獨立直流微網(wǎng)能量管理控制策略

李 琰，王盼寶，張繼元，王 衛(wèi)

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

引言

在能源危機和環(huán)境保護的雙重壓力下，微網(wǎng)技術(shù)受到各界廣泛的重視和應(yīng)用。微網(wǎng)系統(tǒng)是指將分布式能源、儲能單元和負荷結(jié)合在一起的電網(wǎng)形式，既可以并網(wǎng)運行，也可以運行在離網(wǎng)模式[1-3]。微網(wǎng)主要是以交流微網(wǎng)形式存在，但近年來直流微網(wǎng)發(fā)展迅速，和交流微網(wǎng)相比較，直流微網(wǎng)不需要對電壓的相位頻率進行跟蹤，可靠性和可控性都大大提高，因此更加適合DER、儲能單元與負載的接入[4]。

供電可靠性是微網(wǎng)穩(wěn)定運行的重要指標(biāo)，電壓是表示直流微電網(wǎng)中系統(tǒng)功率平衡的唯一指標(biāo)，因此為維持直流微網(wǎng)穩(wěn)定運行，需要控制其電壓穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時，直流母線電壓波動應(yīng)該在系統(tǒng)額定電壓的±5%以內(nèi)。而一旦電壓失穩(wěn)，就會引起系統(tǒng)保護或甩負荷動作，甚至危及電網(wǎng)的正常運行。因此，對直流微網(wǎng)的變換器，必須進行有效的控制，達到維持直流母線電壓穩(wěn)定的目的[5,6]。

本文以基于光伏發(fā)電的獨立直流微網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象，在維持直流母線電壓穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，針對光伏陣列與負荷之間的多種能量供需狀態(tài)，提出了獨立直流微網(wǎng)能量管理控制策略，其核心是通過檢測光伏發(fā)電功率與負載所需功率，根據(jù)光伏電池和蓄電池的工作狀態(tài)，控制蓄電池儲能單元端與光伏側(cè)的變換器協(xié)調(diào)工作在相應(yīng)模式下，參與控制直流母線電壓穩(wěn)定，實現(xiàn)能量供需變化時直流微網(wǎng)的穩(wěn)定高效運行。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

直流微電網(wǎng)主要由分布式能源模塊、蓄電池儲能模塊、輸出負載模塊以及交流電源模塊和直流負荷組成，拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。光伏電池的輸出功率受太陽光強和溫度的影響變化很大，為了儲存光伏發(fā)出的能量，需要用蓄電池來存儲和調(diào)節(jié)電能。當(dāng)直流微網(wǎng)運行時，合理的能量管理和調(diào)度策略對于保障直流微網(wǎng)系統(tǒng)運行及電壓穩(wěn)定、實現(xiàn)不間斷供電至關(guān)重要。

本文研究采用光伏陣列作為微源，蓄電池作為儲能單元的獨立直流微網(wǎng)系統(tǒng)，由光伏陣列、蓄電池、單向DC/DC變換器、雙向Buck/Boost變換器及直流負載組成，其工作原理為：光伏DC/DC變換器根據(jù)能量管理系統(tǒng)的不同指令工作在不同模式下，在系統(tǒng)啟動階段、光強較弱或者負載突然增加的情況下，光伏變換器運行在最大功率點跟蹤（MPPT）控制模式，此時蓄電池運行在放電狀態(tài)，維持直流母線電壓的穩(wěn)定；當(dāng)光伏陣列發(fā)出功率足夠時，運行于對直流母線的恒壓控制（CVC）模式下，蓄電池運行在充電狀態(tài)。其核心是根據(jù)光伏陣列和蓄電池的工作狀態(tài)，控制光伏DC/DC變換器和雙向Buck/Boost變換器協(xié)調(diào)工作，維持直流微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行。

2 系統(tǒng)控制策略

2.1 系統(tǒng)工作模式

光伏DC/DC變換器的兩端分別接在光伏陣列和直流母線側(cè)，采用Boost升壓變換器，將不穩(wěn)定的直流電（70～120 VDC）轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流母線電壓（150 VDC），蓄電池端采用Buck/Boost變換器用以控制儲能單元的充放電。通過對光伏板、蓄電池以及直流負載工作狀態(tài)的分析，將獨立直流微網(wǎng)分為5種穩(wěn)定工作模式，如表1所示，光伏板輸出的功率Ppv與負載所需功率 Pload，Ibat＜0 和 Ibat＞0 代表蓄電池放電和充電情況，Ibat_max為蓄電池最大允許充電電流，Ubat_max和Ubat_min表示蓄電池的過充與過放電壓，本系統(tǒng)設(shè)定Ubat_max=115 V，Ubat_min=85 V，根據(jù)表1，得到能量流動示意圖。

直流微電網(wǎng)離網(wǎng)運行六種模式的功率分配示意圖如圖 2所示，其中 Pload、Pbat、Ppv分別表示負載所需功率、蓄電池儲能系統(tǒng)輸出功率、光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率。

模式一：當(dāng)夜間、陰雨天長時間運行時，光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有足夠能量提供給負載，光伏DC/DC變換器不工作，蓄電池尚未達到過放狀態(tài)仍能釋放能量，則由蓄電池儲能單元維持負荷的正常運行，運行在CVC模式穩(wěn)定直流母線。

表1 系統(tǒng)工作模式

模式二：光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的能量小于負荷所需的能量，光伏發(fā)電系統(tǒng)運行在最大功率點跟蹤（MPPT）模式，蓄電池未達到過放狀態(tài)，仍能釋放能量，蓄電池儲能系統(tǒng)CVC運行。光伏采用MPPT控制，提高能量利用率，不足能量由蓄電池儲能單元提供。

模式三：光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的能量大于負荷所需的能量，且蓄電池尚有能力接受能量則進入充電狀態(tài)，光伏發(fā)電系統(tǒng)提供能量多余負載所需以及蓄電池以最大允許充電電流充電所需能量，則光伏板運行在CVC模式，維持負荷的能量需求同時，蓄電池儲能系統(tǒng)以最大允許充電電流充電。

模式四：光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的能量大于負載所需能量，但不能滿足蓄電池以最大允許電流充電，則降低充電電流的限幅值，光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT運行，蓄電池儲能系統(tǒng)限幅充電。限幅充電值將由下面的公式推導(dǎo)出。

模式五：在模式三、四的基礎(chǔ)上，光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的能量滿足負荷所需的能量，多余能量供給蓄電池充電，但蓄電池容量已經(jīng)飽和或未達到充電條件而不具有接受多余能量的能力，則光伏發(fā)電系統(tǒng)CVC運行，蓄電池儲能系統(tǒng)截止，控制過程與模式一類似。

模式六：在模式二的蓄電池CVC運行過程中，若某一段長時間太陽光照過弱，蓄電池達到過放狀態(tài)而不能繼續(xù)放電，而光伏發(fā)電系統(tǒng)不足以提供足夠能量給負載，則只能選擇性切負荷，光伏MPPT運行將少量能量提供給重要負載，涉及到機械動作不做詳細討論。

2.2 光伏DC/DC變換器控制策略

光伏DC/DC變換器的兩端分別接在光伏陣列和直流母線側(cè)，控制策略如圖3所示，具有兩種工作模式，分別是最大功率點跟蹤 （maximum power point tracking，MPPT）模式以及對直流母線的恒壓（CVC）控制，MPPT算法是采用最大功率跟蹤法中的擾動控制觀察法，光伏陣列的P-V曲線類似拋物線，具有最大功率點，最大功率跟蹤就是通過檢側(cè)光伏陣列輸出側(cè)的電壓電流，使系統(tǒng)始終工作在最大功率點附近，達到能量的最大化利用。當(dāng)光伏陣列工作點在P-V特性曲線最大功率點的左側(cè)時，輸出功率隨著輸出電壓的增加而增加；當(dāng)工作點在最大功率點右側(cè)時，輸出功率隨輸出電壓的增加而減小。由此，采集光伏陣列輸出電壓、電流，經(jīng)過MPPT算法產(chǎn)生參考電壓，將其與實際電壓比較，并通過PI調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM調(diào)制波驅(qū)動開關(guān)管動作；模式二是當(dāng)光伏陣列發(fā)出功率充足時，足以提供負載所需功率以及蓄電池充電功率，此時光伏DC/DC變換器運行于恒壓控制CVC模式下，采用電壓閉環(huán)控制，用以維持直流母線電壓的穩(wěn)定。

2.3 蓄電池儲能單元充放電控制策略

蓄電池常規(guī)充電方式有恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電法。而恒壓限流充電法不僅可以避免恒流充電法在充電后期的過充電，而且還可以限制恒壓充電法在充電初期產(chǎn)生的大電流，是較為快速且實用的充電方法[7]。圖4為蓄電池儲能單元充電控制策略，電壓環(huán)的輸出經(jīng)過限幅環(huán)節(jié)后，作為電流內(nèi)環(huán)的給定值。充電初期電池電壓較低，給定值與實際值之間的誤差較大，達到限幅環(huán)節(jié)的限定值，此限定值就是恒流充電階段的電流給定值。隨著充電的持續(xù)進行，電池電壓逐漸升高，外環(huán)電壓的輸出減小，到限幅值以下時退出恒流充電過程，開始轉(zhuǎn)入恒壓充電過程。充電繼續(xù)進行，隨著蓄電池趨于飽和，充電電流不斷減小，直至蓄電池充滿為止。光伏陣列發(fā)出的能量小于負載所需的能量，光伏能量不足以維持直流母線電壓穩(wěn)定，光伏DC/DC變換器由CVC控制切換至MPPT控制，與此同時蓄電池投入運行，工作在放電模式下，維持母線電壓穩(wěn)定，蓄電池放電控制策略如圖5所示，儲能單元通過采集直流母線電壓與給定值比較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流幅值給定值再與蓄電池電流比較，經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)最終產(chǎn)生驅(qū)動信號。

2.4 能量流動管理

通過以上分析可知，直流微網(wǎng)母線電壓的穩(wěn)定，主要通過能量管理系統(tǒng)調(diào)節(jié)蓄電池充放電電流，同時調(diào)節(jié)光伏變換器工作模式，維持能量供需變化時直流微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[8]。

當(dāng)光伏陣列輸出功率充足，除滿足負載所需功率外還有剩余，為盡可能利用光伏陣列輸出的能量，提出一種新的能量管理策略：在充電初期，將最大允許充電電流值規(guī)定為蓄電池的恒流充電限幅值，光伏采用恒壓CVC控制，若直流母線電壓能夠維持穩(wěn)定，證明光伏輸出能量充足，則蓄電池繼續(xù)以限幅值恒流充電。若直流母線電壓跌落，光伏輸出功率趨于最大功率點，仍不足以維持蓄電池以最大允許電流充電，則降低充電電流限幅值。限幅值通過如下功率計算得到，即

光伏陣列輸出功率不足，所提供能量無法維持負荷正常工作時，能量管理策略為：將光伏DC/DC變換器由CVC模式切換至MPPT模式，控制其發(fā)出最大功率提供給負荷，圖6為光伏變換器的模式切換控制策略。與此同時，蓄電池儲能單元投入運行，工作在放電狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)蓄電池輸出電流穩(wěn)定直流母線電壓。放電過程中需要檢測蓄電池的端電壓和容量，防止因過放而損壞蓄電池或使其壽命降低。當(dāng)蓄電池達到過放狀態(tài)時便不再放電，儲能單元將退出運行。

3 實驗驗證

為了驗證本文所提出的直流微網(wǎng)系統(tǒng)的可行性及能量管理控制策略的有效性，根據(jù)上述控制原理，制作了負載功率為450 W的樣機，實驗系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

工作模式一下從半載加到滿載，以及從滿載突減到半載時的 Ubus、Ubat、Io、Ibat的實驗波形如圖 7 所示，從圖中可以看出，蓄電池雙向變換器工作在Boost升壓模式，穩(wěn)定直流母線電壓Ubus保持恒定。

工作模式二，蓄電池儲能系統(tǒng)CVC運行，光伏采用MPPT控制，光伏功率不滿足負載所需功率，蓄電池處于放電狀態(tài)，提供所缺少的能量。直流負載從半載加到滿載，以及從滿載突減到半載時的Ubus、Ubat、Io、Ibat的實驗波形如圖 8 所示。

表2 系統(tǒng)參數(shù)

模式三對應(yīng)光伏變換器CVC控制母線電壓，雙向變換器處于Buck工作模式，以最大允許充電電流充電，系統(tǒng)正常工作。當(dāng)負載從半載突加到滿載時，光伏陣列的電壓下降，當(dāng)負載從滿載突降到半載時，光伏陣列的電壓升高，實驗波形如圖9所示。模式四是當(dāng)光伏輸出功率大于負載功率，但不足以維持蓄電池以最大允許充電電流充電，此時光伏以MPPT模式運行，蓄電池限幅充電，如圖10所示。

當(dāng)系統(tǒng)在模式二或者模式四狀態(tài)運行時，若此時負載功率突降或者突增時，需要系統(tǒng)能夠自主切換工作模式，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的充放電流，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運行。圖11對應(yīng)蓄電池由充電到放電，以及由放電到充電自然切換時的實驗結(jié)果，雙向變換器之間快速切換，系統(tǒng)保持正常工作。

直流微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，需要對系統(tǒng)的狀態(tài)進行檢測判斷，在各個模式之間平滑切換，以維持直流母線電壓的穩(wěn)定。圖12所示為系統(tǒng)由模式一切換至模式二時的實驗波形，Ubus、Ubvt、Ppv、Ibat表示直流母線電壓、光伏陣列電壓、光伏輸出功率、蓄電池電流。初始階段，光伏DC/DC變換器不工作，由蓄電池單獨提供負載所需能量，維持母線電壓穩(wěn)定，直流負載處于半載250 W左右。某一時刻光伏功率突增到150 W，小于負載所需功率，此時光伏工作在MPPT模式，缺少能量由蓄電池運行在CVC模式提供。

圖13 表示系統(tǒng)由模式二切換至模式四時的實驗結(jié)果，光伏陣列最大功率由150 W增加到360 W，此時光伏能量大于負載所需，為維持母線電壓穩(wěn)定，多余能量經(jīng)由雙向變換器工作在Buck模式注入蓄電池，此時為限流充電。光伏功率繼續(xù)增大，如圖14所示，光伏功率由360 W突增，此時光伏陣列發(fā)出功率不僅滿足直流負載所需功率，同時滿足蓄電池以最大允許充電電流充電，為保證功率平衡及母線電壓穩(wěn)定，此時光伏DC/DC變換器將不再是MPPT控制，轉(zhuǎn)而切換為CVC控制直流母線電壓，而蓄電池以最大限幅值充電，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

從以上實驗結(jié)果可以看出，直流微網(wǎng)系統(tǒng)在各種情況下均可正常工作，光伏陣列以及蓄電池根據(jù)不同情況進行判斷并且自主切換模式，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的能量管理，驗證了系統(tǒng)能量管理控制策略的正確性和有效性。

4 結(jié)論

本文針對基于光伏發(fā)電的獨立直流微網(wǎng)系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)運行時的能量供需關(guān)系，提出了一種新的能量管理控制策略，光伏DC/DC變換器根據(jù)不同光照條件，在最大功率點跟蹤（MPPT）模式以及恒壓（CVC）模式之間切換運行，光伏與蓄電池儲能單元協(xié)調(diào)工作，直流微網(wǎng)系統(tǒng)利用蓄電池充放電抑制分布式能源輸出能量的波動以及負荷突變導(dǎo)致的能量供需變化，同時為直流負載提供電能，維持微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，實現(xiàn)能量的雙向流動。通過實驗結(jié)果可以得出，光伏輸出功率以及負載消耗功率變化時，直流微網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)迅速，過渡過程短，直流母線電壓控制穩(wěn)定，實驗結(jié)果表明所提出的控制策略正確有效。

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