学术︱直流对等式微电网混合储能系统协调控制策略
中国电工技术学会定于2016年7月10~11日在北京铁道大厦举办“2016第十一届中国电工装备创新与发展论坛”，主题为“电工行业十三五规划研究与解读”，并设“智能制造与电工装备行业的转型升级”“智能开关设备的关键技术与最新发展”两个分论坛。
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东南大学电气工程学院、国电南瑞科技股份有限公司的研究人员孙建龙、窦晓波等，在2016年第4期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于锂离子电池和超级电容混合储能的协调控制策略，使得混合储能系统（HESS）适用于风能、太阳能或者其他间歇式分布式电源供电的微电网。
针对锂离子电池和超级电容的放电特性，提出DC-DC侧对等式并行双环控制策略，控制直流母线电压稳定的同时，利用控制环路自身带宽滤波特性及交流功率前馈达到功率分配效果；采用滞环PI控制方法，保证超级电容不会过放或者过充。
DC-AC侧采用双同步坐标系下不平衡电流控制结构，有效跟踪不平衡参考电流。实验结果表明，所提出的协调控制策略能有效抑制直流母线电压冲击与波动，显著提高了系统动态响应；同时，超级电容利用效率得到提高，微电网在过渡状态下的性能也得到了改善。
微电网以其对分布式电源的有效利用及灵活智能的控制特点，成为许多国家未来电力发展战略的重点之一。而微电网中一般含大量的光伏和风电等分布式电源，分布式电源波动性会对系统的安全供电和电能质量带来负面影响。因此，在系统中配备一定的储能单元，既可以提高分布式电源的发电利用率，又能抑制其波动性和间歇性，降低对系统或者电网的冲击与影响。
传统的储能装置充、放电速度慢、循环次数少且寿命短；新型的动力型锂离子电池虽然具有较高的放电速率，但是其成本高昂，而且充电速率不宜过快。因此，需要寻求一种响应速度快、循环寿命长的储能转置与之相配合。
超级电容正是符合该要求的新型储能装置，超级电容（Ultra-Capacitors, UC）与电池组成的混合储能系统（Hybrid Energy Storage System, HESS）受到了广泛关注与研究[1]。文献[2]研究了HESS各种不同的配置方式及其优缺点。
文献[3-5]研究了HESS直流接入的功率分配与协调控制。由于直流接入应用场合单一，耦合度高，因此本文采用HESS交流接入方式，方便应用于包括光伏在内的各种微电网系统。
目前，对于混合储能系统的研究，国内外大部分工作都集中在如何在电池和超级电容之间进行功率分配以减小电池的充、放电深度以及平滑功率波动。文献[3]研究了直流孤岛光伏发电系统中，锂电池与超级电容的协调控制策略，提出超级电容补偿光伏波动以减少电池充、放电次数，但未涉及交流并网环节。
文献[4]提出基于滑窗平均的功率分配控制策略，可以平滑电池放电电流。文献[5]提出基于低通滤波器的功率分配控制策略，将低通滤波器引入控制环路，降低了系统动态响应，同时低通滤波器截止频率需要取舍。然而，目前的大部分研究并没有注意超级电容充、放电深度问题。
文献[6]基于混合储能系统提出一种风电波动功率的平抑方法，针对随机风电波动功率分解后的特性使蓄电池和超级电容器承担不同类型波动功率平抑的任务，充分发挥二者的储能优势。
针对混合储能应用，本文首先提出一种HESS结构，通过两级功率变换单元接入微电网，可以配合包括风、光在内的任意分布式发电单元；其次，在上述HESS结构的基础上，提出两级解耦控制策略：
①前级DC-DC采用对等式并行双环控制结构，并行双环冗余控制直流母线，提高控制性能，在交流功率前馈的配合下达到功率分流的运行效果，同时保证直流母线电压的稳定；
②后级DC-AC采用双同步坐标系正、负序解耦控制结构，内环为电流控制，外环为直接瞬时功率控制或者输出电压控制，使得系统能够支持微电网的多种运行工况。此外，通过对AC侧的灵活控制还可以增强微电网接入电网的友好性，提高对电网的故障穿越能力。
图1 HESS基本结构
结论
本文提出用于微电网HESS的双级式变流器协调控制策略及控制器参数设计，通过DC侧对等式电压解耦控制及交流功率前馈补偿方法，完成稳、动态功率的分流控制；通过AC侧双同步坐标系双解耦控制，提高了AC侧功率控制的灵活性和变换器运行性能。
整体系统的协调控制提高了HESS的动态响应性能和UC的使用效率。仿真和实验结果表明：
1）协调控制策略能够快速响应交流侧功率的波动，有效抑制了母线电压波动。
2）协调控制策略能够维持UC端压水平，有效解决了UC能量密度有限的问题，提高UC利用率，同时降低了电池放电速率。
3）网侧变换器控制器能够准确、快速地跟踪不平衡电流。
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