无功功率分别为pn和Qn，有功功率和无功功率下垂系数分别为mp和nq，逆变器空载时输出的频率和电压幅值的参考值分别为fn*和Un*，逆变器实际输出的频率和电压幅值分别为fn和Un，在此数学模型上可得到图3 的传统下垂控制结构框图。

图3 传统下垂控制结构框图Fig.3 Block diagram of traditional droop control structure

图3中，U0、I0分别为逆变器输出电压和电流的测量值。传统下垂控制一般是作用于高压系统的，忽略了逆变器等效阻抗中的电阻成分，仅分析其呈感性的情况，因此存在一定局限性。

2.3.2 传统下垂控制的不足

1）逆变器输出功率间相互耦合

传统下垂控制只考虑了P-f、Q-U之间一一对应的联系，忽视了在实际电力系统中，逆变器输出的功率与输出电压的相关参数有关系，不仅仅是简单地对应关系。忽视这点就会使有功功率和无功功率间相互耦合，影响到系统其他部分的运行。

2）无功功率分配受线路阻抗影响

由于分布式电源所处地理位置不同、线路布置差异将引起线路阻抗值的不同，也会导致逆变器输出无功功率分配不均问题，甚至增加了母线电压跌落概率。

2.3.3 虚拟复阻抗的双闭环结构设计

因为传统的下垂控制会导致逆变器的输出功率相互耦合［27-28］，为解决此问题，本文在电压电流双闭环上引入虚拟复阻抗，改进了传统的下垂控制。虚拟复阻抗中的阻抗控制器作用为：抵消逆变器等效阻抗中的阻性，使其呈纯感性，这样就可以满足下垂控制解耦条件，其中的具体控制框图如图4所示。

图4 引入虚拟复阻抗的双闭环控制框图Fig.4 Block diagram of double closed-loop control with the introduction of virtual complex impedance

此时，逆变器等效阻抗为：

图4控制框图中，虚拟电阻RV和虚拟电感LV组成虚拟复阻抗ZV，并在其中增加了一阶低通滤波器，从而消除在控制过程中引起的高频噪声。该模型可表示为：

结合式（9）、式（10）可知，在选定系统控制参数、逆变器滤波参数和线路阻抗值之后，可通过虚拟复阻抗来调节逆变器等效阻抗。

2.3.4 鲁棒下垂控制模型

针对逆变器无功平衡受线路阻抗影响的问题［29-30］，将积分环节引入到Q-U下垂控制中。同时，对于母线电压因线路阻抗影响而跌落的问题，可将逆变器的输出电压幅值Un与交流母线的电压幅值Ul做差，所得数值再乘上补偿系数K得到U*n，并将其作为反馈信号补偿到Q-U下垂控制中，鲁棒下垂控制框图如图5所示。

图5 鲁棒下垂控制框图Fig.5 Block diagram of robust droop control

因为P-f 下垂控制可以使有功功率均匀分配，故此处不再赘述，仅对Q-U 下垂控制进行分析，控制框图如图6所示。

图6 Q-U下垂控制框图Fig.6 Q-U droop control block diagram

由图6可得，逆变器输出的无功功率表达式为：

对式（11）进行拉普拉斯变换，再由拉普拉斯变换终值定理可得出当系统稳定运行时，各逆变器输出的无功功率为：

对于各逆变单元而言，交流母线电压幅值Ul均一致，若能够保证补偿系数K、输出电压测量值U0、无功功率给定值Qref也相同的情况下，那么只要选择合适的下垂系数nq，便能有效解决因线路阻抗不同所导致的无功功率分配不均问题，达到无功平衡目的。此时式（12）可以等效为：

在系统稳定运行时，nq(Qn-Qref)趋近于零，故K(U0-Ul)也趋近于零，因此逆变器输出电压幅值U0与母线电压幅值Ul近似相等，并且补偿系数K值越大，(U0-Ul)值就越小，U0越接近于Ul，保证了母线电压的稳定性。

3 仿真算例

针对图1 所示结构，采用大型数字化仿真软件PSCAD/EMTDC 搭建交直流微电网仿真模型并设置参数如下：母线电压Udc-ref为380 V，光伏系统发电功率25 kW，风机输出功率20 kW，蓄电池设计容量300 A·h、飞轮储能设计容量10 kW，时间以s为单位。

仿真结果如图7所示，图7给出了飞轮储能、蓄电池单独运行时的功率输出波形。系统在0.5 s时负荷增加3 kW，1.6 s时减少2.5 kW，2.6 s时负荷增加4 kW。针对上述几种情况分析两类储能功率输出情况可以看出：负荷波动时，两类储能均可提供足够功率输出，但对于0.5 s和1.6 s时的功率变化，飞轮储能响应较快，并及时增大或减小输出功率；而蓄电池会出现响应时间延迟现象。针对短时间的功率缺额，飞轮储能体现功率特性，可以对高频信号发挥良好的平抑作用；另一方面，虽然蓄电池储能响应较慢，但更适用于功率缺额大、平抑时 间较长的负荷变化情况，对于补偿低频功率效果较好。

图7 飞轮与电池储能放电跟踪对比图Fig.7 Comparison of flywheel and battery storage discharge tracking

为进一步证实改进下垂系数方法对于构建混合储能系统的优势，首先分析直流母线电压波动情况。图8 给出了单一蓄电池储能输出功率及母线电压波形图，由图可以看出，负荷在0.3 s、0.8 s、2 s、3 s时刻进行了加载和减载，蓄电池始终能够跟随负荷变化，但在暂态过程会导致功率响应不及时的问题，从而出现了母线电压明显的升降现象，电压波动方向与功率波动方向趋势相反。尽管电压波动幅值符合母线低电压波动要求，但频繁的充放电无疑加重了类似问题的发生，甚至引发电池使用寿命缩短现象；其次，分析图9给出的交流母线电压及频率波动情形，如图所示，负荷进行多次增减变化后，飞轮仍然可以动态跟踪负荷，尽管交流母线频率出现了小幅波动，但相对值并未超过0.01，由此可得，系统的频率波动范围在0.25 Hz 以内，满足电能质量对频率的基本要求。

图8 电池单独调节与母线波形Fig.8 Separate battery regulation and bus waveform

图9 飞轮单独控制输出功率及母线电压频率波动波形Fig.9 Flywheel independently controls output power and the bus voltage and frequency fluctuation waveform

引入改进下垂控制法和采用混合储能系统平抑交直流母线功率波动，仿真波形如图10、图11 所示。负荷的总功率缺额由蓄电池储能和飞轮储能共同承担。为接近工程实际，本次考虑电池荷电状态高于飞轮储能这一特殊情况。仿真图如图10所示，蓄电池的输出功率明显高于飞轮储能，此外，两类储能的输出按照改进下垂系数进行分配，满足下垂控制的设计预期。而图11 给出了混合储能分配功率后共同输出的电流波形，电流幅值的变化基本与功率输出一致，并有严格的对应关系。电压波形与频率波形基本保持恒定，较单一储能平抑功率波动效果较好，并能保持电压及频率基本稳定，证实了混合储能的优势。

图10 混合储能功率分配图Fig.10 Hybrid energy storage power distribution diagram

图11 混合储能输出电流与电压波形Fig.11 Hybrid energy storage output current and voltage waveforms

最后，为验证文章所提的混合储能系统控制的合理性与可行性，基于自治区重点实验室搭建了测试平台，实验中利用蓄电池与超级电容（替代飞轮储能）构建混合系统。中央处理单元为TMS320C5504型DSP；光伏采用开关电源代替，实验参数：输出电压DC 24 V，电流10 A，最大负荷功率为0.3 kW；IGBT 开关频率为10 kHz；设定直流母线电压为24 V，逆变器输出电压为15 V。当光伏输出为0.15 kW 时，混合储能输出总功率为0.15 kW，当光伏输出为0.12 kW 时，混合储能输出总功率为0.18 kW，当光伏输出为0.21 kW 时，混合储能输出总功率为0.09 kW。当混合储能配置比例低于发电容量的20%时，母线电压和电压频率波动则会显著增大，因此需要控制在20%以上。上述实验测试得到混合储能的输出分别为Isc和IBT，母线电压幅值为uB和fB，如图12-图13所示波形。

图12 混合储能输出电流波形Fig.12 Hybrid energy storage output current waveform

图13 母线电压及频率波形图Fig.13 Bus voltage and frequency waveform diagram

4 结语

文章提出了一种稳定交直流母线电压和频率的控制策略。首先通过引入虚拟复阻抗的方法解决了逆变器输出阻抗、线路阻抗成感性特性的问题，解耦了电压、频率与功率之间的关系，简化了控制算法；其次采用鲁棒下垂控制算法综合了两类储能的运行特性，避免了混合储能的过充过放现象。电池储能技术成熟、成本低廉，能量大，但充放电次数有限；而飞轮储能功率密度大于5 kW/kg，能量密度大于20 kWh/kg，效率高于90%，运行寿命长，将二者配合构成混合储能系统具有较高的经济效益。最后，通过仿真及实验得出了混合储能的配置比例至少为分布式发电容量的20%以上，或者满足额定负荷20%的功率需求，则可以有效减少电压频率波动，提高系统稳定性。