王毅泰，王維慶，王海云，武家輝，段震宇

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830017； 2.新疆大學(xué)可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制教育部工程研究中心，烏魯木齊 830017; 3.上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海 201306)

近年來，中國提出要在2035年之前達(dá)到碳達(dá)峰，2060年之前實(shí)現(xiàn)碳中和的“雙碳目標(biāo)”。為了更好地完成此目標(biāo)，以清潔能源為主的分布式可再生能源引起了廣泛的關(guān)注。微電網(wǎng)作為一種集成多種可再生能源、負(fù)荷、監(jiān)控保護(hù)和控制的小型發(fā)配電系統(tǒng)[1]，能夠?qū)⒎植际诫娫醋畲蠡乩?，給負(fù)荷提供所需要的電能，利用變換器實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)的控制和內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換。相比之下，交流微電網(wǎng)存在相位需同步、無功功率損耗、變壓器損耗以及諧波電流等問題，比直流微電網(wǎng)更為復(fù)雜，因此直流微電網(wǎng)受到越來越多人的關(guān)注[2]。

保持電流均衡分配和直流母線電壓的穩(wěn)定是直流微電網(wǎng)的研究重點(diǎn)。由于光伏發(fā)電易受周邊環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度等因素的影響，且存在隨機(jī)波動以及間歇性的緣故[3-5]，因此會導(dǎo)致母線電壓波動，所以需要增加儲能系統(tǒng)，通過其充放電來快速平抑系統(tǒng)功率的波動，并且在光伏發(fā)電不足時(shí)，能夠?yàn)樨?fù)荷快速提供持續(xù)的穩(wěn)定電壓[6-7]。然而，儲能系統(tǒng)為了維持電能的持續(xù)輸出，需要不斷地在充放電模式間切換。此外，各個儲能單元分散安置在系統(tǒng)的各個位置，輸電線阻抗的不同會導(dǎo)致儲能單元的功率損耗不同，使部分儲能單元深度放電或者過度充電。最終導(dǎo)致系統(tǒng)電流無法實(shí)現(xiàn)均衡分配，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[8]。

針對上述問題，文獻(xiàn)[9]通過利用直流微電網(wǎng)的母線電壓波動幅度間接地判斷其功率能量是否處于平衡狀態(tài)，但是反應(yīng)時(shí)間過長，有一定的滯后性。文獻(xiàn)[10]將儲能單元的電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)劃分成高、中、低3個區(qū)間，各區(qū)間內(nèi)的儲能單元有不同的優(yōu)先級。避免了所有的儲能單元同時(shí)放電，減小各儲能單元的總放電時(shí)長。但是無法做到各個區(qū)間的儲能單元流暢切換，母線電壓會產(chǎn)生較大波動。文獻(xiàn)[11]針對直流微電網(wǎng)多個儲能單元功率無法很好地均分，提出一種基于一致性算法的孤島型直流微電網(wǎng)改進(jìn)下垂控制策略，但母線電壓波動后恢復(fù)速度較慢。文獻(xiàn)[12]提出一種雙層電壓信號下的分層協(xié)調(diào)控制策略，直流母線電壓的波動能夠被快速抑制，但是高度依賴通信，穩(wěn)定性較差且會使微電網(wǎng)復(fù)雜化。文獻(xiàn)[13-14]將母線電壓進(jìn)行分層，對每個層級運(yùn)用不同的工作模式運(yùn)行，兼顧離/并網(wǎng)運(yùn)行，共同維持母線電壓的穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[15-16]分析了混合儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，充分地利用兩者的互補(bǔ)特性，增強(qiáng)直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

針對上述研究，現(xiàn)提出利用超級電容和蓄電池聯(lián)動構(gòu)成混合儲能單元，不同的變換器運(yùn)用不同的控制策略進(jìn)行整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。以系統(tǒng)功率作為模式切換的依據(jù)，將直流微電網(wǎng)劃分在5種模式下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)源儲能源的合理利用。其中光伏單元采用最大功率跟蹤控制和恒壓降功率控制，二者可以進(jìn)行相互切換實(shí)現(xiàn)光伏能源的最大化利用，儲能單元則運(yùn)用基于二次補(bǔ)償?shù)南麓箍刂?，對蓄電池和超級電容進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)二者的互補(bǔ)，提高響應(yīng)系統(tǒng)能量需求的速度和抑制母線電壓波動的能力。最后，在MATLAB/Simulink中搭建直流微電網(wǎng)模型，驗(yàn)證所提控制策略的有效性。

1 直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行模式

1.1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

直流微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由發(fā)電、儲能和負(fù)荷單元以及各種變換器等設(shè)備構(gòu)成。各個單元均通過變換器與直流母線連接。

Ppv為光伏單元輸入的功率；Pbat為蓄電池的功率；Psc為超級電容的功率，由能量的雙向流動，兩者都可以分為吸收功率和發(fā)出功率；PL為本地負(fù)荷消耗的功率圖1 直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 DC microgrid system structure block diagram

直流微電網(wǎng)的母線電壓穩(wěn)定性能夠作為唯一的指標(biāo)去衡量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和反映系統(tǒng)內(nèi)功率的平衡[17]。記直流母線的等效電容為C，等效電容的功率為Pc，規(guī)定儲能單元放電時(shí)為正，可得

(1)

由式(1)可知，系統(tǒng)內(nèi)光伏單元、儲能單元和負(fù)荷單元的功率出現(xiàn)波動，都會引起母線電壓的波動。

1.2 直流微電網(wǎng)運(yùn)行模式劃分

對于直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略的設(shè)計(jì)，需要同時(shí)考慮蓄電池的健康運(yùn)行和光伏的最大化利用。即保證光伏盡量運(yùn)行在最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)模式下，混合儲能在正常的荷電狀態(tài)SOC區(qū)間內(nèi)運(yùn)行[18]。設(shè)置蓄電池的正常SOC區(qū)間為20%～90%。當(dāng)蓄電池的SOC達(dá)到充放電的閾值時(shí)，其切換到待機(jī)模式，等到充放電信號再次來到時(shí)重新啟動接入直流微電網(wǎng)。根據(jù)系統(tǒng)的功率平衡原理設(shè)置不同的運(yùn)行模式，保證在每個工作模式下，負(fù)荷發(fā)生突變或者分布式電源發(fā)生突變時(shí)，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)都能夠穩(wěn)定運(yùn)行。規(guī)定系統(tǒng)凈功率ΔP=Ppv-Pload，其中，Pload為負(fù)載單元功率。工作模式劃分情況如表1所示。

表1 直流微電網(wǎng)運(yùn)行模式Table 1 Operation mode of DC microgrid

模式1負(fù)載單元消耗的功率較小，光伏單元的發(fā)出功率已經(jīng)超過負(fù)載單元所需功率，且此時(shí)蓄電池的荷電狀態(tài)還未達(dá)到設(shè)定的上限90%，因此光伏單元工作在MPPT模式下，最大程度地利用太陽能，蓄電池和超級電容則處于充電模式，存儲多余電能，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

模式2負(fù)載單元消耗的功率較小，光伏單元的發(fā)出功率已經(jīng)超過負(fù)載單元所需功率，且蓄電池的荷電狀態(tài)已經(jīng)達(dá)到上限90%，繼續(xù)充電會造成蓄電池壽命的損傷，此時(shí)光伏單元從MPPT模式下切換至恒壓降功率模式下，以便減少光伏功率的輸出。

模式3負(fù)載單元消耗的功率持續(xù)增加，當(dāng)光伏單元的發(fā)出功率等于負(fù)荷單元的消耗功率，此時(shí)光伏單元在MPPT模式下穩(wěn)定運(yùn)行，蓄電池和超級電容處于待機(jī)狀態(tài)不在充放電。

模式4負(fù)載單元消耗的功率較大，光伏單元所發(fā)出的功率不足，且此時(shí)蓄電池的荷電狀態(tài)高于設(shè)定下限20%，由蓄電池和超級電容進(jìn)行放電，來彌補(bǔ)系統(tǒng)中功率的缺額，光伏單元在MPPT模式下運(yùn)行來維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

模式5負(fù)載單元消耗功率較大，光伏所發(fā)出的功率不足，但此時(shí)蓄電池的荷電狀態(tài)低于設(shè)定下限20%，已經(jīng)無法通過放電來滿足系統(tǒng)的功率需求，此刻需要切除系統(tǒng)中的非重要負(fù)荷來保證系統(tǒng)再次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2 系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略

2.1 光伏單元的控制策略

光伏單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及控制框圖如圖2所示。光伏單元的控制策略由MPPT模式和恒壓降功率控制模式構(gòu)成[19]，兩者可以相互切換。MPPT模式下：通過PI控制器產(chǎn)生PWM信號對DC/DC變換器的精準(zhǔn)控制，使電壓電流較精確跟蹤MPPT參考值，實(shí)現(xiàn)最大程度地利用光伏能源，若光伏單元總出力大于負(fù)荷的功率需求時(shí)，并且蓄電池的荷電狀態(tài)達(dá)到允許上限時(shí)，光伏單元切換為恒壓降功率控制。恒壓降功率模式下：直流母線電壓Udc與參考電壓Udcref做差并將差值送到PI控制器中，從而產(chǎn)生PWM信號控制DC/DC變換器來維持直流母線電壓的穩(wěn)定運(yùn)行。

Upv、Ipv分別為光伏單元實(shí)際輸出電壓和電流；C1、C2分別為光伏單元和直流母線側(cè)的電容；Lpv為光伏單元側(cè)的電感；Udcref、Udc分別為直流母線電壓的參考額定電壓和實(shí)際電壓圖2 光伏單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制框圖Fig.2 Photovoltaic cell topology and control block diagram

2.2 混合儲能單元的控制策略

為了使直流微電網(wǎng)內(nèi)部的功率達(dá)到平衡，采用蓄電池和超級電容相結(jié)合的儲能方式。使用恒壓下垂充放電控制來抑制母線電壓的波動。下垂控制模式中，由于虛擬電阻值的范圍有限制，導(dǎo)致線路阻抗對功率均分的影響不可忽略[20]。而虛擬電阻和線路阻抗的影響還會導(dǎo)致直流母線電壓產(chǎn)生較大的跌落。因此通過二次補(bǔ)償控制來獲得母線電壓設(shè)定值的電壓修正量，達(dá)到恢復(fù)母線電壓的目的。增加二次補(bǔ)償?shù)膬δ軉卧妷簠⒖贾礥dcref_i可表示為

Udcref_i=Udcref-Rd_iIo_i+ΔUi

(2)

式(2)中：Io_i為第i個儲能單元實(shí)際輸出電流；Rd_i為下垂系數(shù)。為了獲得電壓修正量ΔUi來恢復(fù)直流母線電壓，用電壓觀察器獲得全局的平均電壓Uavg，全局電壓觀測器可以表示為

(3)

圖3所示為蓄電池模塊的結(jié)構(gòu)框圖以及接口變換器的控制策略，由下垂控制、電壓電流控制以及電壓補(bǔ)償模塊共同組成。

圖3 蓄電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制框圖Fig.3 Battery topology and control block diagram

圖4所示為超級電容模塊的結(jié)構(gòu)框圖以及接口變換器的控制策略。超級電容能夠彌補(bǔ)蓄電池在瞬時(shí)能量不足的缺點(diǎn)。

圖4 超級電容拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制框圖Fig.4 Supercapacitor topology and control block diagram

3 仿真分析

基于MATLAB/Simulink平臺搭建包含光伏發(fā)電單元、負(fù)載單元和混合儲能單元的直流微電網(wǎng)模型，來驗(yàn)證上述控制策略的效果?；旌蟽δ苡尚铍姵睾统夒娙萁M合而成，進(jìn)行3個算例的設(shè)計(jì)和分析，系統(tǒng)模型的仿真參數(shù)如表2所示。

表2 直流微電網(wǎng)仿真參數(shù)Table 2 Simulation parameters of DC microgrid

3.1 運(yùn)行工況1(光照強(qiáng)度變化)

光伏單元溫度設(shè)定為恒定值25 ℃，通過改變光伏單元的光照強(qiáng)度來調(diào)整光伏的功率輸出，設(shè)定光照強(qiáng)度的變化是[700 500 700 900 700] W/m2，相對應(yīng)的時(shí)間是[0 0.2 0.5 1.2 1.5] s。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 光照強(qiáng)度變化的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of light intensity change

0～0.2 s和0.5～2 s時(shí)，光伏單元的發(fā)出功率大于負(fù)載單元的消耗功率，即凈功率ΔP>0且蓄電池的SOC未達(dá)到充電上限值，系統(tǒng)在模式1下運(yùn)行，多余的能量儲存在儲能單元；0.2～0.5 s時(shí)，光伏單元的發(fā)出功率小于負(fù)載單元的消耗功率，即凈功率ΔP<0且蓄電池的SOC未達(dá)到放電下限值，系統(tǒng)在模式4下運(yùn)行，由蓄電池和超級電容共同放電來彌補(bǔ)系統(tǒng)功率的缺額。

在工況1的整個仿真過程中，光伏單元和混合儲能單元相互協(xié)調(diào)提供負(fù)載所需的功率，光照強(qiáng)度發(fā)生改變時(shí)，母線電壓都會發(fā)生短時(shí)間的波動，但能夠迅速恢復(fù)至500 V左右的額定電壓。

3.2 運(yùn)行工況2(切負(fù)荷)

光伏單元溫度25 ℃，光照強(qiáng)度800 W/m2。t=1 s，等效負(fù)荷由5 kW變?yōu)? kW，系統(tǒng)控制仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 切負(fù)荷的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of load cutting

0～1 s時(shí)，光伏單元的發(fā)出功率小于負(fù)載單元的消耗功率，凈功率ΔP<0，系統(tǒng)工作在模式4。

1～2 s時(shí)，蓄電池的SOC下降到最大放電下限值，混合儲能單元停止工作，為了維持母線電壓的穩(wěn)定，此時(shí)需要切除系統(tǒng)中非重要負(fù)荷，使光伏單元的發(fā)出功率大于負(fù)載單元的消耗功率，保證系統(tǒng)的凈功率ΔP>0，并將多余的能量儲存到蓄電池中。使系統(tǒng)切換至模式1。

3.3 運(yùn)行工況3(各模式間的相互切換)

光伏單元溫度25 ℃，初始光照強(qiáng)度為618 W/m2。系統(tǒng)控制模式切換仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 各模式間相互切換的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of switching between modes

0～0.3 s時(shí)，負(fù)載單元的消耗功率為3 kW，此時(shí)光伏單元處于最大功率點(diǎn)，發(fā)出的功率大約為3 kW，此時(shí)凈功率ΔP=0。此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行在模式3下。

在0.3 s時(shí)，外界光照強(qiáng)度上升為818 W/m2，負(fù)載功率未發(fā)生變化，光照強(qiáng)度的改變導(dǎo)致光伏單元的輸出功率上升，此時(shí)凈功率ΔP>0，多余的能量由儲能單元吸收儲存，混合儲能工作在充電模式下來維持母線電壓的穩(wěn)定，此時(shí)系統(tǒng)工作在模式1。

在0.6 s時(shí)，蓄電池的荷電狀態(tài)SOC達(dá)到了充電上限值，為了防止蓄電池過充，損傷工作壽命，蓄電池停止充電工作在待機(jī)狀態(tài)，光伏單元此刻切換至恒壓降功率模式下，使直流母線電壓穩(wěn)定在額定電壓左右，此時(shí)系統(tǒng)工作在模式2。

在0.9 s時(shí)，外界光照強(qiáng)度下降至518 W/m2，負(fù)載功率為改變，此時(shí)ΔP<0，缺額能量需要混合儲能單元進(jìn)行補(bǔ)充，混合儲能單元處于放電模式，光伏單元則切換至MPPT模式，此時(shí)系統(tǒng)工作在模式4。

在1.2 s時(shí)，光照強(qiáng)度恢復(fù)至618 W/m2，負(fù)載功率依舊保持不變，系統(tǒng)工作狀態(tài)恢復(fù)到初始模式，在光照強(qiáng)度改變時(shí)，直流母線電壓出現(xiàn)輕微的波動，混合儲能快速平抑其波動，凈功率ΔP=0。此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行在模式1。

在1.5 s時(shí)，光照強(qiáng)度保持不變，切除1 kW的負(fù)載，負(fù)載的功率下降到2 kW，此時(shí)凈功率ΔP>0，混合儲能工作在充電模式，母線電壓出現(xiàn)輕微波動后恢復(fù)至參考值左右，此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行在模式1。

在1.8 s時(shí)，光照強(qiáng)度依舊維持不變，而負(fù)載則突增2 kW,此時(shí)凈功率ΔP<0，混合儲能工作在放電模式來維持母線電壓的穩(wěn)定，系統(tǒng)工作在模式4。

通過上述3個工況的仿真實(shí)驗(yàn)可知，系統(tǒng)的光伏輸出和負(fù)載發(fā)生變換和波動時(shí)，利用所提控制策略對變換器進(jìn)行控制，能夠平滑地切換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行；光伏單元一般工作在MPPT模式下，實(shí)現(xiàn)光伏能源的最大化利用，只有當(dāng)混合儲能處于充滿狀態(tài)時(shí)，光伏單元才會切換至恒壓降功率模式；運(yùn)用超級電容和蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)，結(jié)合兩者的優(yōu)勢，縮短母線電壓波動的時(shí)間，使系統(tǒng)快速恢復(fù)穩(wěn)定，同時(shí)降低蓄電池的充放電的切換次數(shù)，延長蓄電池的壽命。

4 結(jié)論

以含有源荷儲的直流微電網(wǎng)作為研究對象，在引入二次補(bǔ)償?shù)那闆r下，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)控制以及5種工作模式。提出的含有二次補(bǔ)償裝置的混合儲能協(xié)調(diào)控制，能夠更好抑制直流母線電壓的波動，同時(shí)優(yōu)化了儲能系統(tǒng)的運(yùn)行，能夠延長蓄電池的使用壽命。最后通過設(shè)計(jì)3種工況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)其在5種工作模式下平滑的切換，并維持直流母線電壓的穩(wěn)定。