邢小文，張 輝，支 娜，郭龍舟，李 洋

（1.西安理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，西安710048；2.西安交通大學(xué)電氣設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710049）

全球范圍幾次大的停電事故暴露了大電網(wǎng)的弊端。為提高供電可靠性，微電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。微電網(wǎng)分為交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)和混合微電網(wǎng)，其中直流微電網(wǎng)以可靠性高、效率高、便于控制等優(yōu)點(diǎn)成為未來家庭及辦公樓宇的主要供電架構(gòu)[3-4]。

微電網(wǎng)中存在著多個(gè)微源，如何實(shí)現(xiàn)發(fā)電單元、儲(chǔ)能裝置及負(fù)載之間的協(xié)調(diào)控制，保證直流微電網(wǎng)母線電壓的穩(wěn)定，是直流微電網(wǎng)研究的一個(gè)重點(diǎn)。傳統(tǒng)的直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制方法有集中控制和分散控制2 種，其中集中控制[5]是給微電網(wǎng)中增加一個(gè)數(shù)據(jù)中心來協(xié)調(diào)各微源間的出力，其優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崟r(shí)掌握各微源工作狀態(tài)，易于實(shí)現(xiàn)各微源的優(yōu)先控制，缺點(diǎn)是依賴于數(shù)據(jù)中心及通信線路，一旦數(shù)據(jù)中心或通信線路出現(xiàn)故障，整個(gè)直流微電網(wǎng)將癱瘓，可靠性較低；分散控制[6]是通過對(duì)各微源的獨(dú)立控制來實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)功率平衡，其優(yōu)點(diǎn)是能夠保持微源模塊化，實(shí)現(xiàn)微源的即插即用，可靠性較高，響應(yīng)速度快，但在同一電壓等級(jí)下不能夠協(xié)調(diào)各微源的出力。為了對(duì)各微源的優(yōu)先級(jí)及輸出功率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，將下垂控制與恒壓控制相結(jié)合的DBS 控制策略[7-8]彌補(bǔ)了上述兩種控制方法的不足。

本文采用基于DBS 的直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行能量管理研究，通過設(shè)定各微源的工作閾值解決其優(yōu)先級(jí)分配問題；通過設(shè)計(jì)不同的下垂系數(shù)對(duì)同一電壓閾值下的微源進(jìn)行下垂控制，解決各微源的功率分配問題。

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 直流微電網(wǎng)的架構(gòu)

圖1 為直流微電網(wǎng)架構(gòu)，其中包含2 個(gè)光伏發(fā)電單元、1 個(gè)燃料電池發(fā)電單元、1 個(gè)蓄電池儲(chǔ)能裝置、1 個(gè)并網(wǎng)變換器和直流負(fù)載。光伏發(fā)電單元與燃料電池發(fā)電單元通過Boost 變換器與直流微電網(wǎng)連接，蓄電池通過雙向Buck-Boost 變換器與直流微電網(wǎng)連接。直流微電網(wǎng)由雙向Buck-Boost 變換器及雙向DC/AC 變換器[9]構(gòu)成的兩級(jí)并網(wǎng)變換器與電網(wǎng)連接。

圖1 直流微電網(wǎng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of DC microgrid

1.2 直流微電網(wǎng)的DBS 控制

圖2 為直流微電網(wǎng)控制框圖，微電網(wǎng)額定電壓Udc為400 V±5%。按照DBS 控制策略，可將電壓分為5 個(gè)等級(jí)，分別為380 V、390 V、400 V、410 V和420 V。光伏發(fā)電單元屬于再生能源，擁有最高優(yōu)先級(jí)；蓄電池?fù)碛写蝺?yōu)先級(jí)；燃料電池成本較高，屬于備用電源，優(yōu)先級(jí)最低。

直流微電網(wǎng)具有并網(wǎng)和孤島兩種工作模式。并網(wǎng)模式運(yùn)行時(shí)，直流側(cè)母線電壓平衡由大電網(wǎng)優(yōu)先進(jìn)行控制，當(dāng)直流母線電壓跌落，大電網(wǎng)輸出能量，穩(wěn)定直流母線電壓，維持直流側(cè)負(fù)載的功率需求；當(dāng)直流母線電壓升高，直流微電網(wǎng)向大電網(wǎng)輸出能量，穩(wěn)定直流母線電壓。恒壓控制兩級(jí)變換器將直流母線電壓穩(wěn)定在額定電壓，見圖2（a）。

孤島運(yùn)行模式時(shí)，依照劃分的5 個(gè)電壓等級(jí)，當(dāng)各微源的工作電壓閾值為Udc≥410 V 時(shí)，光伏發(fā)電單元采用下重控制（droop control），光伏1 下垂率為0.72，光伏2 下垂率為0.4；當(dāng)Udc＜410 V時(shí)，光伏發(fā)電單元采用最大功率跟蹤MPPT（maxi mum power point tracking）控制，見圖2（b）；當(dāng)Udc≥400 V 時(shí)，蓄電池進(jìn)行充電控制；當(dāng)Udc≤390 V 時(shí)，蓄電池進(jìn)行放電控制，蓄電池充放電控制均采用恒壓控制，見圖2（c）；當(dāng)Udc≤380 V 時(shí)，燃料電池啟動(dòng)，進(jìn)行恒壓控制，并將直流母線電壓穩(wěn)定到380 V，見圖2（d）；若燃料電池仍不能滿足負(fù)載需求，則需將部分負(fù)載切除，以滿足直流微電網(wǎng)的最低電壓運(yùn)行要求。直流微電網(wǎng)的工作狀態(tài)及其隨母線電壓及負(fù)載變化的曲線見圖3，描述了DBS 控制策略實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制的過程。

直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制過程的工作狀態(tài)如表1所示。

狀態(tài)1：輕載時(shí)，光伏發(fā)電單元提供的功率遠(yuǎn)大于負(fù)載功率，Udc≥410 V，接口變換器采用下垂控制，限制輸出功率。此時(shí)若蓄電池未充滿，則對(duì)其進(jìn)行恒流充電，母線電壓由光伏發(fā)電單元接口變換器控制。

狀態(tài)2：負(fù)載增加時(shí)，Udc＜410 V，光伏發(fā)電單元輸出功率達(dá)到最大，下垂控制切換為MPPT 控制。根據(jù)蓄電池不同的工作方式，將狀態(tài)2 分為3個(gè)子狀態(tài)。

狀態(tài)2.1：負(fù)載較輕時(shí)，光伏發(fā)電單元輸出功率大于負(fù)載功率，400 V≤Udc＜410 V，蓄電池恒壓充電，燃料電池不工作，母線電壓由蓄電池控制；

狀態(tài)2.2：負(fù)載增加，光伏發(fā)電單元輸出功率剛好滿足負(fù)載功率，390 V ＜Udc＜400 V，蓄電池和燃料電池均不工作；

狀態(tài)2.3：負(fù)載繼續(xù)增加，光伏發(fā)電單元輸出功率不能支持負(fù)載功率，380 V ＜Udc≤390 V，蓄電池放電，母線電壓由蓄電池控制。

狀態(tài)3：當(dāng)光伏發(fā)電單元和蓄電池都不能滿足負(fù)載功率時(shí)，Udc≤380 V，達(dá)到燃料電池的放電閾值，燃料電池工作，并將母線電壓穩(wěn)定到燃料電池的放電閾值。

2.3 仿真驗(yàn)證

圖2 直流微電網(wǎng)控制框圖Fig.2 Control block of DC microgrid

圖3 孤島模式下直流母線電壓外特性曲線Fig.3 External characteristic of DC bus voltage in island mode

在Matlab/Simulink 下構(gòu)建直流微電網(wǎng)的仿真模型，主要參數(shù)如下：直流母線額定電壓為400 V±5%，光伏發(fā)電單元1 輸出功率5 kW，光伏發(fā)電單元2 輸出功率10 kW，蓄電池容量480 A·h，燃料電池功率10 kW。

孤島模式運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)仿真結(jié)果見圖4。0～0.5 s，負(fù)載較輕時(shí)，直流母線電壓Udc≥410 V，2 個(gè)光伏發(fā)電單元均采用下垂控制，此階段內(nèi)光伏1的輸出電流為3.7 A，光伏2 的輸出電流為8.4 A，多余能量提供給蓄電池充電；0.5～1 s，負(fù)載增加，母線電壓Udc＜410 V，2 個(gè)光伏發(fā)電單元從下垂控制切換為MPPT 控制，輸出電流達(dá)到最大值，光伏1為12 A，光伏2 為24 A，前兩個(gè)階段直流微電網(wǎng)的母線電壓高于蓄電池的充電閾值，因此1 s 前均向蓄電池充電；1～1.5 s，負(fù)載繼續(xù)增加，母線電壓降至390 V ＜Udc＜400 V，2 個(gè)光伏發(fā)電單元仍采用MPPT 控制，此時(shí)母線電壓低于蓄電池的放電閾值，高于蓄電池的充電閾值，因此蓄電池不工作；1.5～2 s，負(fù)載繼續(xù)增加，母線電壓降至380 V ＜Udc≤390 V，2 個(gè)光伏發(fā)電單元仍然采用MPPT 控制，由于母線電壓低于蓄電池的放電閾值，蓄電池放電；2 s 以后，負(fù)載繼續(xù)增加，母線電壓Udc≤380V，達(dá)到燃料電池的放電閾值，燃料電池開始放電，向負(fù)載提供能量，并將直流母線電壓穩(wěn)定到380 V，光伏發(fā)電單元工作在MPPT 狀態(tài)，蓄電池處于放電狀態(tài)。

表1 孤島模式下系統(tǒng)的工作狀態(tài)Tab.1 Working states of island mode system

圖4 孤島模式下直流微電網(wǎng)仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of DC microgrid in island mode

并網(wǎng)模式運(yùn)行時(shí)，采用直流受控電壓源模擬直流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)母線電壓和電流波形見圖5 和圖6。1 s 前受控電壓源的給定電壓高于400 V，因此并網(wǎng)變換器向大電網(wǎng)輸出能量，并將直流母線電壓穩(wěn)定在400 V；1 s 后，受控電壓源的給定電壓低于400 V，需要從大電網(wǎng)吸收能量，保持直流母線電壓為400 V，隨著受控電壓給定值的不斷降低，變換器的端口電流不斷增大，微電網(wǎng)從大電網(wǎng)吸收的功率越多。

圖5 直流微電網(wǎng)母線電壓Fig.5 Bus voltage of DC microgrid

圖7為網(wǎng)側(cè)功率的變化情況，1 s 前，直流微電網(wǎng)向電網(wǎng)輸出能量，1 s 后，電網(wǎng)向直流微電網(wǎng)輸出能量。

圖7 網(wǎng)側(cè)功率波形Fig.7 Power wave of AC side

3 結(jié)論

對(duì)已有控制策略進(jìn)行對(duì)比分析，選擇DBS 控制策略用于微電網(wǎng)中微源的協(xié)調(diào)控制。

（1）依據(jù)各微源特性，進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分，通過設(shè)置不同的工作電壓閾值，采用DBS 控制策略實(shí)現(xiàn)微源的優(yōu)化利用。

（2）在Matlab/Simulink 中構(gòu)建仿真模型，結(jié)果表明：利用DBS 控制策略能夠在允許的工作范圍內(nèi)穩(wěn)定直流母線電壓，同時(shí)保證直流微電網(wǎng)對(duì)負(fù)載的可靠供電。

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