柴油发电机驱动的混合储能孤岛微网的控制策略及仿真验证

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报5（2018）964基于柴油发电机的孤立交流微网混合储能系统控制策略Mahmood Ul Hassana，b， Muhammad Humayuna， Rizw an Ullahb，刘宝泉a，卓芳aa中国陕西Xi Xi交通大学电气工程与自动化学院中国科学技术大学接收日期：2016年9月5日;接收日期：2016年10月31日;接受日期：2016年12月7日2017年1月5日在线发布摘要提出了一种基于柴油机、同步发电机和混合储能子系统的交流微网结构，该结构由蓄电池和超级电容器组成。在系统运行中，柴油发电机作为孤岛模式下微电网的唯一电压源，HES配合实现系统的功率平衡。提出了相应的能量管理策略，将微网的净功率分为高功率和低功率，低频成分高频部分被超级电容单元抑制，而低频部分由柴油发电机和电池组共同补偿。通过所设计的能量管理策略，可以实现微电网系统的不同工况下的MATLAB/SIMULINK仿真结果验证了所提出的微网结构和能量管理策略的有效性。© 2016 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：交流微网;柴油发电机;功率平衡;超级电容器和蓄电池1. 介绍分布式发电和电力电子技术的快速发展已经传达了微电网的概念，作为解决出现的环境和能源问题的有前途的方法（Katiraei等人，2005; Lasseter和Paigi，2005;Piagi和Lasseter，2006）。通常，微电网可以被定义为低压网络，其可以连接到公用电网或与公用电网隔离地操作。微电网中的本地生产电力通讯作者：Xi交通大学电气工程与自动化学院电子邮件地址：mahmoodktk89@gmail.com（M.U. Hassan）。电子研究所（ERI）负责同行评审https://doi.org/10.1016/j.jesit.2016.12.0022314-7172/© 2016电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。M.U. Hassan等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）964965优先供应给当地消费者，这肯定可以更好地利用区域资源，并减轻电网的传输负担（Hatziargyriou等人，2007年）。由于不同的应用场景，微电网具有不同的功能和结构，基于柴油发电机（柴油机和同步发电机）的交流微电网是其中的一部分（Retián和Pena Alzola，2011; Elmitwally和Rashed，2011; Haruni等人，2010年）。 关于微电网的运行，在孤岛模式下，它通过为自己提供独立的电压源来自主工作。微电网容量远小于常规电力系统，惯性小，其变化不可避免地会导致电能质量下降，甚至引起稳定性问题。至少应满足两个条件以提供高质量电力（Chen和Xu，2012; Katiraei等人，2008; Vandoorn等人，2012）：（i）具有良好鲁棒性和出色恢复能力的增强总线电压;（ii）发电、负载和存储设备等之间的实时功率平衡。电池作为微电网中功率流调节的典型选择，通常用于平滑功率峰值/下降（Zhou等人，2011年）。然而，电池由于其高成本而不能大量配备，并且也不能期望抑制高频功率变化，特别是功率峰/谷，避免频繁的充放电循环，这将缩短其寿命范围，并且还由于大功率交换而导致而超级电容器由于寿命长，具有调节高频功率变化的能力。这项工作采用了更好的微电网配置。在此基础上，提出了柴油发电机微电网满足上述两个条件的系统运行和能量管理策略其余的工作安排如下。第2节描述了微电网布局以及所提出的系统操作方法。第三部分阐述了能量管理策略的顶层控制，并讨论了微电网的功率平衡第4节重点介绍了各子系统的局部控制，第5节基于Matlab/Simulink进行了仿真，验证了所提出的系统运行和潮流控制策略的有效性。最后，第六节得出结论。2. 系统布局和操作2.1. 系统布局微电网的配置，在这项工作中示意性地展示在图。 1，它涉及以下要素。柴油发电机子系统，包括一台柴油机和一台同步发电机（SG），HES系统，由蓄电池和超级电容组成。它们都并联在交流母线上。可再生能源（RES），包括光伏（PV）发电厂和风力涡轮机，是电压源转换器（VSC）接口，产生间歇性电力。变换器负载和谐波负载，以VSC整流器和不可控三相桥式整流器为代表Fig. 1.基于柴油发电机的交流微电网简化系统设计。966M.U. Hassan等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）964图二.微电网的有功功率调度为了有效地进行变化的实时潮流，任何一种容量有限的存储设备都不合格，需要具有适当容量、快速响应能力和大功率速率的HES系统（Li和Joos，2008）。根据Rag one plot（Christen and Carlen，2000）的理论，选择电池和超级电容器作为两种典型的选择。 这种组合不仅具有高功率密度和高能量密度，而且还延长了电池寿命（Dougal等人， 2002年）。这个提议的微电网延伸到住宅使用，它只覆盖一小块区域。然后只有一个交流总线此外，传输线较短，相应的阻抗可以忽略不计。所提出的结构的部署安装负载，可再生能源的交流总线，柴油发电机和HES的另一侧的一侧。2.2. 系统操作为实现孤岛模式下微电网的自主运行，柴油发电机组始终提供唯一的电压源该工作中没有发生电压源转移，这将给微电网的运行带来很多为了启动微电网，柴油发电机子系统首先被激活以建立AC总线电压，然后是超级电容器单元、电池单元、可再生能源和其他负载随后被接入3. 能源管理的顶层控制本文设计了一个中央控制单元，负责收集微电网单元的信息，并向其分配任务指令。能量管理策略在中央控制单元中执行。3.1. 电力调度AC微电网中的功率流被分成五个典型部分，如图1所示。P1是柴油发电机产生的功率，P2和P3分别是电池和超级电容器吸收的功率;P4是可再生能源产生的功率;P5是转换器负载和谐波负载消耗的功率;系统的净功率Pnet可以由等式2导出。（1）：Pnet= P4− P5（1）其中P4是可再生能源产生的电力P5是负载消耗的电力。在所提出的微电网结构中，柴油发电机和HES子系统安装在AC微电网的一侧，负载和可再生能源安装在另一侧。在它们之间设计了一个传感器，通过它可以很容易地计算出P网能量管理策略的目标是实现P网络的良好传导，如图2所示。设计了一个低通滤波器（LPF），通过它将P网分离成低频和高频分量，用P low和P high表示，如表达式（2）所示。P净=P高+P低（2）M.U. Hassan等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）964967图三.柴油机和同步发电机组合的控制。LPF的传递函数是G（s）= 1/（1 + TS），T的值确定分段。通常，持续数小时或更长时间的变化被认为是低频分量，持续数分钟、数秒甚至更短时间的变化被分配给高频段。首先将低频分量P_low分配给电池进行补偿。如果P低在电池的容量范围内，那么电池将全部补偿为P2。但是，随着负荷的增加，如果Plow增加到超过蓄电池的容量，柴油发电机将剩余功率作为P1容纳。P高时，高频分量直接分配给超级电容进行补偿。3.2. 微电网的功率平衡功率平衡主要关注实时潮流的适当传导，避免系统振荡甚至崩溃。电力调度策略将P网分解为不同的部分，如果它们都很好地执行，则实时功率一定会平衡。对于Phigh，将其分配给超级电容器进行抑制，这正好符合其高功率速率和快速响应能力。因此，可以通过调节超级电容变换器来实现高频功率平衡。对于Plow和Pb2，通过调节蓄电池变流器可以很好地导通通过设计合适的低通滤波器带宽，将P1ow的变化率此外，电池及其转换器能够精确地补偿缓慢变化的功率流4. 各子系统4.1. 电压源换流器VSC的控制功能单元、PV、风力涡轮机、HES子系统、转换器负载和谐波负载都基于使用LCL滤波器的三相VSC。作为一种典型的方法，每个VSC的控制是在d-q这种变换具有独立控制有功和无功电流的突出优点，即直接控制有功和无功功率。见图4。超级电容电压源换流器（VSC）系统的局部控制器设计。968M.U. Hassan等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）96422图五.电池逆变器控制器。各子系统的潮流分配在顶层控制器中进行，但各VSC的局部控制不采用直接功率控制方法，而是最终转化为电流控制。有功/无功功率和有功/无功电流之间的关系表示为：p=3Vd Id， q=3Vd Iq（3）4.2. 柴油发电机本文采用一个简化的同步发电机和一个由调速器、执行机构和发动机组成的柴油机数学模型。 三场演出。对于同步发电机，励磁电流和输入机械功率分别作为调节电压幅值和频率的控制变量见图6。(a)负载功率（b）和可再生发电功率。M.U. Hassan等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）964969=2-sin。wt−2π<$-sin。Wt−2π（4）⎥Ud33Q图7.第一次会议。微电网的功率平衡（a）净功率，（b）低功率（电池），（c）高功率（超级电容器）。柴油机将柴油转化为机械能并输送给同步发电机，控制回路的输入为P. U中的ω设计了一个激励回路，其输入为P. U.电压幅值⎡⎤⎡⎧⎪cos(wt)cos.wt−2πcos。wt+2ππ⎢⎪⎥⎡Ua⎤联系我们3 ⎢⎣⎪⎪⎩1 13 3Uc122简体中文2⎦970M.U. Hassan等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）964⎪⎥U33见图8。 案例1的电池补偿。下面给出逆变换（重量）−sin（wt）1⎤⎥cos一个小女孩。2πΣ.2 πΣ乌达山⎢⎣Ub⎥⎦=⎢⎪wt −3-罪恶wt −31000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000Uccos.wt+2π-罪恶 .wt−2πUO1⎦T1、T2、T3为调节器时间常数，T4、 T5、T6为执行器时间常数。TD是发动机延时。机械功率Pm表示P.U、E的内部电压幅值，k为常数因子。传输延迟和由于柴油机和同步发电机的惯性，有功功率调节对快速功率变化的响应总是很慢。但励磁系统通常采用电力电子变换器，励磁电流调节在大多数情况下都能达到令人满意的效果。4.3. 超级电容器单元局部控制器是两个电流控制回路，如图1所示。 4 I*3d和I *3q是相应的有功电流和无功电流，被设置为电流参考。LCL滤波器的电网侧电感器的电流被检测作为反馈。Phigh包含由负载和发电机的变化引起的每个瞬态过程期间的高频功率分量，因此超级电容器不能快速响应以进行有效补偿，加速系统电压的恢复并向用户承诺增强的AC电网。此外，电流谐波也参与P高和超级电容器单元作为有源电力滤波器的功能，防止电流谐波的扩散然后，为所有消费者生成增强的AC微电网。ΣΣM.U. Hassan等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）964971见图9。 案例1的超级电容补偿。4.4. 电池单元如前所述，电池的目的是存储多余的电力并保持电力平衡。图5Idref与Ibatt误差比较，通过PI控制器传递以调节电池电流。可以使用逆变器电流的id来控制电池系统的有功功率。因此，通过将参考电流与由电池系统汲取的有形电流相关联来导出电流参考（id）ref即我击球。为了简单起见，逆变器的无功功率被设置为零。见图10。柴油发电机输出功率。972M.U. Hassan等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）964见图11。 案例2的电池补偿。5. 仿真结果为了更精确地研究，在Matlab/Simulink中进行了时域分析仿真。用电力电子变换器对每个VSC进行仿真，并在所有VSC中应用LCL滤波器每个子系统的容量见表1。5.1. 微电网运行案例系统参数如表1所示，96 kW柴油发电机接入交流母线，可再生能源、500 Ah蓄电池、10 F超级电容，135 kW负载与交流母线并联。主负载50千瓦连接到系统没有任何时间延迟。将转换器负载和其他负载连接到系统以测试系统性能，从而验证电池和超级电容器的行为。表1每个子系统的容量。代柴油发电机96千瓦风力涡轮机140千瓦能量存储铅酸蓄电池500 Ah（模拟）超级电容器750 V/10 F负载变频器负载25 kW谐波负荷110 kWM.U. Hassan等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）964973见图12。 案例2的超级电容补偿。5.2. 净功率、低功率和高频功率图图6示出了所提出的系统的测试条件。 图图6（a）是从0.1s主负荷开始，在2s连接到系统的其它负荷的负荷曲线。 图图6（b）示出了可再生发电，在6s处，可再生发电启动并切换到系统。向系统供电，系统可容纳负载并为电池充电。图7示出了适应净功率、低功率和高频功率的仿真结果。在乞讨的主要负载连接到系统，因此，在0.1秒的功率从50千瓦开始，在2秒的其他负载连接的功率从50千瓦增加到高水平。在时间6s，可再生能源发电连接到系统，从可再生能源接收的功率很高，这与负载协作并且还对电池充电。高频电源与超级电容器相配合在发电和负荷连接期间。低频电源与蓄电池配合工作，在2s负载接入系统时，蓄电池开始放电.6秒后发电机接通，蓄电池开始充电.5.3. 为例5.3.1. 情况1图 8示出了电池系统的行为。连接到系统的负载在混合储能系统（HES）的范围内主要重要负荷在0.1s时接入系统，系统正常工作，并由蓄电池系统进行补偿。在2秒时，其他负载连接到系统，此时电池功率也补偿负载（在电池限制内），没有负载下降。柴油发电机的输出为零。在6秒时，可再生能源发电开始工作并连接到系统;发电补偿负载并为电池充电。扰动发生在这两个点2s和6s。储能单元电池和超级电容器的响应都得到了很好的控制。974M.U. Hassan等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）964图十三. HES和柴油发电机均补偿。图9示出了在负载和可再生发电连接到系统期间超级电容器的响应。在短时间内，系统是稳定的。图10示出了柴油发电机的所有权，柴油发电机的输出为零，因为负载在HES系统的范围内，不需要使用柴油机。5.3.2. 壳体2图11显示了HES和柴油发电机系统的特性。从0.1 s开始，主负载在HES限值内连接到系统在2 s时，其他负载连接到系统。在此期间，HES不补偿全部负载，额外负载将由柴油发电机补偿 在6秒时，发电开始并补偿图11所示的负载（图11）。 12）。见图14。电网电压的性能。M.U. Hassan等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）964975图15.电网频率的性能（a）无HES系统（b）有电池（c）有超级电容器。图 13显示了柴油发电机补偿的行为。界区的负荷范围增加如图所示。 8、蓄电池HES系统不是完全控制系统，所以柴油发电机启动并配合扩孔电源。连接到系统的负载和可再生能源发电与上述相同。5.4. 电网电压和频率性能图14示出了电网电压的性能。电网电压的变化验证了系统的稳定性和可靠性。柴油发电机先启动，交流母线系统电压稳定，实现稳定性，HES系统适应负载。在6s可再生能源发电开始。 柴油发电机成本高，可再生能源与HES配合使用，降低成本，提高效率。976M.U. Hassan等人/电气系统与信息技术杂志5（2018）964如图14所示，在0.1 s至10 s的启动时间内，系统正常工作。在6秒时，可再生能源发电为公共汽车提供电力 从6秒到10秒，如图所示。 14、可再生能源。上述图 14清楚地提出了这些点，在干扰连接到系统。连接到系统的负载在6 s可再生连接到系统的时间间隔很短，6.01 s无任何畸变，系统再次稳定。图15（a）示出了没有HES系统的系统的频率。在2秒的负载连接到系统，频率是不稳定的图所示。 15（a）. 由于柴油发电机容量大，负荷高，在接重负荷2秒时，系统已损坏，无法工作。图15（b）示出了没有超级电容器的HES系统的响应。在2s的负载连接到系统，频率稳定需要更多的时间。当可再生电源接入系统6s时，频率幅值从50Hz增加到53.9Hz，时间稳定度从6s增加到8s，响应时间变慢。图15（c）显示了具有超级电容器的系统的响应，在2s处，连接到系统频率的负载是平滑的，没有任何延迟和排斥。在6s时，可再生能源发电连接到系统响应 的超级电容器是非常快，没有任何失真和排斥。比较这三个图， 在负载或可再生能源的连接断开期间，具有超级电容器的系统是最好的方法。6. 结论本文提出了一种基于柴油发电机的住宅用交流微网结构，该结构规模较小，仅设计了一条交流母线，在系统布置上，柴油发电机、HES安装在交流母线的一侧，负载和可再生能源安装在交流母线的另一侧。运行中，柴油发电机始终作为孤岛模式下的唯一电压源，HES配合实现系统的功率平衡。提出了相应的能量管理策略。不同场景下的仿真结果验证了所提出的微网结构和能量管理策略的灵活性。引用Chen，Dong，Xu，Lie，2012.具有多松弛终端的直流微电网的自主直流电压控制。IEEE Trans. 电源系统27（Nov（4）），1897-1905.Christen，T.，卡伦，M.，两千拉冈情节理论。 J. PowerSources 91（2），210-216.杜格尔，R. A.，Liu，Shengyi，White，Ralph E.2002年。电池-超级电容器混合电路的功率和寿命延长。 IEEE Trans Compon. 快去技术25（March（1）），120-131.Elmitwally，A.，拉希德，M.，2011. 无储能光伏-柴油微电网的灵活运行策略。IEEETrans. 能源转换器。26（March（1）），235-244.春妮，A.M.O.，Gargoom，A.，哈克，法医，Negnevitsky，M.，2010. 风-柴油混合独立发电系统的动态运行与控制。IEEE应用电力电子会议展览会，162比169Hatziargyriou，Nikos，Asano，Hiroshi，Kazvani，Reza，Marnay，Chris，2007. 微电网。IEEEPowerwerEnergyMag.5（July/August（4）），78-94. Katiraei，F.，M.R.，Lehn，P.W.，2005年孤岛化过程中及孤岛化后微电网的自主运行。 IEEE Trans. 宝威Delivery20（January（1）），248-257.Katiraei，Farid，Kativani，Reza，Hatziargyriou，Nikos，Dimeas，Aris，2008. 微电网管理。IEEEPowerwerEnergyMag.6（May/June（3）），54-65.作者声明：Robert H.Paigi，Paolo，2005. 微电网：一个概念性的解决方案。 Proc. 2004年第35届IEEE电力电子专家年会，4285-4290。Li，Wei，Joos，Geza，2008年。用于风力应用的电池超级电容器混合能量存储系统的功率电子接口。 Proc. IEEE电力电子专家会议，1762-1768。Piagi，Paolo，Lasseter，Robert H.，2006年。微电网的自主控制。 Proc. IEEE电力工程学会大会。阿蒂安河，佩纳阿尔佐拉河，2011年。具有蓄电池储能的孤立风力柴油机系统的仿真研究。 电子 电源系统 Res. 81（February（2）），677-686.Vandoorn，Tine L.，Meersman，Bart，De Kooning，Jeroen D. M.，Vandevelde，Lieven，2012. 传统电网控制和基于全局直流链路电压下降的孤岛微电网控制之间的类比。IEEETrans. PowerDelivery27（July（3）），1405-1414.Zhou，Haihua，Bhattacharya，Tanmoy，Tran，Duong，Terence Siew，Tuck Sing，Khambadkone，Ashwin M.，2011年。在微电网应用中利用动态能量管理来解决电池和超级电容器的复合储能系统。 IEEE Trans. 电力电子 26（March（3）），923-930.