分布式电源的微电网储能系统仿真

分布式电源的微电网储能系统仿真

任其星

深圳古瑞瓦特新能源有限公司  广东省深圳市 518100

摘要：分布式电源在大型阻感性负荷条件下会因不稳定性出现频繁投切的现象，从而导致微电网电压发生波动。基于此本文对储能元件的充放电智能控制方法进行了深入的分析和研究，从而进行Matlab仿真设计，经仿真结果表明，该储能组合装置能够有效的提升电源的使用效率，并控制了微电网电压的波动问题。

关键词：分布式电源；微电网；储能系统

近年来，世界电力系统朝着脱碳化和去中心化发展，化石燃料的过度使用导致燃料的成本上升，并引发全球变暖等一系列环境，可再生能源成为主要的代替方式，并提出了分布式能源系统。能源不可预测，具有不可控性，鉴于此美国和欧洲国家研究了一种新的网络结构解决方案，即在主电网出现故障之后，网格分区自动隔离，从而满足发电需求，完成局部管理，该种方式被称之为微电网。目前在建筑电力系统以及数据中心等领域微电网得到了较为广泛的应用。

储能技术是智能电网建设中的重要组成部分，其储能装置具备较好的充放电控制功能，不仅可以很好的进行需求侧管理，还能够利用电力设备降低供电成本，从而有效抑制不稳定微源产生的电压波动问题。鉴于此文章介绍了分布式电源的微电网储能系统仿真的设计研究，更好的促进微电网的技术应用与发展。

1. 储能技术概述

近年来，储能技术得到了快速的发展，具体来说分为三类：第一类是机械储能，包含飞轮储能、抽水蓄能以及压缩空气储能等等；第二类是电化学储能，主要是以各种蓄电池的储能为主；第三类是以超级电容器储能和超导磁能作为电表的电磁储能。在微电网接入的过程中具有较高的要求，比如说需要较快的相应速度、能量密度大、新能源的发电过程不可控、储能容量需求大、功率流动变化大等等。超级电容相应的速度较大，寿命较长，效率较高且能量浓度低。另外蓄电池的能量密度较大，但是功率密度较小，并且充放电的次数以及放电的深度会受到使用寿命的影响。除此之外锂电池的循环寿命较长，工作电压较高，安全性较好。本课题将铅酸蓄电池、锂电池及超级电容三者结合组成混合储能,取长补短。

2. 微电网储能系统总体结构

本次设计中微电网储能系统由多部分构成，具体如图1所示

图1 典型微电网储能系统结构

3. 分布式电源的微电网储能系统模型设计

3.1蓄电池组数学模型设计

如图2所示，蓄电池模型等效为受控电压源与定值电阻串联。蓄电池的输出电压不仅与电流存在一定的关系，与蓄电池的SOC状态相关，具有非线性特性。

端口电压Vb和荷电状态SOC是描述蓄电池状态的两个关键参数，可以由以下两个公式表示：

K+A exp(B

SOC=100)

式1

K+A exp(B

式2

在式2中V0表示开路电压，Rb表示蓄电池的内阻，Ib为蓄电池的充放电电流，K为极化电压，Q为电池容量，A为指数电压，B为指数容量。公式模型建设是以下列条件为基本建设：第一在充放电的过程中Rb和Q需要保持恒定的状态，不会因电流幅值的变化发生改变；第二模型不会因电池的温度发生改变；第三放电特性推导出来的模型参数在充电的时候假定不变。

3.2超级电容器数学模型设计

超级电容器是一种新型的储能装置，在电动汽车以及微电网中得到了较为广泛的应用。目前在仿真实验中主要是采用RC串联模型。如图2所示，是由理想电容C和电阻RE组成的经典RC串联等效电路。在图2中，Usc为流过理想电容C的电流，RE为等效串联电阻，其大小将超级电容器充放电过程中能量损耗的大小直接反映出来。

图2 经典PC模型等效电路

基于图2构成的等效电路列电路方程为：

其中超级电容器储存的能量Jsc表示为：

式中，Qt表示超级电容器t时刻存储的电荷量，QN则代表超级电容器的总容量，Umax和Umin则分别表示为超级电容器正常工作时的最大电压和最小电压，U0表示为超级电容器的初始电压。

3.3DC-DC变换器设计

DC-DC变换器是超级电容器组与负荷之间能量传输的桥梁，其通过电压闭环的控制对整个系统功率的动态平衡进行维持。图3为DC-DC变换器的控制框图，其中Udc-ref为直流母线电压参考值，Udc为直流母线电压采样值滤波后的结果。电压误差经过限幅、PI方法和再次限幅之后，根据电压误差的方向不同，从而确定开关管工作方式与占空比Dsc，再与三角载波比较后生成互补的PWM极脉冲信号。

图3 DC-DC变换器控制框图

3.4锂离子电池设计

锂离子电池主要是采用DC-DC变换器与直流母线相连，在其运行中要考虑储能系统的经济性，在微电网运动的过程中，循环充放电的次数直接体现了锂电池的寿命损耗情况[1]。因此可以将单次充放电引起的电池这就成本作为锂电池的运行成本，根据锂电池的投资成本QST和标称循环寿命NST，可以得出单次充放电循环的折旧成本，通过公式表示为：

调度周期内，锂电池的折旧成本fST可表示为：

在式中，nST为调度周期内锂电池的充放电循环次数，锂电池充放电功率的上下限约束为：

在公式当中，分别表示为锂电池在t时刻的充放电状态标志变量，则表示为锂电池的最大允许充放电功率。

锂电池的运行状态约束为：

在锂电池运行中，过充和过放都会对锂电池的使用寿命造成一定的影响，为了确保锂电池的荷电状态处在合理的范围内，需要对荷电状态进行上下限的约束。

因锂电池的初始荷电状态对微电网运行的调度起着非常重要的影响，为了确保调度结果具有可持续性，锂电池当日的调度结果不影响第二天的调度，应当促使锂电池在一个调度周期始末处于相同的荷电状态，通过公式可表示为：

在式中，t1和tN分别表示为调度周期内的起始时段和末尾时段[2]。

3.5储能系统逆变器的设计

为了确保微电网系统的运行，储能系统逆变器在具体设计的过程中需要从才曾控制的角度满足蓄电池、锂电池以及超级电容器对于复合储能容量配置的功率输出需求。本次研究从基础的逆变器出发，对控制方式进行分析和研究，从而构建较为完善的微电网整体控制平台。微电网当中包含各种微电源、储能装置，微电源多是通过逆变器将母线接入，因此微电源当中接口逆变器控制性能的好坏直接影响到微电网整个系统能都可以稳定的运行。因此在本次的研究中将三相电压原型逆变器作为微电源的接口逆变器，构建主电路模型，使用微电网常用的控制方式对控制系统进行设计，之后利用Matlab/Simulink软件平台完成了微电源控制系统仿真模型的构建[3]。

总结：

微电网电压波动发生的根本原因是分布式电源的不稳定性和大型阻感性负荷的频繁投切。在本次研究中储能装置提出了新的控制方法，在反复调试的过程中最终得到较为平稳的波形。经过数据结果显示，这三种储能方式的组合有效的实现了微电网有功就地消纳和无功就地补偿的目的，从而抑制了分布式发电和大型阻感性负荷带来的微电网电压波动问题，提供了一种较为可靠的储能组合，为之后的生产实践提供了参考，奠定了坚实的基础。

作者简介：任其星，1987年08月12日，汉，安徽省舒城县，本科 电气工程及其自动化专业，太阳能光伏行业，储能系统嵌入式软件开发，自动化控制

参考文献：。

[1]郭宝宁,唐平,丁泉,黄超.微电网规划仿真系统开发与应用[J].河海大学学报(自然科学版),2019,47(06):574-580.

[2]赵腾,秦刚,陈中孝,张振宇.分布式电源的微电网储能系统仿真[J].单片机与嵌入式系统应用,2018,18(08):1-4+10.

[3]辛建英.光伏储能微源虚拟同步发电控制技术及微电网系统仿真[J].科技创新与应用,2022,12(17):68-71.