冯骁，张建成
（华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，河北保定 071003）
摘要：为了更充分地利用分布式电源的发电出力，最大限度发挥超级电容器的技术经济性，提出了两端供电的干线式直流微网结构．指m超级电容器储能系统在直流微网的优势与作用，并根据超级电容器储能系统配置地点来选择控制方法，电源端配置采用电压分段控制，负荷端配置采用恒压控制。在Matlab/Simulink平台上搭建包含超级电容器储能系统的直流微网模型，分析超级电容器储能系统配置位置对直流微网电能质量的影响。仿真结果表明超级电容器储能系统能有效地抑制负荷波动或光照变化引起的电压大幅变化。
关键词：直流微网：超级电容器：电能质量：储能配置
O引言
分布式发电方式作为传统电力系统的有益补充．可延伸传统电网的覆盖区域，增强配电网的供电可靠性。新能源的发展同样给电网带来了新的挑战。如分布式电源出力受自然条件影响较大，分布式电源间的环流问题等。微电网概念的出现，为分布式电源接入配电网或孤岛运行提供了一个全新平台。微电网相对于配电网可被看作一个可控电源或负荷，弱化了单一大电网的脆弱性，提高了对负荷供电的可靠性和安全性。
微电网包括直流微网、交流微网、交直流混合微网。与交流微网相比，直流微网有很多显著的特点：结构简单、抗干扰性更好、损耗和故障发生率更低：无趋肤效应，直流电源线可提供更强的带载能力：直流微网在基础设施的投资上低。西方发达国家自20世纪90年代开始了300—400 V数据中心直流配电的研究。随着中国直流负荷需求的日益增多，对直流微网的研究更加值得关注。
储能系统作为直流微网重要组成之一，不仅能改善微电网电能质量，提升微电源性能，也可为微网提供暂时供电。与蓄电池、锂电池等其他储能设备相比．超级电容器不仅具有工作温度范围宽、功率密度大和储能效率高等优点，而且在容量配置和充放电速度方面也具有明显优势，因此，本文采用超级电容器作为储能设备单元。
目前，对直流微网的结构、运行模式以及控制方法已有初步的理论研究。文献[8]指出实际微网建设中，应因地制宜地选择合适的微网结构。文献[9]阐述了微电网能量管理系统集中式控制和分散式控制两种控制结构。文献[10-12]中所搭建的直流微网，均把分布式电源、负荷、储能系统集中连接在直流母线上．并讨论其母线电压控制策略方法。众多文献[10-12]中的直流微网结构所采用的集中式电源、负荷无法直观地反映直流微网巾各个节点电压的变化．只讨论如何维持母线电压稳定实际意义不大。在配电网中，比较常见的供电网络为干线式．故本文搭建了多负荷节点的干线式两端供电直流微网。
1 直流微网结构
本文搭建的直流微网负荷均为直流负荷，采用光伏阵列来模拟分布式电源．并配置有超级电容器储能系统来保证各节点电压稳定。其结构如图1所示，光伏电源最大输m功率为40 kW，线路电阻为1.204 fl,/km，电感为l.5xl0-3 H/km;直流微网网络中共有6个线路节点．编号为1-6,8个负荷点，编号为7 -14．除负荷点7为在160 n与40 Q之间变化的可变负荷外．其他均以160 Q电阻代替：系统电压额定值为800 V，为了保证功率分点处电压跌落在合理范围．母线电压提高2.5%，设为820 V。节点3、4之问为可切断的联络线．在系统出现故障或是需要甩负荷时才会断开，联络线导通时，节点3、4等效为同一节点。
直流微网系统的潮流中只需要计算有功功率，无需考虑电压的相角问题，潮流计算由矢量问题转为标量问题。节点i注入功率为
式中：Ui、Uj分别为相邻节点i、j的电压；R,j为两节点间电阻。
在交流系统中，有功功率损耗最小时的功率分布应按线段的电阻分布，将此结论应用到直流微网中可知．正常运行时直流微网的有功功率损耗较交流微网要减小很多。
输电线路中存在电感，当其某端电压发生变化时．通过的电流为
式中：f(U)为端电压变化函数。
由式(2)可知，当某节点电压发生变化时，越靠近该节点，电流变化越大；远离该节点的线路，电流变化相对较小，凶此强波动负荷和电源点为电流变化的“重灾区”，需要配置储能系统来保证电能质量。在实际应用中，小型光伏电源一般都选择靠近负荷点就地供电．然而南于地理等原因，部分微网系统电源与负荷不在一个节点，这对系统电能质量是一个考验。因此，超级电容器储能系统的配置成为直流微网的一个重要问题。
2超级电容器储能系统
超级电容器储能系统一般由超级电容器组、双向DC/DC变换器以及控制电路组成。超级电容器组通过双向DC/DC电路连接到系统巾，通过超级电容器的充放电控制来稳定节点电压，如图2所示。
针对超级电容器，由E=0.5CU2可知，超级电容器两端的电压与其荷电状态( state of charge，SOC)直接相关，故可以通过设定最高、最低允许工作电压来表征超级电容器的过充、过放的临界SOC。
2.1 储能系统模型
超级电容器模型最常采用的是经典等效模型，如图2所示．本文采用MAXWELL公司生产的48V超级电容器．对8个48 V超级电容器串联组成的储能系统进行白放电实验．2014-04-29T15:29开始．2014-05 -09T09:10结束．所得到的实验数据绘成的曲线．如图3所示，可知48 V超级电容器自放电特性良好．表征白放电特性的并联电阻可以忽略。文献[14]在采样超级电容器电压时，采样电压为经典等效模型中电容两端电压．而在实际中超级电容器是封装设计的，此类电压采样无法实现，在实际计算超级电容器SOC时电容值为理论电容，电压值为经典等效模型的整体电压，因此等效串联电阻也可忽略处理。
双向DC/DC系统是一个典型的非线性系统．而非线性控制方法虽然精度高但相对复杂，将双向DC/DC系统进行线性化，可以简化其控制并保证一定的精确度。运用小信号分析法求得其传递函数。
BOOST模式下的传递函数为
BUCK模式下的传递函数为
式中：G。。(s)、G。．．(s)、Z．(s)分别为输出电压对输入电压、占空比及电感电流的传递函数；V。(”。(s》、V0(7，。(s))、/(s)分别为双向DC/DC电路的超级电容器侧、直流侧稳态（小信号）电压以及电感电流。由能量流动方向可知，双向DC/DC系统中的BOOST模式与BUCK模式的输出输入参数正好相反：尺为直流节点侧等效电阻；L为电感；C为直流侧支撑电容值，C。为超级电容器组电容值；D．、D，分别BOOST. BUCK电路巾稳定运行时开关管的占空比，D1 7=1-D,。
为了充分利用光伏电源的下垂特性，避免超级电容器的频繁充放电，电源端储能系统的控制采用分段电压控制，设定节点电压的上、下限电压值为U一、U。，将节点电压分为3段，当节点电压值高于Ux时，双向DC/DC电路为BUCK模式，超级电容器充电：当节点电压值低于U。时．双向DC/DC电路为BOOST模式，超级电容器放电：电压值位于U…、U。，之间时双向DC/DC不动作。
为了保证负荷侧电能质量，防止电子元件烧毁，负荷侧储能系统的控制采用恒压控制，超级电容器通过充放电将节点电压稳定在额定值。额定值的选择要考虑节点到电源端的电气距离所造成的正常电压损耗。
超级电容器储能系统控制框图如图4所示。
双向DC/DC系统采用BOOST、BUCK独立控制．运用逻辑判断模块保证其正常切换。
2.2超级电容器储能系统的配置
超级电容器相比较蓄电池在容量选择上具有很强的优势。超级电容器的超大功率密度决定了其可以不像蓄电池那样备用较多的冗余容量，只需略多于所需功率即可。
超级电容器组容量值的选取可参照下列公式。
超级电容器储能系统能以较少容量值保证直流微网电能质量满足负荷需求，但装设在不同的位置会带来不同的效果。
在电源侧布置。以光伏为代表的分布式电源受外界的影响随机性与波动性很大，如不在电源侧布置储能装置．其出口电压即使在可控范围内，也会存在较大的波动，电压波动随着线路传输到负荷．与负荷的功率波动叠加可能会造成电压波动过大甚至崩溃。
在强波动负荷处布置。负荷长期的随机性波动使得负荷节点电能质量不能满足要求，反之较差的供电电能会影响所有负荷的正常运行，可能会造成电力电子器件烧毁。
因此．超级电容器在选址上有3类布置方案：在电源侧布置，在强波动负荷布置以及在电源侧、强波动负荷均布置。
3仿真分析
本文仅考虑光伏两端供电直流微网孤岛运行时的稳定仿真验证。按照图1搭建仿真模型，利用Matlab/Simulink平台进行仿真分析。两端光伏电源最大输出功率均为40 kW,光照按照600、800、1 000、800 W／rri2变化，切换时间为Os、0.4 s、0.8 s、1.2 s；节点4在1 s时负荷由80 Q变为50 Q．系统功率增加5 kW左右。由于两侧电源容量相同，线路负荷大致相同，只需考虑母线1、2，以及节点4的电压变化情况（断路器闭合）。超级电容器储能系统在接入电源端（母线侧）时，采用分段电压控制，节点电压U…、U。设为820. 810 V;接人负荷节点端时，采用定电压控制．为了减少超级电容器装设容量，充分利用光伏电源出力，节点电压设定在790 V,允许误差为+2%。
当不装设储能系统时．其各节点电压变化如图5所示，各节点电压均不满足其电能质量要求．负荷侧在负荷突变时．产生的电压脉冲会影响电子元件正常工作。
在母线2处布置超级电容器储能系统，其各节点电压变化如图6所示．母线2处电压为810～820 V,达到预期电能质量要求．母线2处电压的稳定给系统各点电压提供了参考值．使整个系统的电压质量有了较大的改观．母线1处电压仍受光照影响有较大波动．并且光照变化的影响在节点4上也有体现。另外，由于电气距离的限制．仅在母线处布置储能系统不能消除负荷突变时带来的脉冲电压问题．
在母线1、2处均布置超级电容器储能系统．其各节点电压变化如图7所示。两侧母线电压均能达到电能质量要求，随着两端母线电压的稳定，节点4处电压波动性也较图6有了很明显的改观．但仍存在脉冲电压。
在节点4处布置超级电容器储能系统，其各节点电压变化如图8所示。节点4处电压可有效地稳定在790 V.上下偏差在l V以内．达到r较高的电能水平，且稳定的节点电压也会沿电气线路影响到母线电压，减轻了母线处储能系统充放电的压力，使得光伏发电的出力基本能达到电能质量要求。
在母线1、2以及节点4处均布置超级电容器储能系统，其各节点电压变化如图9所示。节点4处电压在储能系统的作用下，能够完全保证其电压波动在误差允许范围内．母线侧电压完全稳定在810～820 V内，达到预期电能指标要求。
仿真结果表明，超级电容器储能系统是直流微网保证电能质量的重要手段．正确地配置方法能有效地应对光照、负荷变化引起的电压波动，保证系统的电能质量稳定在误差允许范围内。图6、图7表明仅在母线处布置储能系统，无法平抑负荷突变时产生的电压脉冲。图8的母线处电压误差较图9有所增大，但若其他节点对电压质量没有苛刻要求，则仅在节点4处布置储能装置就能在保证相对较好的电能质量的同时节省设备投资，另外，在强波动性负荷侧布置超级电容器储能系统，采用定电压控制．并不会过多地限制光伏电池的出力。如果对整个微网的电压质量均有明确严格的要求．在母线处与具有强波动性的负荷点处均布置储能系统则最为可靠。
4结语
本文搭建了一种贴合实际情况、多负荷节点的两端供电直流微网模型，并基于该模型分析了超级电容器储能系统的位置布置原则，得出了不同位置的储能系统应采用不同的控制方法。布置在强波动负荷侧采用恒压控制，优先保证直流负荷侧电压质量稳定：布置在光伏电源侧宜采用电压分段控制，既可有效利用光伏发电出力，又可节省超级电容器的寿命，且电压上下限处的波动不超过+2%．但在微网强烈波动时，远离储能系统的线路会产生电压脉冲：在两处均布置储能系统时．系统各节点电压均可达到+2%以内的电压质量要求。仿真结果表明本文采用的布置、控制方法能有效稳定直流微网各节点电压，能够保证较高的供电电压质量。
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