直流微電網(wǎng)的能量管理

雷鵬娟，馬俊偉

(1．承德石油高等專科學校電氣與電子工程系，河北承德067000; 2．承德江鉆石油機械有限責任公司，河北承德067000)

直流微電網(wǎng)的能量管理

雷鵬娟1，馬俊偉2

(1．承德石油高等?？茖W校電氣與電子工程系，河北承德067000; 2．承德江鉆石油機械有限責任公司，河北承德067000)

直流微電網(wǎng)與交流微電網(wǎng)相比有其獨特的優(yōu)點，在直流微電網(wǎng)中，每個發(fā)電單元和儲能單元都經(jīng)過獨立的DC-DC變換器，將其產(chǎn)生的電能轉換為直流，并且并聯(lián)在直流母線端，以得到穩(wěn)定的電力輸出。針對超級電容功率密度大、循環(huán)壽命長以及蓄電池能量密度高、電壓平穩(wěn)的特點，設計了以光伏電池作為發(fā)電單元，超級電容和蓄電池作為儲能單元的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，研究了直流微電網(wǎng)的能量管理。實驗結果表明:通過超級電容和蓄電池的協(xié)調(diào)儲能可以實現(xiàn)系統(tǒng)中不同工作模式的自動切換，并保持直流母線電壓穩(wěn)定。

直流微電網(wǎng);能量管理;協(xié)調(diào)儲能;母線電壓穩(wěn)定

近幾年，隨著分布式發(fā)電系統(tǒng)的廣泛使用，交流微電網(wǎng)技術得到了迅速的發(fā)展。在交流微電網(wǎng)系統(tǒng)中，每個分布式發(fā)電單元與之連接都需要通過逆變器來實現(xiàn)，而逆變器之間則需要嚴格保持相同的頻率和相位，以保證發(fā)電單元并網(wǎng)運行，但是這會給系統(tǒng)控制帶來較大的難度，并且降低系統(tǒng)的可靠性。對于直流輸出型:如光伏電池、燃料電池、超級電容和蓄電池等可再生能源和儲能單元，需要經(jīng)過多級功率變換后與交流微電網(wǎng)連接，因此會增加額外的功率變換損耗，降低能源的利用效率，也不利于節(jié)能減排。直流微電網(wǎng)是解決上述難題的有效方法之一，而且直流微電網(wǎng)易于與直流輸出型能源和儲能設備連接，相比于傳統(tǒng)的交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)具有顯著的優(yōu)點:從直流輸出源到負載之間具有更少的功率變換級數(shù)、沒有交流微電網(wǎng)的同步問題、不會產(chǎn)生無功功率傳輸、直流微電網(wǎng)的控制僅取決于母線電壓。另外在直流微電網(wǎng)中，能量的優(yōu)化管理更容易實現(xiàn)，可以進一步提高能源利用率，對能源可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排具有更重要的意義。

目前，已有一些學者對直流微電網(wǎng)進行了研究，主要分析了直流分布式供電系統(tǒng)在工業(yè)應用中的機遇和挑戰(zhàn)，開展了有關直流系統(tǒng)接地和保護方面的研究。并針對不同的應用領域分析了低壓直流、中壓直流和高壓直流微電網(wǎng)的結構、控制和保護技術［1］。在文獻［2］中對直流微電網(wǎng)和交流微電網(wǎng)供電系統(tǒng)進行了效率的對比分析，針對同樣的負載條件，通過采集一年的實驗數(shù)據(jù)并對其進行分析計算，得出了直流微電網(wǎng)供電比交流微電網(wǎng)供電總損耗減少大約15%，驗證了直流微電網(wǎng)在節(jié)能方面的優(yōu)勢。

本文設計了由光伏電池作為發(fā)電單元、超級電容和蓄電池作為儲能單元的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，主要開展了分布式直流微電網(wǎng)的網(wǎng)絡結構、穩(wěn)定性、能量優(yōu)化管理的基本理論和控制方法的研究，并進行了相應的仿真驗證。

1　系統(tǒng)各微源的控制和能量管理

1．1光伏電池的MPPT控制

太陽能(光伏)電池是不穩(wěn)定的直流輸出源，其輸出特性受諸如日照強度、環(huán)境溫度等外界因素的影響，因此如何更好的利用太陽能電池陣列的能量就變?yōu)榱颂柲馨l(fā)電系統(tǒng)研究的重要方向，同時最大功率點跟蹤控制(MPPT:Maximum Power Point Tracking)也成為了必不可少的環(huán)節(jié)。MPPT的主要作用是使太陽能電池在任何當前日照條件下都可以輸出最大的功率，這樣可以提高系統(tǒng)的整體效率，對太陽能發(fā)電系統(tǒng)具有重大的意義。

最大功率點跟蹤控制，即實時的檢測太陽能電池的輸出功率，并運用一定的算法對該時刻輸出功率和下一時刻輸出功率進行比較，通過尋優(yōu)使其盡可能的穩(wěn)定在最大功率點處［3-4］。常見的MPPT控制方法有電導增量法、恒定電壓法、擾動觀察法、模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡法、遺傳算法等．本文選擇的是擾動觀察法，擾動觀察法是通過判斷擾動前與擾動后功率的大小來決定下一時刻擾動的變化方向，若擾動前后功率差ΔP＞0，則說明擾動方向正確，應當繼續(xù)按原方向進行擾動;若ΔP＜0，則說明擾動方向錯誤，應向反方向進行擾動。擾動觀察法的原理示意圖如圖1所示。

1．2雙向DC-DC變換器控制方式

充放電電路由直流母線和超級電容、蓄電池組成，每個充放電單元都包括雙向DC-DC變換電路和儲能裝置兩部分。對于雙向DC-DC電路，直流母線側均為高壓側，儲能裝置側為低壓側。本文中對于超級電容和蓄電池的充放電，采用的是雙向半橋Buck-Boost變換器［5］。當進行充電時，Buck-Boost變換器體現(xiàn)為Buck工作模式;當放電時，體現(xiàn)為Boost工作模式。具體電路如圖2所示。

圖2中，Vi為母線側電壓，Vo為儲能裝置的電壓，Q1、D2與L一起組成了Buck電路，Q2、D1與L則一起組成了Boost電路，正是通過對Q1、Q2兩開關占空比的控制實現(xiàn)了能量的雙向流動。

在充電時，為了限制超級電容器(或蓄電池)充電過程中的充電電流并對其進行控制，充電時采用電流內(nèi)環(huán)和母線電壓外環(huán)的雙環(huán)控制，同時為了兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求，外環(huán)和內(nèi)環(huán)控制均采用PI調(diào)節(jié)器。控制系統(tǒng)產(chǎn)生兩個互補的信號PWM1和PWM2來驅動Buck-Boost的功率開關管。本文結合超級電容和蓄電池的優(yōu)缺點，采取了超級電容優(yōu)先充電優(yōu)先放電的控制策略:即當由于光伏輸出突變或者是負載突變導致母線電壓高于期望值時，超級電容首先開啟充電過程，當超級電容充滿時蓄電池開始充電;當母線電壓低于設定的期望值時，超級電容首先開啟放電過程，當超級電容放電到達其過放電壓時，蓄電池開始放電。圖3和圖4是超級電容和蓄電池的充電控制框圖。

1．3直流微電網(wǎng)的能量管理體系結構

在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中(本文設計的為光伏系統(tǒng))，維持直流微電網(wǎng)自身的穩(wěn)定運行，主要是通過光伏電池側的變流器以及超級電容和蓄電池的充放電實現(xiàn)的［6］。圖5為本文設計的直流微電網(wǎng)單元的能量管理控制系統(tǒng)。

在光伏系統(tǒng)中，光伏電池有最大功率和恒壓運行兩種工作模式，超級電容和蓄電池作為儲能器件，有充電和放電兩種模式。光伏電池工作在哪種方式是通過超級電容和蓄電池的狀態(tài)來選擇:超級電容和蓄電池都未充滿時，光伏電池工作在MPPT方式;當兩者都充滿時，光伏電池退出MPPT模式并轉為恒壓控制。

2　系統(tǒng)仿真分析

為了驗證提出的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的能量管理控制策略的有效性和可行性，設計了系統(tǒng)的仿真模型。本文選擇的單塊光伏電池輸出的最大功率約為60．5 W(該最大功率為光伏電池在光照強度S= 1 000 W/m2、溫度T=25℃的環(huán)境條件下得到的)，為了得到所需要的光伏輸出功率，把光伏電池板進行了串并聯(lián)(5*2的方式)。通過在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建的仿真模型得到了如下所示的波形。

圖7中:P1為光伏電池直接輸出的最大功率，P為經(jīng)過Boost電路變換后輸出的功率，從仿真圖也可以看出:在此負載條件下，光伏輸出的最大功率約為590 W(減少的功率部分為線路上的其他元器件所損耗)。

直流母線電壓設定的期望值為80 V，超級電容和蓄電池的過充電壓分別為71．5 V與73 V，過放電壓分別為69 V與68 V。當Boost輸出端電壓高于80 V時，啟動充電過程，在充電過程中，當直流母線電壓驟降為67．3 V，之后啟動放電過程，由超級電容或者蓄電池來補充負載不足的功率，使母線電壓重新穩(wěn)定在80 V(在此過程中，光伏輸出功率保持不變)，仿真結果如圖8所示。

在蓄電池放電過程中，切除部分負載后，母線電壓發(fā)生變化，之后蓄電池停止放電，超級電容重新進入了充電狀態(tài)。仿真結果如圖9所示。從圖中可看出:在超級電容和蓄電池充電-放電-充電的切換過程中，母線電壓雖然有短時間的變化，但很快便恒定下來，并保持80 V不變，而且在切換過程中，超級電容始終保持優(yōu)先充電優(yōu)先放電的順序，這也體現(xiàn)了兩者在控制邏輯上的正確性。

由于光伏電池有MPPT和恒壓工作兩種模式，而其工作在哪種方式是通過超級電容和蓄電池的狀態(tài)來選擇:超級電容和蓄電池都未充滿時，光伏電池工作在MPPT方式;當兩者都充滿時，光伏電池退出MPPT模式進行恒壓控制。圖10為相應的仿真結果。

從仿真結果可以很清楚的看出:無論光伏電池和超級電容、蓄電池處于哪種狀態(tài)，直流母線都可以很穩(wěn)定的保持在設定的期望值80 V，這樣不僅使直流母線電壓可以維持恒定，進而說可以使直流微電網(wǎng)單元穩(wěn)定，最終也實現(xiàn)了直流微電網(wǎng)的能量管理。

3　結論

本文搭建了包括光伏電池、蓄電池和超級電容組成的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，這些微源通過直流分布式總線連接在一起，各單元產(chǎn)生的電力可以通過直流總線共享。根據(jù)超級電容和蓄電池的特點選擇了超級電容優(yōu)先充電優(yōu)先放電的充放電優(yōu)先級順序，在此基礎上，提出了直流微電網(wǎng)單元的能量管理策略并進行了MATLAB仿真驗證。通過仿真結果表明了該控制策略可以很好的實現(xiàn)直流微電網(wǎng)的能量優(yōu)化管理，也驗證了提出的能量管理策略的可行性。

［1］M．Saeedifard，M．Graovac，R．F．Dias，R．Iravani．DC power systems:Challenges and Opportunities［C］．Power and Energy Society General Meeting，2010．

［2］H．Kakigano，M．Nomura，T．Ise．Loss evaluation of DC distribution for residential houses compared with AC system［C］．International Power Electronics Conference，2010．

［3］鄭必偉，陳慶彬，毛行奎．基于BOOST電路的光伏陣列最大功率點跟蹤仿真研究［J］．UPS應用，2009(12):25－32．

［4］劉觀起，游曉科，楊玉新，等．光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤方法研究綜述［J］．新能源，2012(2):18－22．

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

［6］溫鎮(zhèn)，胡仁杰，蔣瑋．獨立光伏系統(tǒng)中超級電容器充電電路設計［J］．電工電氣，2011(1):9－16．

簡訊

我校獲批兩項承德高新區(qū)科技計劃項目12月31日，由我校楊洋主持申報的“基于光纖海纜的海底油氣管道安全預警系統(tǒng)”、武寒松與博冠儀器儀表研發(fā)中心聯(lián)合申報的“新型陽極定位裝置”項目獲得承德市高新區(qū)科技局批準，到校經(jīng)費共40萬元。

我校承接兩項橫向研究課題日前，由我校黨委副書記曹廣輝主持的“高職生創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)研究”項目、招生就業(yè)處李煥旭主持的“大數(shù)據(jù)背景下高校招生就業(yè)工作運行體系的研究”項目獲得新疆克拉瑪依市教育局批準立項，到校經(jīng)費共計71萬元。

Research on Energy Management for DC Micro-Grid

LEI Peng-juan1，MA Jun-wei2
(1．Department of Electrical and Electronic Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China; 2．Chengde Kingdream Machinery Co．，Ltd，Chengde 067000，Hebei，China)

Compared to the previous AC micro power grid，there are many advantages in DC micro power grid．In the DC micro power grid，in order to get stable power output，each power generation unit and energy storage unit need an independent DC-DC converter，which will produce a power conversion for DC and parallel in the DC bus terminal．In this paper，the DC micro grid energy management which made the photovoltaic battery as a power unit，super capacitor and battery as energy storage unit has been studied．The experimental results prove that the different working modes can be switched automatically and the stability of the bus voltage can be maintained by the coordination of energy storage system which is composed of super capacitor and battery．

DC micro power grid;energy management;coordination of energy storage;bus voltage stability

TM72

A

1008-9446(2015)01-0034-05

2014-09-12

雷鵬娟(1986－)，女，山西汾陽人，承德石油高等?？茖W校電氣與電子工程系教師，主要從事電力電子與電力傳動研究工作。