基于混合储能的微电网动态电压恢复器研究 *

doi:10.11985/2020.04.012

基于混合储能的微电网动态电压恢复器研究 ^*

胡博^,, 赵兴勇^,

山西大学电力工程系太原 030013

Research on Dynamic Voltage Restorer of Microgrid Based on Hybrid Energy Storage

HU Bo^,, ZHAO Xingyong^,

Department of Electrical Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030013

收稿日期: 2020-05-11 网络出版日期: 2020-12-25

Received: 2020-05-11 Online: 2020-12-25

作者简介 About authors

胡博,男,1995年生。主要研究方向为微电网电能质量。E-mail： 827751041@qq.com

赵兴勇,男,1965年生,博士,教授。主要研究方向为分布式发电与微电网。E-mail： zhaoxingyong@sxu.edu.cn

摘要

针对微电网电压暂降问题,设计了一种基于蓄电池-超级电容器混合储能的动态电压恢复器(Dynamic voltage restorer, DVR)系统。构造了一种大容量长寿命的混合储能DVR拓扑;在电网电压正常及发生电压暂降时,提出对DVR分别采用微电源下垂控制策略和复合控制补偿策略,改善电压质量并提高设备利用率,同时在电网电压中断情况下,DVR还可发挥不间断电源(Uninterruptible power system,UPS)功能为负荷供电。利用Matlab/Simulink搭建了系统仿真模型,仿真结果验证了所提DVR系统的有效性和正确性。

关键词： 动态电压恢复器 ; 微电网 ; 电压暂降 ; 超级电容器 ; 蓄电池 ; 混合储能

Abstract

To solve the voltage sag problem of microgrid, a dynamic voltage restorer (DVR) system based on hybrid storage of battery and super capacitor is studied. A hybrid energy storage DVR topology is designed to increase energy storage capacity and extend battery life, and the operation mode which can improve the utilization of DVR equipment is proposed. Different operation control strategies are adopted for the DVR when the grid voltage sag occurs and the grid voltage is normal. When the grid voltage is interrupted, the DVR can also operate the uninterruptible power supply (UPS) function to power the load. Finally, the effectiveness of the DVR system is verified by simulation using the Matlab/Simulink.

Keywords： Dynamic voltage restorer(DVR) ; microgrid ; voltage sag ; super capacitor ; battery ; hybrid energy storage

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本文引用格式

胡博, 赵兴勇. 基于混合储能的微电网动态电压恢复器研究 ^*. 电气工程学报[J], 2020, 15(4): 99-105 doi:10.11985/2020.04.012

HU Bo, ZHAO Xingyong. Research on Dynamic Voltage Restorer of Microgrid Based on Hybrid Energy Storage. Journal of Electrical Engineering[J], 2020, 15(4): 99-105 doi:10.11985/2020.04.012

1 引言

电压暂降是指供电电压方均根值在短时间内突然下降的事件,其典型持续时间为0.5~30周波^[1]。在微电网中,光伏发电系统受到外界光照条件影响,输出功率不稳定,进而导致电压暂降。风机的并网和解列以及风速的变化也会引起电压暂降问题。微电网在模式切换时,也可能会导致电压暂降。配电网发生电压暂降、骤升、中断等扰动,处于配电网末端的微电网也极易受到影响^[2,3]。

动态电压恢复器(Dynamic voltage restorer,DVR)是一种电压源型电力电子补偿装置,能在系统电压质量低于一定标准的时候从储能装置汲取电能,通过逆变单元供给重要负荷,在毫秒级内将跌落的电压补偿到额定电压值,能有效地解决电压暂降问题。由于其动态性能好,补偿容量大,经济高效,因此DVR在微电网系统中被广泛应用^[4,5,6]。但传统DVR也存在补偿能力不足,设备利用率低等缺陷。

文献[7]介绍了利用蓄电池和光伏系统供电的DVR补偿电压暂降方法,并与电容器储能、蓄电池储能、电容器-光伏系统协同方法行了比较,指出电容器-光伏组合对补偿负荷母线电压暂降和谐波更为有效。文献[8]指出蓄电池适合长时间持续放电,但对突变情况反应缓慢,而超级电容则可以快速应对各种突变,但不适合长时间放电,两者具有互补作用。文献[4]提出的混合储能系统兼顾了两者补偿作用。文献[9]提出了一种电压控制型分布式电源(Distributed generation,DG)主动承担微电网区域和全局电压质量控制的分区电压质量控制方案,可用作与DVR联合补偿电压暂降。本文在现有文献研究的基础上,提出了一种混合储能微电网DVR结构,针对此结构设计出能提高DVR设备利用率的运行方式。在配电网或微电网电压正常、发生电压暂降和电压中断的不同电网状态下,对混合储能DVR的充放电逻辑、工作模式以及控制策略进行了分析和仿真。

2 混合储能DVR系统结构

混合储能DVR系统结构如图1所示。超级电容器具有高功率密度、高充放电速率、长循环寿命的优点^[10],但不适合长时间放电。蓄电池虽然技术成熟,适合长时间放电,但功率密度小、无法快速充放电、循环寿命短。充分利用超级电容与蓄电池各自的特点可以优化系统^[11]。因此,本文提出的DVR采用蓄电池与超级电容器混合储能。

图1

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图1 混合储能DVR系统结构

微电网与配电网通过功率半导体开关K1连接。蓄电池与超级电容器通过功率二极管K7直接并联^[12]。储能系统一方面通过具有最大功率点跟踪的DC/DC变换器与光伏阵列连接,另一方面通过整流器直接与配电网连接,储能单元可根据需求从不同回路汲取电能。DVR旁路开关K2断开时,储能单元释放的电能可通过DC/DC变换器,逆变环节和滤波器送入敏感负载。

3 DVR工作原理

3.1 电压暂降检测算法

由于敏感负载对电压质量要求较高,因此电压检测模块需要迅速准确地检测出暂降特征量,才能快速启动DVR进行补偿。常用的检测方法有峰值电压法、小波变换法^[13]、状态空间矩阵法、瞬时dq变换法等。本文采用基于dq变换的检测方法。设理想三相电压为

(1)$\left\{ \begin{align} & {{u}_{a}}=\sqrt{2}U\sin \omega t \\ & {{u}_{b}}=\sqrt{2}U\sin (\omega t-2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }/3) \\ & {{u}_{c}}=\sqrt{2}U\sin (\omega t+2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }/3) \\ \end{align} \right.$

通过Park变换可得结果为

(2)$\left\{ \begin{align} & {{u}_{d}}=\sqrt{3}U \\ & {{u}_{q}}=0 \\ \end{align} \right.$

可以看出dq变换结果中的d轴分量是对电压方均根值的体现,因此发生平衡三相电压暂降时,对暂降电压进行dq变换可确定暂降幅值。而在实际系统中发生的电压暂降多为单相,前述abc-dq变换只适用于三相电路。而对于单相电路,可参照三相电路的幅值相位关系,以一相电压为参考构造虚拟三相电压。如以a相电压${{u}_{a}}$为参考,将其延时$\text{60}{}^\circ $可得$-{{u}_{c}}$,然后由${{u}_{b}}=-{{u}_{a}}-{{u}_{c}}$可求${{u}_{b}}$,再将虚拟三相电压进行abc-dq变换并滤波可得${{u}_{d}}$和${{u}_{q}}$。

3.2 DVR补偿策略及控制方法

目前DVR补偿电压暂降策略主要有三种：全相补偿法、同相补偿法和最小能量补偿法^[14]。同相补偿法和最小能量补偿法虽然消耗储能较少,但补偿后的电压仍有可能出现相位跳变。全相补偿法可使补偿后的电压幅值和相位都恢复到暂降前的水平,虽然所需能量较多,但补偿效果最优,因此本文采用全相补偿法。

本文采用复合控制策略对DVR系统进行控制。包括前馈控制部分和反馈控制部分,前馈部分采用电网电压作为前馈信号,与额定参考电压比较得到需要补偿的电压,保证系统快速响应。反馈部分得到需要补偿的电压后,与逆变部分实际输出的电压作差,经PI调解后作为逆变部分的输出电流参考值,再经过电流环控制逆变部分的实际输出电流,从而达到补偿电压的作用。DVR控制如图2所示。

图2

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图2 DVR控制框图

4 混合储能DVR运行模式分析

4.1 储能系统初始化充电模式

DVR系统初始化时,若光照充足,则由光伏系统向储能单元充电。蓄电池成本较高,充电环境不佳会缩短蓄电池寿命,为抑制光伏系统输出电流波动对蓄电池的冲击,光伏系统首先向超级电容器充电,当超级电容器的端电压上升到蓄电池额定端电压时,蓄电池开始接受充电电流。若光照不足,则由配电网通过整流装置向储能系统充电。充电完毕后蓄电池与超级电容器并联开关K7断开。

4.2 电压暂降补偿模式

当检测到微电网或配电网发生电压暂降时,能量管理系统将旁路开关K2断开使DVR接入,此时电压暂降的补偿控制策略采用如图2所示的复合控制策略。

由超级电容器首先释放能量向逆变单元供电,若暂降程度不深或持续时间较短,超级电容器端部电压降对补偿效果无明显影响,则仅由超级电容器供电,并联开关K7保持断开。

若电压暂降持续时间长或暂降程度较深,仅由超级电容器供电不能使负载电压完全恢复,则闭合并联开关K7,蓄电池切入向逆变单元供电,同时向超级电容器充电,但此时主要负载电流仍由超级电容器提供,有效利用超级电容器,保护蓄电池。蓄电池寿命受放电深度(Depth of discharge,DOD)影响^[15],为尽量避免蓄电池深放电,若放电深度为70%仍不能完全补偿负载电压,则停止由DVR储能系统提供补偿电压,并将敏感负载切除。电压暂降补偿流程如图3所示。

图3

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图3 电压暂降补偿流程

4.3 电网电压正常时DVR工作模式

微电网中的分布式电源按照并网方式可分为逆变型电源、同步机型电源和异步机型电源,大部分微电网的电源是基于电力电子技术的逆变型分布式电源,如光伏发电系统、燃料电池等类型的电源^[16]。而有源电能质量治理装置如DVR正好与逆变型DG的变流器拓扑一致。

当配电网和微电网电压未发生电压暂降,即在电网电压处于正常状态下时,传统DVR处于待机状态,这造成了设备利用率低下的问题。

因此利用DVR拥有与逆变型分布式电源一致的变流器拓扑的这种优势,可在电网电压正常时,将接入光伏发电系统的DVR作为微电源运行,与微电网内其他分布式电源一同采用下垂控制,在孤网和并网中切换。

电压正常时,DVR不发挥动态电压补偿功能。如果光照充足,满足负载要求,则DVR所接的光伏可配合微电网为负载供电。将配电网与微电网连接开关K1断开,接地开关K3闭合,此时微电网中的各逆变型分布式电源,连同作为微电源的DVR系统,进入孤网运行状态。此时光伏电池一方面给储能单元充电,另一方面通过斩波器、逆变器和滤波器将电能输送给负荷,功率流向如图4所示。

图4

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图4 电压正常,光照充足时功率流向

同样,如果需要进入微电网与配电网并网运行状态,闭合并网开关K1即可。DVR旁路开关K2闭合可使DVR退出运行。

在电网电压正常,DVR作为微电源与微电网一同并网运行或者孤网运行时,需要将DVR由图 2所示的电压补偿策略切换为与其他分布式电源相配合的下垂控制策略。下垂控制策略如图5所示。

图5

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图5 微电网下垂控制框图

4.4 电压中断时DVR工作模式

在电压正常状态下,当DVR所接光伏系统所受光照充足时,由光伏作为微源配合微电网协同给负载供电,光伏系统一方面通过DC/DC变换器和逆变器给负载供电,另一方面给蓄电池和超级电容器充电。当检测到微电网电压中断时,DVR作为不间断电源为负载供电。由于在微电网正常和微电网供电中断时DVR均通过逆变器给负载供电,因此DVR相当于在线式UPS功能。此时功率流向如图6所示。

图6

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图6 在线式UPS功能DVR功率流向

在光照不足时,由配电网和微电网向负载供电,同时配网通过整流装置给DVR储能系统充电,当检测到配电网或微电网供电中断时,DVR储能系统通过逆变器为负载供电,由于电网正常状态下DVR储能系统未供电,电网供电中断时储能系统通过逆变器供电,此时DVR相当于后备式UPS功能。供电中断时DVR采用与动态电压恢复相同的控制策略。此时功率流向如图7所示。

图7

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图7 后备式UPS功能DVR功率流向

5 仿真分析

为验证本文提出的混合储能DVR补偿效果,在Matlab/Simulink系统中进行建模。仿真模型中设置配电网和微电网相电压为220 V采用阻感性负载,频率50 Hz,DVR串联变压器变比为1,储能单元为超级电容器与蓄电池。其中超级电容器采用串联RC模型^[16],将超级电容器等效为一个理想电容器C与一个较小阻值的电阻相串联的结构,按照式(3)选择电容器电压和电容值。

(3)E=\frac{1}{2}C{{U}_{C}}^{2}

式中,E为电容器储存的能量;U_C为电容器电压。蓄电池采用通用模型^[16],由内阻R和电压源E串联组成。

仿真中首先设置0~0.1 s时配电网电压正常,线电压为380 V,相电压峰值为311 V,DVR处于旁路状态不参与电压补偿;0.1~0.2 s时发生对称三相电压暂降,电压幅值跌落至80%,DVR旁路开关断开,先投入超级电容器补偿且补偿能力充足;在0.2 s时电网电压恢复正常,DVR退出补偿。此时电网电压、DVR输出补偿电压及敏感负载电压波形如图8所示。

图8

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图8 超级电容补偿能力充足时波形

由图8可以看出,0.1~0.2 s电网发生电压暂降时负载电压被补偿到额定值。

为模拟电压暂降程度较深、超级电容器补偿能力不足的情况,设置三相电网电压对称跌落至额定值的40%,并人为设置超级电容器端电压下降。此时电网电压波形及负载电压波形如图9所示。

图9

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图9 超级电容器补偿能力不足时波形

由图9可以看出,此时负载电压不能被补偿到额定值,需要蓄电池切入。蓄电池切入后波形如图 10所示。

由图10可以看出,三相电网电压对称跌落至40%,蓄电池的切入,补偿能力充足时负载电压被补偿到额定值。

图10

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图10 蓄电池切入后波形

当配电网电压中断时,动态电压恢复器发挥UPS功能保障负载电压水平,设置电网电压在0.1~0.2 s时三相电压中断,电网电压及补偿后负载电压波形如图11所示。

图11

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图11 电网电压中断时波形

由图11可以看出,电网电压中断时DVR可作为不间断电源进行供电,供电效果较为理想。

在电网电压正常时,连接光伏系统的DVR作为微电源与微电网内其他分布式电源一同采用下垂控制方式。设置0~0.4 s时,作为微源的DVR与微网内其他DG一同并入配电网运行,0.4 s后离网,0.6 s时增加有功负荷,图12为DG输出有功、无功变化,以及系统频率变化波形。

图12

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图12 微网输出功率及频率变化波形

由图12可以看出,0.4 s离网后DG发出有功、无功功率下降,0.6 s增加有功负荷后DG有功出力增加,并离网切换和增加负荷操作,频率自动调整至额定频率附近稳定运行。可见DVR作为微电源与其他分布式电源一同进行下垂控制是可行的。

6 结论

(1) 当配电网或微电网发生电压暂降时,启动混合储能DVR进行补偿,先由对突变响应速度快的超级电容器供电,补偿效果不足时再由蓄电池供电,延长蓄电池使用寿命,补偿效果良好。

(2) 电网电压中断时DVR采用与动态电压恢复相同的电压补偿策略,此时DVR发挥UPS功能,保障负载电压水平。

(3) 电网电压正常时连接光伏系统的DVR可作为微源运行,由动态恢复的控制策略转为与其他DG一同进行下垂控制,从而改善了DVR整套设备在电网正常状态下待机、利用率低的问题。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

肖湘宁, 韩民晓, 徐永梅, 等.

电能质量分析与控制

[M]. 北京:中国电力出版社, 2015.