王超，曹煒，張旭航，2，邱春風(fēng)，陳衛(wèi)，李蕓

（1.上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，上海 200090；2.國網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，上海 200120）

化石燃料等傳統(tǒng)能源的日漸枯竭推動著以光能、風(fēng)能為代表的可再生能源的發(fā)展，但由于其間歇性、不確定性的特點，可再生能源的有效利用受到了極大的限制[1]。因此微電網(wǎng)作為一種有效的解決方案而備受矚目。為了保證微電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，需要在微電網(wǎng)中加入儲能裝置，利用其削峰填谷的特性對分布式能源的不穩(wěn)定性進(jìn)行補(bǔ)充[2]。

微電網(wǎng)可分為交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)和混合交直流微電網(wǎng)，其中直流微電網(wǎng)因為有著控制簡單、減少了功率轉(zhuǎn)換級和不需要考慮無功補(bǔ)償?shù)葐栴}的優(yōu)點而快速發(fā)展[3-4]。直流微電網(wǎng)有并網(wǎng)和孤島兩種運行模式，本文研究的主要是在孤島模式下的直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行問題[5-6]。在孤島模式下，由于直流微電網(wǎng)中分布式電源的隨機(jī)性和波動性，無法保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以需要在系統(tǒng)中加入儲能系統(tǒng)，在平抑波動的同時，維持母線電壓的穩(wěn)定性[7-8]。同時為了防止因儲能單元故障而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的情況，通常采用多個小儲能單元并聯(lián)接入系統(tǒng)[9]。

為了防止分布式儲能系統(tǒng)過度充放電的同時，兼顧在受到干擾的情況下公共直流母線的穩(wěn)定，儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）的控制策略是重中之重[10-11]。在直流微電網(wǎng)中，應(yīng)用下垂控制作為儲能系統(tǒng)的控制策略比較常見，然而，傳統(tǒng)的下垂控制由于其下垂系數(shù)為常數(shù)，難以保證儲能系統(tǒng)的SOC均衡[12]。為了克服系統(tǒng)中SOC的均衡分配問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了一些改進(jìn)方法。文獻(xiàn)[13]提出了一種以SOC的指數(shù)函數(shù)來自適應(yīng)調(diào)節(jié)各儲能單元下垂系數(shù)的改進(jìn)下垂控制方法，從而保證SOC的均衡。但是在儲能單元SOC差距較大時會出現(xiàn)環(huán)流，造成功率不必要的功率損失。文獻(xiàn)[14]通過在功率下垂控制中引入功率標(biāo)幺值和均衡式電壓偏移量保證了功率的精確分配，但是文中用直流恒壓源來代替光伏單元和儲能單元的做法并不具備現(xiàn)實意義，所得結(jié)論有待驗證。

基于上述分析，本文針對直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定以及各儲能單元間的SOC均衡控制，提出了一種基于荷電狀態(tài)的改進(jìn)功率下垂控制的直流微電網(wǎng)分級運行控制方法。首先，根據(jù)當(dāng)前儲能單元SOC的大小、光伏單元發(fā)電功率以及直流負(fù)載將系統(tǒng)劃分為三種控制模式，分別是恒功率模式，恒壓模式1和恒壓模式2。各儲能單元通過低速通信網(wǎng)絡(luò)收集各個單元的實時SOC并計算實時的平均SOC，各個單元通過與平均SOC相比較，調(diào)節(jié)各自儲能單元能量的吸收與釋放，最終達(dá)到各個儲能單元SOC均衡的目的。最后在Matlab/Simulink中搭建仿真模型并且在RTDS搭建實驗平臺，對所提控制策略的正確性進(jìn)行驗證。

1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其運行模式

1.1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本文所研究的自治直流微電網(wǎng)主要包含以下三個主要的模塊，即光伏單元、儲能單元、直流負(fù)載。儲能單元通過雙向DC-DC變換器與公共直流母線相連接，可以實現(xiàn)能量的雙向流動；光伏單元和直流負(fù)載都是通過單向DC-DC變換器與直流母線相連，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of DC microgrid

由于光伏出力和直流負(fù)荷的波動都是無法預(yù)測的，所以需要在直流微網(wǎng)系統(tǒng)中加入儲能單元來調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率的平衡，穩(wěn)定直流母線電壓，同時為了防止因為某一儲能單元故障而導(dǎo)致整個微網(wǎng)系統(tǒng)的崩潰，本文采用多組小容量的儲能單元組成整個儲能系統(tǒng)，因此各個小儲能單元間SOC的均衡分配也顯得尤為重要。故本文所探討的直流微網(wǎng)的實現(xiàn)目標(biāo)為基于母線電壓的穩(wěn)定和各個儲能單元間SOC的均衡分配。

1.2 直流微電網(wǎng)運行模式

本文根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)將直流微網(wǎng)系統(tǒng)分為以下三種運行模式。

恒功率模式：儲能單元的SOC的工作范圍為20%～90%時，光伏單元運行在最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）控制模式，儲能單元運行于下垂控制模式，公共直流母線電壓的穩(wěn)定通過儲能單元的充放電來調(diào)節(jié)。此階段儲能單元的充放電為本文主要的研究的階段，即

式中：Pes為儲能單元輸出功率；Ppv為光伏單元發(fā)出的功率；Pload為負(fù)載功率。

恒壓模式1：儲能單元SOC的工作范圍大于90%時，儲能單元處于充電閉鎖狀態(tài)。此時若光伏單元發(fā)電量較大，則會出現(xiàn)有功功率過剩的情況，系統(tǒng)功率供過于求，為維持公共直流母線的穩(wěn)定以及延長儲能單元的使用壽命，更改光伏單元的MPPT模式為下垂控制模式。在外界光照和環(huán)境溫度降低或者負(fù)載增加時，儲能單元由充電模式轉(zhuǎn)換為放電模式，當(dāng)儲能單元的SOC降低至20%～90%時，光伏單元由恒壓模式1切換到恒功率模式，系統(tǒng)里的能量的流動與恒功率模式相同。

恒壓模式2：儲能單元的SOC工作范圍低于20%，外界環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度不足或者系統(tǒng)所帶負(fù)荷過大時，此時系統(tǒng)中光伏單元發(fā)電功率供不應(yīng)求，儲能單元由于自身SOC過低，處于放電閉鎖狀態(tài)，會導(dǎo)致公共直流母線電壓低于標(biāo)準(zhǔn)電壓，為了確保一級負(fù)荷的不間斷供電，適當(dāng)切除系統(tǒng)中的一些不重要負(fù)荷，確保公共直流母線電壓的穩(wěn)定。相應(yīng)的當(dāng)外界光照強(qiáng)度增加或系統(tǒng)負(fù)荷減少時，儲能單元進(jìn)入充電狀態(tài)，系統(tǒng)的運行狀態(tài)由恒壓模式2轉(zhuǎn)入到恒功率模式，此時系統(tǒng)的能量流動與恒功率模式相同。

綜上所述，為了防止儲能單元的過度充放，在儲能單元SOC低于20%或高于90%時，儲能單元會選擇進(jìn)入放電閉鎖狀態(tài)或充電閉鎖狀態(tài)，即儲能單元不再放電或充電，此時為了穩(wěn)定直流母線電壓，系統(tǒng)會選擇切換工作模式或切除一些不重要的負(fù)荷。

2 直流微電網(wǎng)系統(tǒng)控制策略

2.1 光伏單元控制策略

光伏單元采用兩種控制模式，分別是MPPT模式和下垂控制模式，圖2為光伏單元控制策略框圖。

圖2 光伏單元控制框圖Fig.2 The block diagram of photovoltaic unit control strategy

根據(jù)圖2，光伏單元會根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前運行狀態(tài)選擇合適的工作模式，當(dāng)光伏單元工作于MPPT模式時，會通過采集輸出端電壓和電流值進(jìn)行最大功率點運算，實現(xiàn)最大功率點的追蹤。當(dāng)光伏單元運行于下垂模式時，通過設(shè)置下垂系數(shù)得到合適的出口電壓參考值，然后通過電壓電流雙閉環(huán)控制實現(xiàn)穩(wěn)定母線電壓的目的。

2.1.1 光伏單元的MPPT控制方法

太陽能光伏電池作為孤島系統(tǒng)的唯一能量來源，有效地利用光伏電池陣列的輸出功率對直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行尤為重要。為了最大程度地利用光伏單元的輸出功率，采用MPPT控制。本文采用的MPPT控制算法為電導(dǎo)增量法，電導(dǎo)增量法為基于擾動觀察法修正的一種改進(jìn)方法，與擾動觀察法相比，在原理上電導(dǎo)增量法克服了判斷誤差的不足，具有更高的精度和響應(yīng)速度。

2.1.2 光伏單元的下垂控制方法

光伏單元的下垂特性可以表示為

2.2 儲能單元控制策略

儲能單元采用改進(jìn)的功率下垂控制，綜合考慮系統(tǒng)中所有儲能單元SOC的大小來調(diào)整各自的下垂系數(shù)，從而達(dá)到各儲能單元SOC均衡分配的目的。直流微電網(wǎng)傳統(tǒng)下垂控制可表示為

第i個儲能單元的下垂系數(shù)Resi的值由其蓄電池的額定功率Pri和直流母線電壓最大允許偏移量ΔVmax決定，即

由于儲能單元的出口電壓參考值滿足：

結(jié)合式（5）～式（7），有：

由式（8）可知：各儲能單元的實際功率按照其蓄電池的額定功率成比例進(jìn)行分配。但在此傳統(tǒng)的功率控制下，無法解決儲能單元過度充放電的問題，為了解決此問題，本文提出了一種根據(jù)蓄電池荷電狀態(tài)調(diào)整下垂系數(shù)的方法：

對于第i個儲能單元，當(dāng)Pi＞0時：

當(dāng)Pi＜0時：

由式（11）、式（12）可知，當(dāng)蓄電池處于放電狀態(tài)時，SOC大的儲能單元多放電，SOC小的儲能單元少放電；當(dāng)蓄電池處于充電狀態(tài)時，DOD大的儲能單元多充電，DOD小的儲能單元少充電，最終達(dá)到儲能單元SOC均衡分配的目的，防止了某個儲能單元過度充放電情況的發(fā)生。

由上述分析可知，在各儲能單元的荷電狀態(tài)不一致的情況下，各儲能單元的下垂系數(shù)一直處于動態(tài)變化之中，各自的實際功率不再按照其蓄電池的額定功率進(jìn)行分配，為了保證各個單元功率的合理分配，引入虛擬額定功率的概念，其定義如下：

式中：Pvir為第i個儲能單元的虛擬額定功率。

健全高校校園文化建設(shè)制度，保障良好的校園生態(tài)文明。即要制定實施有關(guān)生態(tài)文明建設(shè)的規(guī)章制度,完善生態(tài)評價制度，把生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展理念融入到高校校園文化制度建設(shè)中去，充分體現(xiàn)有關(guān)節(jié)約資源、愛護(hù)環(huán)境的理念與要求。通過制度規(guī)范管理，監(jiān)督和約束全體師生的行為，把校園生態(tài)環(huán)境保護(hù)落到實處。比如結(jié)合學(xué)校實際，制定《校園綠色行為準(zhǔn)則》《節(jié)能節(jié)電管理辦法》等，且利用獎懲機(jī)制保障制度得以順利實施。

結(jié)合式（7）、式（9）、式（13），可得：

所以，在改進(jìn)后的下垂控制中，儲能單元SOC不一致時，其實際輸出功率按照各自儲能單元的實時下垂系數(shù)的反比進(jìn)行分配，虛擬額定功率的下垂曲線如圖3所示。

根據(jù)圖3，當(dāng)儲能系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時，SOC低的儲能單元下垂系數(shù)會更小，獲得較多的能量；SOC高的儲能單元下垂系數(shù)會更大，獲得較少的能量。當(dāng)處于放電狀態(tài)時，SOC低的儲能單元下垂系數(shù)會更大，釋放較多的能量；SOC高的儲能單元下垂系數(shù)會更小，釋放較少的能量；最終達(dá)到各儲能單元SOC均衡的目的。

2.3 電壓偏移補(bǔ)償器

為了防止由于虛擬阻抗而引起的母線電壓偏移量過大從而導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，引入直流母線電壓偏移補(bǔ)償量，定義如下：

圖3 虛擬額定功率下垂曲線Fig.3 Sagging curves of virtual rated power

式中：ΔVri為第i個儲能單元所需的電壓補(bǔ)償量；Vesi為第i個儲能單元的實際出口電壓。

最終，直流母線出口電壓的參考值表達(dá)式為

式中：Pesi為第i個儲能單元的實際出口功率。

綜上，儲能單元的控制策略框圖如圖4所示。

圖4 儲能單元控制策略框圖Fig.4 The block diagram of energy storage unit control strategy

由圖4可知，儲能單元的控制策略分為三個部分，分別是電壓電流雙閉環(huán)控制，儲能單元荷電狀態(tài)均衡控制和電壓偏移補(bǔ)償器。通過三者之間的協(xié)調(diào)配合以及根據(jù)儲能單元SOC和系統(tǒng)負(fù)荷狀態(tài)調(diào)節(jié)光伏出力，共同維持直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3 仿真分析

為了驗證本文所提理論的正確性，采用圖1所示的直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)在Simulink中搭建仿真模型。

各個單元的參數(shù)設(shè)置如下所示：直流母線標(biāo)準(zhǔn)電壓Vnom=400 V；直流母線最高允許電壓Vmax=420 V；直流母線最低允許電壓Vmin=380 V；光伏單元最大出力Ppvmax=3 kW，恒功率負(fù)載CPL 1.5 kW，2 kW，4 kW，6 kW；儲能單元SOC上限90%，儲能單元SOC下限20%；儲能單元1額定容量1.5 A·h，儲能單元2額定容量 1.5 A·h。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)模式下動態(tài)性能驗證

為了驗證在標(biāo)準(zhǔn)模式下本文所提控制方法的正確性，整個仿真時長為9 s，設(shè)置光伏單元出力為3 kW，兩個儲能單元初始的SOC分別為50%，51%，下垂系數(shù)的初值都為0.005。0～3 s時，負(fù)載為2 kW，3～6 s時，負(fù)載為 4 kW，6～9 s時，負(fù)載為6 kW。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)模式下仿真曲線Fig.5 Simulation curves in standard mode

由圖5a、圖5b可知，在整個仿真過程中，公共直流母線電壓可以保持很好的穩(wěn)定。在0～3 s時，光伏出力在滿足負(fù)載的需求之余，剩余能量由儲能單元1，2吸收，此時儲能單元處于充電狀態(tài)，由于控制策略的調(diào)節(jié)，SOC低的儲能單元1會吸收更多的能量，SOC高的儲能單元2會吸收較少的能量。在3～6 s時，由于負(fù)載的上升，光伏單元無法滿足需求，此時儲能系統(tǒng)處于放電狀態(tài)，同樣是由于控制策略的調(diào)節(jié)，SOC低的儲能單元1會釋放較少的能量，SOC高的儲能單元2會釋放較多的能量。在6～9 s時，負(fù)載進(jìn)一步變大，系統(tǒng)運行狀況與之前類似，此處不多做贅述?？傊?，由于本文所提控制策略的調(diào)節(jié)，在仿真結(jié)束時，兩儲能單元的SOC已經(jīng)十分接近，證明所提控制策略的有效性。

由圖5c、圖5d可知，在0～3 s時，儲能單元1與儲能單元2的下垂系數(shù)的比值大約為0.003 5/0.006，即1/1.71，它們的輸出功率的比值大約為656.52/350.95，即1.87/1，二者大致成反比分配；在3～6 s時，儲能單元1與儲能單元2的下垂系數(shù)的比值大約為0.006/0.004，即1.50/1，其輸出功率的比值大約339.65/603.61，即1/1.51，二者基本成反比分配；6～9 s時，儲能單元1與儲能單元2的下垂系數(shù)的比值大約為0.005 5/0.004 5，即1.22/1，其輸出功率的比值大約為901.13/1 104.33，即1/1.23，同樣二者基本成反比分配。綜上，在整個運行過程中，儲能單元的輸出功率大致是按照各自的下垂系數(shù)成反比分配，進(jìn)一步證明了所提控制策略的有效性。

3.2 光伏波動下仿真分析

為了檢驗在光伏波動的情況下系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在仿真模型中設(shè)置環(huán)境溫度為25℃，光照起始強(qiáng)度為600 W/m2，恒功率負(fù)載設(shè)置為1 500 kW，兩個儲能單元初始的SOC分別為50%，51%，為了觀察到兩儲能單元最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，整個仿真時長設(shè)置為18 s，在0～6 s時，接入儲能單元1；在6～12 s時，接入儲能單元2，光照強(qiáng)度為1 000 W/m2；在12～18 s時，光照強(qiáng)度為800 W/m2。仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，在整個仿真過程中，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的公共直流母線穩(wěn)定在400 V，儲能單元一直處于充電狀態(tài)。在0～6 s時，光伏單元的輸出功率為1 679.64 W，儲能單元1的充電功率為180.63 W，儲能單元2未接入，其充電功率為0 W，基本滿足供求關(guān)系；在6～12 s時，儲能單元2接入系統(tǒng)，光伏單元的輸出功率為2 990.29 W，儲能單元的充電功率按照各自的下垂系數(shù)的反比進(jìn)行分配，分別為994.22 W，497.49 W；在12～18 s時，光伏單元的輸出功率為2 329.23 W；在15.73 s之前，兩個儲能單元的能量流動與第二階段相似，分別為517.29 W，310.84 W；在15.73 s時，兩個儲能單元的SOC達(dá)到一致。由于儲能單元控制策略的調(diào)節(jié)，此后兩個儲能單元的充電功率按照各自的額定功率進(jìn)行分配，即兩個儲能單元的輸出功率會趨于一致，為415.62 W。

圖6 光伏波動仿真曲線Fig.6 Simulation curves under photovoltaic fluctuation

4 實驗分析

為了驗證本文所提改進(jìn)下垂控制策略的可行性，本文基于RTDS搭建了實驗平臺對直流獨立微電網(wǎng)進(jìn)行實驗分析，實驗平臺如圖7所示。主要參數(shù)與仿真參數(shù)相同（見第3節(jié)）。

圖7 基于RTDS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 System structure diagram based on RTDS

本文針對光伏波動的情況下，直流微電網(wǎng)公共直流母線電壓能否保持穩(wěn)定以及各儲能單元能否快速到達(dá)荷電狀態(tài)平衡的狀態(tài)進(jìn)行了實驗驗證，圖8為各項實驗波形圖。

當(dāng)光伏單元發(fā)出的功率始終大于負(fù)荷消耗的功率時，儲能單元穩(wěn)定地處于充電狀態(tài)。由圖8可知，公共直流母線電壓能夠保持很好的穩(wěn)定，在額定電壓400 V的2.5%的偏差范圍內(nèi)得到有效的調(diào)節(jié)。實驗中儲能單元一直處于充電狀態(tài)，在T時刻之前，各個儲能單元的輸出功率按照各自的下垂系數(shù)成反比進(jìn)行分配。T時刻之后，功率進(jìn)行再分配，此時兩個儲能單元的SOC達(dá)到了均衡狀態(tài)，所以此后兩儲能單元的輸出功率按照其額定功率進(jìn)行分配；證明了本文所提控制策略的有效性與可行性。同時由實驗結(jié)果可知，采用本文所提控制策略時，荷電狀態(tài)平衡的速度較快，大約在儲能單元SOC增長3%時，兩儲能單元就達(dá)到了均衡狀態(tài)。

圖8 基于RTDS的實驗波形圖Fig.8 Experimental waveforms based on RTDS

5 結(jié)論

針對孤島模式下直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中存在的公共直流母線電壓穩(wěn)定，各儲能單元間SOC的均衡控制以及過度充放電問題，提出了一種基于荷電狀態(tài)的改進(jìn)功率下垂控制的直流微電網(wǎng)分級運行控制方法。首先依據(jù)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的實時狀態(tài)，將其分成恒功率模式、恒壓模式1、恒壓模式2等三種運行模式，解決了儲能單元的過度充放電問題。其次通過低速通訊網(wǎng)絡(luò)，將下垂系數(shù)的取值與各儲能單元的SOC聯(lián)系起來，以達(dá)到儲能單元SOC均衡的目的；并且通過引入虛擬額定功率這一概念，實現(xiàn)了儲能單元輸出功率的合理分配問題。最后搭建模型進(jìn)行仿真分析和實驗驗證，結(jié)果表明了所提方法的有效性與可行性。