柴储独立供电系统的功率协调控制策略*

杨建廷，李 岚，牛浩明

(太原理工大学 电气与动力工程学院, 山西 太原 030024)



柴储独立供电系统的功率协调控制策略*

杨建廷，李 岚，牛浩明

(太原理工大学 电气与动力工程学院, 山西 太原 030024)

在利用柴油发电机组系统作为直接供电方式的一些地区，常规柴油机发电系统会由于负荷轻重的不稳定，而导致供电系统的工作状态也会因此不停波动。鉴于此种情况，提出了一种相对有效的优化方案，在发电系统中引入了储能电池和功率控制装置，用来协调控制整个供电系统的能量流动：在负载很轻时，储能电池独立逆变进行供电；负载较重时，以发电机的输出作为交流母线系统，储能电池和柴油发电机并联供电；当储能电池电量不足时，和用电负载一起作为系统的负载，发电机对其进行充电，从而确保柴油机发电系统能够高效稳定地工作。

柴油发电机； 功率控制； 联合供电； 储能电池； 交流母线

0 引 言

在一些偏远山村地区，由于远离大电网，如果专门配电输送，则成本会相对较高，并且不合理，因此在当地，独立供电系统就成为最直接有效的供电方式。对于一些用电负荷不是特别大的场所，利用柴油发电机组直接发电基本上就能够解决这些地区的供电问题。

但是由于常规的柴油机结构比较单一，能量单向流向负载，在负荷不稳定的情况下，柴油发电机组的工作状态也会有相应的波动，会导致整个供电系统电压和频率的不稳定。虽然柴油发电机具有短暂的过流保护能力，但时间过长可能导致故障停机，会造成供电间断。鉴于这种情况，本文提出了把储能电池装置加入到柴油发电机供电系统中，利用蓄电池的充放电功能来协调供电系统的能量流动，短暂解决系统的功率补充问题，改善供电系统的稳定性能。

1 柴油发电机模型及其调速模型

1.1 柴油发电机模型

柴油发电机主要分为两部分：柴油机与同步发电机。在MATLAB中，同步发电机有专门的模块，而柴油机则没有，需要单独建模。

柴油机本身结构相对比较复杂，而且影响因素比较多，在建模过程中可以把柴油机分为四个部分：柴油机本体模型，柴油机燃烧及热力环节，柴油机转速采样环节，柴油机油门执行环节，如图1所示。

图1 柴油机调速系统

(1) 柴油机转速传感器模型的建立。柴油机的转速正比于发电机输出电动势的频率，但是信号之间的转换以及齿轮转动都有一定的延时性。这与传感器和柴油机的性能有很大的关系。经考虑，其传递函数简化为

(1)

式中：A(s)——传感器输出信号；

n(s)——实际转速信号；

K1——比例系数；

t0——时间常数。

(2) 执行器模型。执行器根据调速器的输出信号来调节柴油机油门的开合程度，从而控制进油量。可用一阶传递函数表示：

(2)

式中：α(s)——油门开合程度；

K2——比例系数；

t1——时间常数。

(3) 燃烧热力环节。油门开合程度越大柴油机输出力矩越大，传递函数为

(3)

式中：Md(s)——柴油机输出转矩；

t3——时间常数；

K3——比例系数。

(4) 柴油机本体模型。由柴油机运动学原理得方程：

(4)

式中：J——转动惯量；

ω——角速度；

Md——输出转矩；

Ml——负载转矩。

经过线性化并且忽略一些因素后可得柴油机模型的传递函数为

(5)

式中：Ta——时间常数；Tg——自稳系数。

柴油发电机仿真模型结构图如图2所示。

图2 柴油发电机仿真模型

1.2 柴油发电机调速模型

根据柴油机非线性的特点以及自身的一些特性，经过适当的简化后，本文设计所采用的柴油发电机组模型为一阶惯性加纯滞后形式，即：

(6)

式中：K——柴油发电机放大系数；

T0——等效时间常数；

τ——滞后时间。

根据前面的推导计算，将柴油发电机传统PID控制与模糊自适应算法结合起来，以柴油发电机的转速偏差e和转速偏差变化率ec作为输入量，利用PID参数模糊自整定的原理，找出作为PID输出量的ΔP、ΔI、ΔD与e、ec之间的模糊关系，实现PID参数模糊自整定从而使系统被控对象能够有相对较好的动、静态性能。在MATLAB的Simulink中搭建的调速模糊控制系统如图3所示。

2 混合供电系统的几种工作状态

基于传统柴油发电机的结构，发电机直接给负荷提供三相交流电。能量由发电机流动负荷，负荷的大小就是柴油机的输出大小，因此无论负荷轻重，为了正常工作，柴油机输出功率必须跟随负荷变化。

图3 模糊自适应整定PID控制器子系统

为了使柴油发电机组能够高效工作，并且尽量减少资源浪费，将发电机组与储能电池结合起来组成混合供电系统，通过合理控制能量，使作为能量载体的储能电池既能够输出电能，充当供电部分，又能够吸收电能，充当负载部分。因此，根据不同负荷工况，混合供电系统有以下几种不同的工作状态：

(1) 储能电池单独供电。在负荷比较轻，而且储能电池电量充足的情况下，考虑到柴油机的工作效率，此时如果继续让发电机工作，非常不合理，因此停止发电机组的供电工作，储能电池经过逆变器输出功率，独立供电。功率流动如图4所示。

图4 储能电池独立供电

同时为了储能电池的安全，防止过放而损坏，应该实时监测电池电量。若低于容量下限，则停止逆变供电，需要起动柴油发电机工作。

(2) 储能电池作为负载。如果检测到储能电池的电量不是很充足，则应起动柴油机工作，按照要求供电给负荷和储能电池，同时要时刻检测储能电池的电量状态，防止过充而对电池造成损坏，影响寿命。能量流动如图5所示。

图5 储能电池作为负载

(3) 混合系统联合供电。在负载比较重而储能电池为满状态的情况下，可以考虑储能电池经过逆变器和发电机并联起来一同供电，作为柴油机的额外补充电源，分担柴油机不能满足的负荷供电需求。功率流动如图6所示。

图6 储能电池和发电机联合供电

从上面介绍的混合供电模式可以看出，在不同的工作状态中起主要作用的是功率控制器。不管是储能电池单独逆变提供交流电，还是在负载严重时，储能电池和柴油发电机并联提供交流电，所采用的都是逆变技术。虽然储能系统作为负载时采用的是整流技术，但这都可由同一个功率控制器实现。

3 柴储联合供电系统的功率控制

3.1 系统功率控制

本文以逆变整流装置为功率控制器，对流入储能电池逆变器的有功和无功功率作解耦控制，进而协调能量在系统内的流动方向。把控制器的交流侧看作研究对象，记ea、eb、ec和ia、ib、ic为三相旋转坐标系相电压和相电流的瞬时值；eα、eβ和iα、iβ为变换到两相静止坐标系时，α、β两相的瞬时电压和瞬时电流；ed、eq和id、iq为转换到两相旋转坐标系时d、q轴上的电压和电流分量。由于本文考虑的是系统的功率流动，所以采用等功率变换的原则进行坐标变换。

三相电压和电流的瞬时值在两相静止坐标系中的表达为

(7)

依据对三相电路瞬时功率的定义，把瞬时电压值和瞬时电流值的点积结果作为瞬时有功功率值，而把瞬时电压值叉积瞬时电流值的结果作为瞬时无功功率的值，计算之后得到的瞬时功率为

(8)

同样地，两相旋转坐标系中，瞬时有功和无功功率表示为

(9)

由于是基于电压定向模式，eq=0，则式(9)简化后得

(10)

若不考虑电压的波动，交流侧的三相正弦电压稳定，即ed是一个不变定值。所以瞬时有功功率P和无功功率Q分别与交流侧电流的d、q轴的有功、无功分量id、iq成正比。由此可见，电压定向时，控制id、iq就能控制储能电池的功率。

3.2 控制系统结构

以下考虑整个系统的能量流动。

忽略系统的能量损耗，整个系统的能量流动可表示为

PG+PB=PL

(11)

式中：PG——柴油机发电机组的输出功率；

PB——储能电池输出功率；

PL——负荷功率。

(12)

当储能电池做独立电源时，依据负荷的大小来输出功率，即PB=PL。给定电流id*变为

(13)

根据上述给出的几种系统工作状态，结合具体的控制策略，系统控制框图如图7所示。

图7 系统控制框图

控制系统主要包括两部分：(1) 主功率电路部分；(2) 控制部分，又由坐标变换、给定计算、PI控制器以及SVPWM触发信号产生部分组成。

4 试验结果

本文所采用的柴油发电机主要参数如下：柴油机为4冲程，额定功率115kW，额定转速1500r/min；同步发电机额定视在功率125kVA，额定电压380V，额定频率50Hz，功率因数0.8，极对数2，励磁方式为相复励。

以下是针对不同的负荷情况得出的试验结果。

负载不重时，储能电池不需要输出，有功电流是0。当负载增加时，计算出储能电池需要分摊的功率，根据公式算出给定有功电流。如图8所示，在0.5s时，负载从100kW增加到120kW，得出有功电流由0变为52.6A，蓄电池经过逆变器和柴油发电机并联供电，承担输出一定的功率，这期间会有一段调节过渡时间。

图8 蓄电池逆变并联供电时系统曲线图

轻载时，柴油发电机提供一部分能量满足负载需要，剩余的可以对储能电池进行充电。如图9所示，0～0.5s期间，负载功率为65kW，此时蓄电池吸收柴油机输出的一部分能量给自身充电，给定的有功电流为92.1A，在0.5s时，突然增加负载到80kW，计算得出新的储能电池给定有功电流52.6A。

图9 储能电池充电作为负载时系统曲线图

若负荷很小，而储能电池满状态，使其独立逆变供电，柴油机不工作。如图10所示，初始负载功率是5kW，有功电流给定为13.16A，当增加到10kW时，有功电流给定变为26.32A。

图10 储能电池单独逆变时系统曲线图

5 结 语

本文在常规柴油发电机组独立供电系统中引入储能电池，提出了柴油发电机和储能电池的协调控制方法。结果表明：通过将储能电池加入到柴油发电机系统中，利用储能电池能够充放电的特性，实现其作为可控的辅助功率的功能：(1) 重载时通过逆变器作为供电源，实现和发电机并联供电，分摊发电机的一部分负荷，减小发电机的工作压力；(2) 轻载时，储能电池和负荷一起作为发电机的共同负载，吸收发电机提供的多余部分能量，减少能量浪费。

总之，将柴油发电机与储能电池结合起来既可以实现柴油机的高效工作，同时也可以减少能量资源浪费，还能防止柴油机重载时由于长时间过流引起供电系统的崩溃，改善系统的供电质量。

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Power Coordination Control Strategy for Diesel Power Storage Independent Power Supply System*

YANGJianting，LILan，NIUHaoming

(College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

In the use of diesel generator system as some areas of direct power supply mode, conventional diesel power generation system due to the severity of the load was not stable, resulting in power system state would therefore stop fluctuations. In view of this situation, a relatively effective optimization scheme in power system was introduced in the energy storage system and a power control device, the flow of energy to the coordinated control of the power supply system：when the load was light, the energy storage system of inverter power supply; the load was heavy, with the output of the generator as the communication bus system, storage batteries and diesel generators parallel power supply; when the storage battery was low, and the electric load as the load of the system, the generator to charge, so as to ensure that the diesel engine power system could stable and efficient work.

diesel generator; power control; combied power supply; energy storage inverter; AC bus

山西省科技攻关项目(20140322-22)

杨建廷(1991—)，男，硕士研究生，研究方向为交流电机传动技术。 李 岚(1962—)，女，博士研究生，教授，研究生导师，研究方向为电力电子变换技术、新能源发电控制技术。 牛浩明(1992—)，男，硕士研究生，研究方向为新能源发电控制技术。

TM 314

A

1673-6540(2016)11- 0028- 06

2016-04-07