基于可持續(xù)建筑與插電式混合電動汽車的直流微電網(wǎng)研究

孟　明，郭明偉，原亞寧

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定　071003)

Research of DC Microgrid Based on Sustainable Building and Plug-in Electric and Hybrid VehiclesMENG Ming, GUO Mingwei, YUAN Yaning

(School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

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基于可持續(xù)建筑與插電式混合電動汽車的直流微電網(wǎng)研究

孟明，郭明偉，原亞寧

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003)

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)和城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，建筑能耗逐漸提高，而建筑能耗帶來的能源危機(jī)和環(huán)境污染[1]等問題也越來越嚴(yán)峻?？沙掷m(xù)建筑基于可持續(xù)發(fā)展觀，旨在節(jié)約化石能源、減少污染、降低環(huán)境負(fù)荷，能源供應(yīng)大部分由太陽能和風(fēng)能等可再生能源實現(xiàn)。但這些可再生能源一般都具有不穩(wěn)定、不連續(xù)的特點(diǎn)，利用這種能源發(fā)出的電能往往電能質(zhì)量不高，容易出現(xiàn)電壓波動和閃變，因此國家電網(wǎng)公司對分布式電源直接接入集中式大電網(wǎng)制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)[2]，阻礙了可再生能源的利用和發(fā)展。

微電網(wǎng)作為一種新型的電網(wǎng)形式，能夠很好地兼容各種分布式電源，同時為網(wǎng)內(nèi)用戶提供高質(zhì)量的電能。微電網(wǎng)是相對傳統(tǒng)大電網(wǎng)的一個概念，包括微電源、負(fù)荷、儲能等內(nèi)容。它能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤島運(yùn)行。目前微電網(wǎng)主要以交流形式存在[3]，但是隨著越來越多的用電設(shè)備趨于使用直流電以及各類直流輸出型分布式電源的快速發(fā)展，直流微電網(wǎng)得到了廣泛的關(guān)注與研究[4-7]。

相對于交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)便于新能源發(fā)電裝置的接入，具有更高的供電可靠性[8]。它對分布式電源的控制要求較低，無需考慮相位、頻率等因素[9-10]，而且直流微電網(wǎng)變流裝置數(shù)目減少很多，系統(tǒng)成本和損耗也隨之大幅降低。如果建筑用電全部來自于直流配電網(wǎng)絡(luò)，利用轉(zhuǎn)換效率超過90%的電力電子器件進(jìn)行一次性轉(zhuǎn)換，然后供建筑中設(shè)備使用，那么相對于交流配電網(wǎng)絡(luò)該建筑的電力消耗可削減10%～20%左右[11]。

作為微電網(wǎng)的重要組成部分，儲能裝置可以平抑負(fù)荷波動、改善電網(wǎng)供電質(zhì)量，但儲能電池的容量和經(jīng)濟(jì)性嚴(yán)重制約了微電網(wǎng)發(fā)展。電動汽車不僅能夠有效降低能源消耗和溫室氣體的排放，而且可作為分布式儲能單元，增加儲能容量，參與平抑電網(wǎng)的負(fù)荷波動。然而，電動汽車的無序充電也會給電網(wǎng)帶來負(fù)面沖擊，加劇電網(wǎng)負(fù)荷波動和能量損耗，使經(jīng)濟(jì)效益惡化[12]，因此電動汽車有序充電控制[13]便顯得尤為重要。特別是隨著V2G(Vehicle to Grid)技術(shù)[14]的發(fā)展，電動汽車得以在受控狀態(tài)下實現(xiàn)與電網(wǎng)的雙向能量和信息的交換功能，有序充電的應(yīng)用使電動汽車成為電網(wǎng)中的參與者，大大緩解了可再生能源波動及電網(wǎng)效率低的問題。

目前，在直流樓宇技術(shù)[8,11]、基于大電網(wǎng)的電動汽車有序充電控制[13,15-16]以及包含電動汽車的微電網(wǎng)關(guān)鍵問題分析[17-19]、經(jīng)濟(jì)性分析[20-21]等方面，均已有初步的結(jié)論和成果，但具體工況下微電網(wǎng)的運(yùn)行模式、控制策略、電動汽車充電管理等方面尚需進(jìn)一步的研究和可行性驗證。

本文將直流微電網(wǎng)應(yīng)用于可持續(xù)建筑，考慮插電式混合電動汽車的接入，針對不同工況制定相應(yīng)的控制策略，以實現(xiàn)電動汽車有序充電管理，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，改善直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量。首先，建立應(yīng)用于可持續(xù)建筑的直流微電網(wǎng)的基本模型，確定系統(tǒng)運(yùn)行模式。其次，闡述系統(tǒng)內(nèi)相應(yīng)模塊的控制方式。最后，通過Matlab/simulink對系統(tǒng)在不同模式下的運(yùn)行特性分別進(jìn)行模擬，驗證系統(tǒng)的正確性和可行性。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行模式

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于可持續(xù)建筑與插電式混合電動汽車的直流微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　可持續(xù)建筑中直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

直流微電網(wǎng)為雙層式母線結(jié)構(gòu)：一級母線電壓為380V，接有光伏發(fā)電模塊、并網(wǎng)模塊、儲能模塊、電動汽車充放電模塊、交流/直流負(fù)荷(洗衣機(jī)、微波爐等)模塊；二級母線是在一級母線基礎(chǔ)上由變流器變流所得，電壓為48V，主要為手機(jī)、筆記本電腦等設(shè)備供電。

1.2運(yùn)行模式

根據(jù)光伏發(fā)電及電動汽車充電的實際運(yùn)行，可將系統(tǒng)分為日間孤島、日間并網(wǎng)和夜間并網(wǎng)3種運(yùn)行模式。

1.2.1日間孤島、并網(wǎng)運(yùn)行

定義日間運(yùn)行時段為6:00～18:00，在此期間，認(rèn)為可持續(xù)建筑用電負(fù)荷基本保持平穩(wěn)，光伏模塊工作在最大功率輸出模式。

日間運(yùn)行時段內(nèi)系統(tǒng)分為孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種模式。系統(tǒng)孤島運(yùn)行時，建筑用電力全部由光伏模塊供應(yīng)，儲能電池起平衡功率差的作用，但受限于儲能電池的容量。系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時，光伏模塊繼續(xù)向建筑提供電能，其中功率差額由大電網(wǎng)補(bǔ)償，儲能電池則處于充電狀態(tài)，直至充電完成。儲能電池參與平衡的網(wǎng)內(nèi)功率差值為

(1)

式中：PB為儲能電池吸收/釋放功率；PG、PPV分別為大電網(wǎng)、光伏模塊提供功率；其中當(dāng)系統(tǒng)孤島運(yùn)行時PG為0；PL為負(fù)荷消耗總功率。

1.2.2夜間并網(wǎng)運(yùn)行

定義夜間運(yùn)行時段為18:00～6:00，其中負(fù)荷高峰時段為18:00～23:00，此時段電價較高；負(fù)荷低谷時段為23:00～6:00，此時段電價較低。由于夜間光伏模塊停止工作，在不考慮大電網(wǎng)故障等因素的條件下，認(rèn)為該運(yùn)行時段內(nèi)系統(tǒng)只能并網(wǎng)運(yùn)行。此時大電網(wǎng)向可持續(xù)建筑提供電能，以保證系統(tǒng)功率平衡。由私家車出行時間分布規(guī)律[22]可知，電動汽車一般于夜間負(fù)荷高峰時段開始并入直流微電網(wǎng)。

在負(fù)荷高峰時段，儲能電池與電動汽車動力電池處于放電狀態(tài)，為負(fù)荷提供電能，以減少可持續(xù)建筑在高電價時段的用電量。在負(fù)荷低谷時段，儲能電池與電動汽車處于充電狀態(tài)，以增加此時段的負(fù)荷率，降低網(wǎng)絡(luò)損耗，同時由于電動汽車在低電價時段進(jìn)行充電，亦可降低用戶充電成本，提高系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)性。

夜間并網(wǎng)運(yùn)行模式下直流微電網(wǎng)與大電網(wǎng)交換的功率為

(2)

式中：PEV為電動汽車充/放電功率。

2控制策略

2.1儲能電池與電動汽車模塊

在日間運(yùn)行時段，系統(tǒng)孤島運(yùn)行時，為避免各儲能變換器之間產(chǎn)生環(huán)流以及控制直流母線電壓的穩(wěn)定，本文基于電壓下垂策略[23]對儲能電池進(jìn)行控制。直流母線額定運(yùn)行電壓范圍為360V～400V，此時儲能電池采用電壓下垂控制進(jìn)行充放電；當(dāng)直流母線電壓高于400V時，則切換控制方式采用橫流方式充電；當(dāng)直流母線電壓低于360V時，采用橫流方式放電。系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時，儲能電池采用橫流方式充電。

在夜間運(yùn)行時段，系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，對儲能電池和電動汽車模塊進(jìn)行有序充電控制，即當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于負(fù)荷高峰時段時，均采用橫流方式放電；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于負(fù)荷低谷時段時，均采用橫流方式充電。

另外，當(dāng)儲能電池與電動汽車動力電池荷電狀態(tài)低于或高于限值時，充放電變換器停止工作。充放電控制模型如圖2所示，其中電壓下垂控制外環(huán)為虛擬阻抗輸出環(huán)，即下垂環(huán)節(jié)，內(nèi)環(huán)包括電壓環(huán)和電流環(huán)兩部分。輸出電壓參考值Udc_ref和虛擬阻抗k可分別按下面公式求得[24]

(3)

(4)

式中：Uo為空載輸出電壓；Io為輸出電流；ev為最大允許電壓偏移值；imax為最大輸出電流。

圖2　充放電控制

2.2光伏發(fā)電模塊

光伏組件通過Boost變換器并入直流微電網(wǎng)，向直流母線輸出380V電壓。光伏發(fā)電模塊采用MPPT控制[25]，控制模型如圖3所示。使用傳感器測量PV電壓UPV和電流IPV，輸入MPPT控制器，通過小步長擾動尋找到光伏組件輸出最大功率點(diǎn)后，發(fā)出控制信號，經(jīng)PWM模塊轉(zhuǎn)化為Boost電路開關(guān)管的驅(qū)動信號，調(diào)節(jié)占空比D，從而調(diào)節(jié)輸入電壓UPV，使光伏組件的最大電壓維持在最大功率點(diǎn)附近，達(dá)到能量最佳利用。

圖3　光伏發(fā)電MPPT控制

2.3并網(wǎng)模塊

當(dāng)直流微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時，直流母線電壓主要依靠大電網(wǎng)支撐，因此并網(wǎng)接口電路必須具有實現(xiàn)能量的雙向流動能力。文中采用三相SVPWM整流器實現(xiàn)與交流電網(wǎng)的連接[26]。整流器采用雙閉環(huán)控制，首先將有功和無功進(jìn)行解耦，然后利用電壓外環(huán)控制及電流內(nèi)環(huán)控制實現(xiàn)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的可靠交互，控制模型如圖4所示。

圖4　雙向SVPWM控制

3Matlab/simulink仿真

為了驗證基于可持續(xù)建筑與插電式混合電動汽車的直流微電網(wǎng)的可行性，本文對該系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的時域仿真，模擬其在日間和夜間的運(yùn)行特性。

儲能電池和電動汽車動力電池均采用額定電壓160V、額定容量150Ah的鉛酸蓄電池，SOC初始值分別為80%、60%。一級直流母線額定電壓380V，二級直流母線額定電壓48V。

3.1日間孤島、并網(wǎng)運(yùn)行仿真分析

圖5　日間運(yùn)行時段系統(tǒng)輸出特性

如圖5所示，仿真初期，光伏發(fā)電模塊提供功率10kW，負(fù)荷消耗功率約6kW，剩余的4kW為儲能電池充電功率。由圖5(a)可以看出，第8s時太陽光照強(qiáng)度降低，光伏發(fā)電模塊發(fā)出的功率由10kW降至2kW，此時產(chǎn)生的功率缺額由儲能電池放電補(bǔ)償，以滿足網(wǎng)內(nèi)功率平衡的需要，如圖5(b)、(c)所示。第12s時，微電網(wǎng)并入交流電網(wǎng)，此時儲能電池處于充電狀態(tài)，充電功率約為6kW，交流電網(wǎng)向微電網(wǎng)提供功率缺額10kW，如圖5(c)、(d)所示。由圖5(e)可以看出，系統(tǒng)在孤島、并網(wǎng)運(yùn)行時，一、二級直流母線電壓基本維持在額定范圍以內(nèi)，故可以判斷系統(tǒng)各模塊控制策略有效，采用直流微電網(wǎng)能夠為可持續(xù)建筑提供高質(zhì)量的電能。

3.2夜間并網(wǎng)運(yùn)行仿真分析

如圖6所示，仿真初期，負(fù)荷消耗功率處于高峰時段，約為10kW，而由交流電網(wǎng)提供的功率僅約為5kW，其功率缺額由儲能電池與電動汽車動力電池放電補(bǔ)償。由圖6(a)可以看出，第10s時，負(fù)荷消耗功率進(jìn)入低谷時段，約為3kW，此時儲能電池與電動汽車動力電池進(jìn)入充電狀態(tài)，在電池能量管理系統(tǒng)調(diào)節(jié)下，充電功率分別約為3kW和4kW，如圖6(c)、(d)所示，系統(tǒng)所需功率全部由交流電網(wǎng)提供，約為10kW，如圖6(b)所示。

由圖6可以看出，采用有序充電控制策略，可有效使儲能電池和電動汽車動力電池于負(fù)荷高峰時放電、低谷時充電，在優(yōu)化交流電網(wǎng)電力負(fù)荷曲線、提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的同時，也保證了一、二級直流母線電壓在額定范圍之內(nèi)，提高了可持續(xù)建筑的供電質(zhì)量。

圖6　夜間運(yùn)行時段系統(tǒng)輸出特性

4結(jié)束語

本文建立了一種基于可持續(xù)建筑與插電式混合電動汽車的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)各模塊在日間孤島、日間并網(wǎng)及夜間并網(wǎng)3種模式下的運(yùn)行方式，并制定了相應(yīng)的控制策略。最后通過Matlab/simulink對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得到以下結(jié)論：

① 不同工況下，微電網(wǎng)內(nèi)各個模塊能夠根據(jù)控制要求做出正確響應(yīng)，將直流母線電壓維持在額定范圍以內(nèi)，改善了可持續(xù)建筑的供電可靠性，同時微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和控制策略的正確性也得到了驗證。

② 在有序充電控制下，電動汽車和儲能電池得以在負(fù)荷高峰時段放電，負(fù)荷低谷時段充電，既實現(xiàn)了削峰填谷，維持了直流母線電壓穩(wěn)定，又提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

[1]龍惟定.建筑能耗比例與建筑節(jié)能目標(biāo)[J].中國能源，2005，27(10)：23-27.

[2]Q/GDW 480—2010 分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定[S].2010.

[3]Barnes M，Kondoh J，Asano H，et al.Real-world microgrids-an overview[C].IEEE International Conference on System of Systems Engineering， San Antonio，USA，2007：1-8.

[4]薛貴挺，張焰，祝達(dá)康.孤立直流微電網(wǎng)運(yùn)行控制策略[J].電力自動化設(shè)備，2013，33(3)：112-117.

[5]吳衛(wèi)民，何遠(yuǎn)彬，耿攀，等.直流微網(wǎng)研究中的關(guān)鍵技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報，2012，27(1)：98-106.

[6]Kakigano H，Miura Y，Ise T，et al.DC Micro-grid for Super High Quality Distribution—System Configuration and Control of Distributed Generations and Energy Storage Devices[C].37th IEEE Conference on Power Electronics Specialists，2006：1-7.

[7]Sannino A，Postiglione G，Bollen M H J.Feasibility of a DC network for commercial facilities[C].37th IEEE Conference on Industry Applications，Pittsburgh，USA，2002，3：1710-1717.

[8]施婕，艾芊.直流微電網(wǎng)在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代建筑電氣，2010，1(6)：47-51.

[9]Ito Y，YANG Zhongqing，Akagi H.DC microgrid based distribution power generation system[C].IEEE International Conference on Power Electronics and Motion Control，2004，3：1740-1745.

[10]Schonberger J，Duke R，Round S D.DC-bus signaling： A distributed control strategy for a hybrid renewable nanogrid[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53(5)：1453-1460.

[11]謝少軍，肖華鋒，羅運(yùn)虎.直流樓宇技術(shù)初議[J].電工技術(shù)學(xué)報，2012，27(1)：107-113.

[12]Kristien C N，Edwin H，Johan D.The impact of charging plug-in hybrid electricvehicles on a residential distribution grid[J].IEEE Transactions on Power Systems，2010，25(1)：371-380.

[13]葛少云，黃镠，劉洪.電動汽車有序充電的峰谷電價時段優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(10)：1-5.

[14]劉曉飛，張千帆，崔淑梅.電動汽車V2G技術(shù)綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報，2012，27(2)：121-127.

[15]李秋碩，肖湘寧，郭靜，等.電動汽車有序充電方法研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36(12)：32-38.

[16]張明霞，田立亭.一種基于需求分析的電動汽車有序充電實施架構(gòu)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41(3)：118-122.

[17]肖湘寧，陳征，劉念.可再生能源與電動汽車充放電設(shè)施在微電網(wǎng)中的集成模式與關(guān)鍵問題[J].電工技術(shù)學(xué)報，2013，28(2)：1-14.

[18]陳征，肖湘寧，路欣怡，等.含光伏發(fā)電系統(tǒng)的電動汽車充電站多目標(biāo)容量優(yōu)化配置方法[J].電工技術(shù)學(xué)報，2013，28(6)：238-248.

[19]張穎達(dá)，劉念，張建華，等.含電動汽車充電站的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)容量優(yōu)化配置[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41(15)：126-134.

[20]茆美琴，孫樹娟，蘇建徽.包含電動汽車的風(fēng)/光/儲微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，35(14)：30-35.

[21]曹一家，苗軼群，江全元.含電動汽車換電站的微電網(wǎng)孤島運(yùn)行優(yōu)化[J].電力自動化設(shè)備，2012，32(5)：1-6.

[22]項頂，宋永華，胡澤春，等.電動汽車參與 V2G 的最優(yōu)峰谷電價研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2013，33(31)：15-25.

[23]王毅，張麗榮，李和明，等.風(fēng)電直流微網(wǎng)的電壓分層協(xié)調(diào)控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2013，33(4)：16-24.

[24]Guerrero J M，Vasquez J C，Matas J，et al.Hierarchical control of droop-controlled AC and DC microgrids—a general approach toward standardization[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58(1)：158-172.

[25]Sun K，Zhang L，Xing Y，et al.A distributed control strategy based on DC bus signaling for modular photovoltaic generation systems with battery energy storage[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(10)：3032-3045.

[26]毛韶華，胡青龍，吳笛.電網(wǎng)不平衡和 SVPWM 環(huán)境下直流側(cè)諧波抑制的研究[J].西華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，27(2)：55-57.

孟明(1967—)，男，博士，副教授，研究方向為新能源發(fā)電、智能微電網(wǎng)、電機(jī)與控制等，E-mail:mmwxp@126.com;

郭明偉(1989—)，男，碩士研究生，研究方向為新能源發(fā)電、智能微電網(wǎng)，E-mail:gmw1989@163.com。

(責(zé)任編輯：林海文)

Research of DC Microgrid Based on Sustainable Building and Plug-in Electric and Hybrid VehiclesMENG Ming, GUO Mingwei, YUAN Yaning

(School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

摘要：為提高可持續(xù)建筑的供電可靠性，結(jié)合電動汽車可作為分布式儲能單元的特性，提出了基于可持續(xù)建筑與插電式混合電動汽車的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)。根據(jù)光伏發(fā)電及電動汽車充電的實際運(yùn)行，將系統(tǒng)分為日間孤島、日間并網(wǎng)及夜間并網(wǎng)3種模式，提出了各個模塊在不同模式下的運(yùn)行方式和控制策略。實現(xiàn)了電動汽車的有序充電，達(dá)到了削峰填谷的目的，改善了微電網(wǎng)的供電質(zhì)量，提高了供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。仿真結(jié)果驗證了系統(tǒng)及控制方法的有效性。

關(guān)鍵詞：可持續(xù)建筑；電動汽車；直流微電網(wǎng)；有序充電；供電質(zhì)量

Abstract：In order to improve the power supply reliability of sustainable buildings, DC microgrid based on sustainable building and plug-in electric and hybrid vehicles (PHEVs) is presented by taking the characteristics of electric vehicles (EVs) as distributed energy storage units. Based on the actual operation of photovoltaic (PV) generation and EV charging, the system operation is divided into three operation modes, which are islanded mode at daytime, grid-connected mode at daytime and grid-connected mode at night. In addition, operation modes and control strategies of each module under different modes are proposed, which realize coordinated charging of PHEVs, achieve the purpose of peak-load shifting, and improve both power quality and economics of the microgrid. Simulation results verify the feasibility of the proposed DC microgrid and control strategy.

Keywords：sustainable building; electric vehicle (EV); DC microgrid; coordinated charging; power supply quality

作者簡介：

收稿日期：2014-06-23

文章編號：1007-2322(2015)01-0019-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號：TM7