直流微網(wǎng)供電系統(tǒng)控制技術(shù)研究

周廣玉，高 騰

1.泰安航天特種車有限公司，山東 泰安 271000；2.武漢永力睿源科技有限公司，湖北 武漢 430025

直流微網(wǎng)供電系統(tǒng)控制技術(shù)研究

周廣玉1，高 騰2*

1.泰安航天特種車有限公司，山東 泰安 271000；2.武漢永力睿源科技有限公司，湖北 武漢 430025

根據(jù)風(fēng)能發(fā)電與太陽能發(fā)電的相輔特性以及蓄電池的儲能特性，構(gòu)建了一套多電源供電的直流微網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電模型.通過對此系統(tǒng)的能量流動及運行特性的分析，提出了此系統(tǒng)的能量管理方案.分別繪制出了直流微網(wǎng)各組成部分的模塊方框圖以及仿真模型.針對逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)得出了其控制的數(shù)學(xué)模型，采用基于SVPWM的電壓電流雙閉環(huán)控制實現(xiàn)了微網(wǎng)在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種運行模式下的穩(wěn)定運行和自動平滑切換.最后通過仿真測試驗證了分布式電源、蓄電池、負載以及電網(wǎng)在不同的工況下此能源控制方案的可行性，實現(xiàn)了此供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行.

風(fēng)力發(fā)電；太陽能發(fā)電；蓄電池；直流微網(wǎng)；供電系統(tǒng)控制技術(shù)

新能源的開發(fā)和利用是當前社會發(fā)展進步的一個重要環(huán)節(jié).風(fēng)能和太陽能做為可再生能源，在時間和空間上具有互補的特性，開發(fā)風(fēng)與光互補復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)可以最大限度地利用風(fēng)能和太陽能，是新能源開發(fā)利用的有效途徑［1-2］.

由于分布式發(fā)電系統(tǒng)是一個不被控制的單元，并且電網(wǎng)為了減小其它能源對其帶來的干擾采取限定和隔離的工作模式，這樣就大大降低了分布式能源的利用效率［3］.為了讓分布式能源與電網(wǎng)的矛盾得到解決，提高分布式發(fā)電系統(tǒng)的利用率，以分布式電源為主導(dǎo)的直流微網(wǎng)系統(tǒng)得到了人們的關(guān)注.其功能特點主要表現(xiàn)為：

1）微網(wǎng)能夠補償電網(wǎng)的一些缺陷.比如電網(wǎng)正常工作時電壓和頻率會出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，微網(wǎng)可以維持其穩(wěn)定運行.電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，微網(wǎng)也可以離網(wǎng)運行，起到不間斷供電的作用.并且微網(wǎng)還可以對一些偏遠的地方提供供電，彌補了電網(wǎng)供電的局限性.

2）微網(wǎng)可以改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量.微網(wǎng)系統(tǒng)大部分都采用的是電力電子設(shè)備，因此它可以提供給一些有特別電能需求的用戶使用［5］.

1 直流微網(wǎng)系統(tǒng)

以太陽能光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電做為分布式供電能源，蓄電池做為分布式電源的儲能設(shè)備來構(gòu)建一套多電源供電的直流微網(wǎng)系統(tǒng).其中太陽能發(fā)電系統(tǒng)采用MPPT控制可實現(xiàn)光能的最大利用，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用最大風(fēng)能捕捉可實現(xiàn)風(fēng)能的最大利用.逆變器采用SVPWM電壓、電流雙閉環(huán)控制，可實現(xiàn)微網(wǎng)在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種工作模式之間的來回切換.該系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的不同用電需求來靈活配置使用［6-11］，使得系統(tǒng)具有可調(diào)度性.

2 直流微網(wǎng)系統(tǒng)的能量管理

直流微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，從圖1中可以看出直流微網(wǎng)供電系統(tǒng)的能量主要來自于風(fēng)能和太陽能，蓄電池在供電充足的情況下吸收剩余部分的能量［12-15］；當風(fēng)能和太陽能提供的能量不足時，蓄電池將釋放其存儲的能量，從而保證了微網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量.為了合理分配系統(tǒng)在不同的外界環(huán)境條件下的能量流動形式，歸納設(shè)計了9種工作模式，其控制流程如圖2所示.

圖1 直流微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of direct current micro grid

圖2 微網(wǎng)供電系統(tǒng)控制流程圖Fig.2 Control flowchart of micro power system

其中Pin為分布式電源輸入功率、P1為重要負載所需要的功率，P2為一般負載所需要的功率、Pout為重要負載和一般所需的總功率.

電網(wǎng)正常供電時：

模式1：分布式電源供電（Pin）大于總負載所需的能量（Pout）并且蓄電池電能容量為100%時，雙向DC∕DC不工作，輸入能量全部并網(wǎng)逆變，維持母線電壓（800 V）穩(wěn)定.

模式2：分布式電源供電（Pin）大于總負載所需的能量（Pout）并且蓄電池電能容量小于100%時，雙向DC∕DC處于Buck工作模式，輸入能量一部分給電池充電，一部分并網(wǎng)逆變，維持母線電壓（800 V）穩(wěn)定.

模式3：分布式電源供電（Pin）小于總負載所需的能量（Pout）時，無論電池處于何種狀態(tài)雙線DC∕DC都不工作，輸入能量全部并網(wǎng)逆變，剩余能量由電網(wǎng)提供，且維持母線電壓（800 V）穩(wěn)定.

電網(wǎng)異常時：

模式4：分布式電源供電（Pin）大于總負載所需的能量（Pout）并且蓄電池電能容量為100%時，雙向DC∕DC不工作，輸入能量全部離網(wǎng)逆變，維持母線電壓（800 V）穩(wěn)定.

模式5：分布式電源供電（Pin）大于總負載所需的能量（Pout）并且蓄電池電能容量小于100%時，雙向DC∕DC處于Buck工作模式，輸入能量一部分給電池充電，一部分離網(wǎng)逆變，維持母線電壓（800 V）穩(wěn)定.

模式6：分布式電源供電（Pin）小于總負載所需的能量（Pout）大于重要負載所需的能量（P1）并且電池電能容量不少于25%時，電池放電，雙向DC∕DC處于Boost工作模式，輸入能量全部離網(wǎng)逆變，維持母線電壓（800 V）穩(wěn)定.

模式7：分布式電源供電（Pin）小于總負載所需的能量（Pout）大于重要負載所需的能量（P1）并且電池電能容量小于25%時，為了延長電池的壽命電池停止放電，雙向DC∕DC不工作，輸入能量全部離網(wǎng)逆變，斷路器斷開一般負載供電電路，維持母線電壓（600 V）穩(wěn)定.

模式8：分布式電源供電（Pin）小于總負載所需的能量（Pout）且小于重要負載所需的能量（P1）、并且電池電能容量不少于25%時，電池放電，雙向DC∕DC處于Boost工作模式，輸入能量全部離網(wǎng)逆變，斷路器斷開一般負載供電電路，維持母線電壓（600 V）穩(wěn)定.

模式9：分布式電源供電（Pin）小于總負載所需的能量（Pout）且小于重要負載所需的能量（P1）、并且電池電能容量小于25%時，此時能量已經(jīng)不滿足逆變的要求，電池停止放電，雙向DC∕DC不工作，逆變器停止工作.

綜上所述可以得出系統(tǒng)在不同的運行環(huán)境條件下，可利用DC∕DC具備能量的雙向流動特性來實現(xiàn)電池充放電的可靠運行.當電網(wǎng)供電正常時，為了延長電池壽命，無論在什么情況下電池均不提供能量，只有在離網(wǎng)且分布式電源供電不足以支撐時，電池才提供能量來維持母線電壓穩(wěn)定，以保證逆變器輸出的電能質(zhì)量.其9種工作模式如表1所示.

表1 直流微網(wǎng)工作模式Tab.1 Working mode of direct current micro grid

3 仿真模型

3.1 光伏電池模型

采用太陽能電池生產(chǎn)廠家提供的參數(shù)來建立滿足工程要求的光伏電池模型如圖3所示，光伏電池電流和電壓關(guān)系為：

式（1）中 IPV為輸出電流；Upv為輸出電壓；Iph為光生電流；ISC為短路電流；UOC為開路電壓；Im為最大功率點電流；Um為最大功率點電壓；Pm為最大功率點功率；Tref=25℃，γ為太陽輻照度；γref=1 000 W∕m2，α、β、γ為補償系數(shù)，取 α=0.002 5℃，β =0.000 5（W∕m2），γ=0.002 88℃.

光伏電池仿真模型如圖4所示.

圖3 光伏電池的等效電路Fig.3 Equivalent circuit of photovoltaic cells

3.2 風(fēng)力發(fā)電機模型

風(fēng)力機模擬根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，計算風(fēng)力機輸出轉(zhuǎn)矩，然后將該轉(zhuǎn)矩作為發(fā)電機輸入轉(zhuǎn)矩.圖5為風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)圖，由風(fēng)力機的相關(guān)理論可知：

式（2）中 ρ為空氣密度，A為風(fēng)力機葉片掃掠面積，ν為風(fēng)速，CP為風(fēng)能利用參數(shù)，Pw為風(fēng)力機的輸出功率，Pm為風(fēng)力機的輸出功率，λ為葉尖速比，β為槳矩角，R為風(fēng)機半徑，T為輸出轉(zhuǎn)矩.

圖4 光伏電池的仿真模型Fig.4 Photovoltaic cells simulation model

圖5 風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of wind power generator

仿真模型如圖6所示.

3.3 蓄電池模型

蓄電池的等效模型如圖7所示.其中受控源Eb的表達式為：

圖6 風(fēng)力機仿真模型Fig.6 Simulation model of wind power generator

圖7 蓄電池等效模型Fig.7 Battery equivalent model

式（3）中：E0為電池的恒定電壓；Eb為電池的空載電壓；Uk為極化電壓；Q為電池的容量；C為指數(shù)區(qū)域幅值；B為指數(shù)區(qū)域時間常數(shù)的倒數(shù).

蓄電池仿真模型如圖8所示.

圖8 蓄電池仿真模型Fig.8 Battery simulation model

4 微網(wǎng)逆變器模型及控制技術(shù)研究

逆變器部分采用的是基于SVPWM電壓、電流雙閉環(huán)控制策略的三相電壓源型并網(wǎng)逆變器，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖9所示.

圖9 三相電壓型逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)Fig.9 Topology structure of three phase voltage source inverter

其中：ia、ib、ic是輸出的三相電流，idc為直流母線的電流，i是輸入電流，ua、ub、uc是電網(wǎng)電壓，uar、ubr、ucr是逆變器輸出電壓，udc是直流母線電壓，sa、sb、sc為橋臂的開關(guān)函數(shù).

根據(jù)ia+ib+ic=0、ua+ub+uc=0可得三相電壓型逆變器在三相靜止坐標系下的數(shù)學(xué)模型.

對式（4）進行坐標變換，可以得到同步旋轉(zhuǎn)的d-q軸坐標系下的數(shù)學(xué)模型：

通過傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器可實現(xiàn)d-q軸電流的解耦控制，具體控制策略如圖10所示.

圖10 矢量解耦控制框圖Fig.10 Block diagram of vector decoupling control

5 仿真結(jié)果

根據(jù)圖1所示的拓撲圖在MATLAB的Simu?link環(huán)境下建立直流微網(wǎng)供電系統(tǒng)仿真圖.該仿真系統(tǒng)主要由光伏系統(tǒng)模型、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型、儲能電池系統(tǒng)模型、并網(wǎng)逆變器模型、電網(wǎng)模型以及負載和斷路器模型組成.直流側(cè)分布式能源的輸出通過母線電容接至逆變器，并通過雙向DC∕DC與儲能電池相連；交流側(cè)逆變輸出通過LCL濾波器通過斷路器與電網(wǎng)以及負載相連接.控制電路主要由逆變器的SVPWM模型、能量控制模塊和系統(tǒng)的整體控制模塊組成.

5.1 各分布式電源的仿真分析

根據(jù)系統(tǒng)需求光伏系統(tǒng)輸出額定功率20 kW，工作電壓375 V，開路電壓470 V，短路電流62 A.可配置光伏電池模塊仿真參數(shù)如表2所示.

表2 光伏電池模塊仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters of photovoltaic module

根據(jù)系統(tǒng)需求風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出額定功率為10 kW可選取仿真參數(shù)如表3所示.

表3 風(fēng)機模擬發(fā)電仿真參數(shù)Tab.3 Simulation parameters of wind power system

選取光伏發(fā)電系統(tǒng)在光照強度為S=1 000 W∕m2，溫度為θ=25℃的仿真環(huán)境.如圖11所示，在0.1 s～0.2 s時改變溫度，保持光照強度不變，在0.3 s～0.4 s時改變光照強度，保持溫度不變.通過仿真可觀察到其輸出電壓在378 V上線波動，在短時間的光照和溫度發(fā)生變化時實現(xiàn)了最大功率跟蹤的功能.

由圖12的仿真結(jié)果觀察可得風(fēng)速變化時，永磁同步機的轉(zhuǎn)矩可以很快的跟隨，實現(xiàn)了最大風(fēng)能捕捉功能.

5.2 微網(wǎng)系統(tǒng)的仿真運行分析

在并網(wǎng)狀態(tài)下，如圖13仿真圖形所示，分布式能源提供能量在0.15 s的時候發(fā)生下降，此時供電不足以負載使用，剩余的能量通過電網(wǎng)供給來維持母線電壓穩(wěn)定，母線電壓略有下降.在0.3 s的時候輸入能量恢復(fù)，母線電壓穩(wěn)定回到了800 V.在分布式電源能量變化時，控制系統(tǒng)能量流動模式如下：PS0C=100%時由模式1切到模式3再到模式1；PS0C＜100%時由模式2切到模式3再到模式2.

圖11 MPPT仿真結(jié)果（a）溫度仿真圖；（b）光照強度仿真圖；（c）輸出電壓仿真圖Fig.11 Simulation results of MPPT（a）Simulation diagram of temperature；（b）Simulation diagram of illumination；（c）Simulation diagram of output voltage

圖12 最大風(fēng)能捕捉仿真圖（a）風(fēng)速仿真圖；（b）輸出電流仿真圖；（c）轉(zhuǎn)矩仿真圖Fig.12 Simulation diagram ofcapturing maximum windenergy（a）Simulation diagram of wind speed；（b）Simulation diagram of output current；（c）Simulation diagram of torque

圖13 能量波動時母線電壓波形（a）輸入功率仿真圖；（b）母線電壓仿真圖Fig.13 Energy fluctuation of bus voltage waveform（a）Simulation diagram of input power；（b）Simulation diagram of bus voltage

在電網(wǎng)異常逆變器工作在離網(wǎng)狀態(tài)下，各種工作模式波形如圖 14（a）、14（b）所示，分析可得，前0.15 s分布式電源輸出功率大于負載所需功率，PS0C=100%時系統(tǒng)工作在模式4，PS0C＜100%時系統(tǒng)工作在模式5.在0.15 s時分布式能源突然下降，設(shè)定此時PS0C≥25%，為了維持母線電壓穩(wěn)定（800 V），蓄電池放電，此時系統(tǒng)工作在模式6.輸出能量恢復(fù)后，蓄電池停止放電，系統(tǒng)回到模式4或模式5繼續(xù)工作.

由圖14（c）、14（d）分析可得，前 0.15 s分布式電源輸出功率大于負載所需功率，PS0C=100%時系統(tǒng)工作在模式4，PS0C＜100%時系統(tǒng)工作在模式5.在0.15 s時分布式能源突然下降不能滿足負載需求，若此時PS0C＜25%，蓄電池停止工作，此時母線電壓下降穩(wěn)定到600 V，切除一般負載，系統(tǒng)工作在模式7.在0.3 s輸出能量恢復(fù)后，母線電壓恢復(fù)至800 V，接入一般負載，系統(tǒng)回到模式4或模式5繼續(xù)工作.

由圖 14（e）、14（f）分析可得，前 0.15 s系統(tǒng)工作在模式8，在0.15 s時，分布式電源已無法滿足重要負載的需求，設(shè)定此時蓄電池的PS0C＜25%.直流母線電壓下降，當下降到550 V時，無法保證逆變器電能質(zhì)量需停止逆變器，此時系統(tǒng)工作在模式9.在0.45 s時輸入能量恢復(fù)，系統(tǒng)繼續(xù)工作在模式8.

圖14 輸出功率和母線電壓波形（a）、（c）、（e）太陽能和風(fēng)能輸出功率波形；（b）、（d）、（f）母線電壓波形Fig.14 Output power and bus voltage waveform（a，c and e） Solar and wind power output waveform ；（b，d and f）Bus voltage waveform

6 結(jié) 語

以上對分布式電源各組成部分分別進行了參數(shù)的設(shè)計以及仿真分析，驗證了該設(shè)計方案的可行性；最后對該系統(tǒng)在并網(wǎng)和離網(wǎng)時不同的工作情況下進行了仿真分析，實現(xiàn)了系統(tǒng)在并網(wǎng)和離網(wǎng)之間來回切換，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，驗證了此控制方案的可行性.研究工作中，對較為復(fù)雜的分布式發(fā)電拓撲控制技術(shù)將在今后的工作中作進一步的深入研究.

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本文編輯：陳小平

Control Technology of Direct-Current Micro-Grid Power Supply System

ZHOU Guangyu1，GAO Teng2*
1.Taian Special Vehicle Co.，LTD，Tai'an 271000，China；2.Wuhan Yongli Rayco Technology Co.，LTD，Wuhan 430025，China

This paper constructs a multiple power supply model of direct current micro grid system based on characteristics of the supplement between the wind and solar power generation and the battery storage of the direct current（DC）micro grid power system.And the paper also proposes solutions for the energy management of the system by analyzing the energy flowing and operating.In addition，the paper draws the module block diagrams and the simulation models of the DC micro grid components.Then the mathematical model is obtained according to the topology construction of the inverter.Besides，the stable operation and automatic smooth switch of the micro grid is achieved both in grid and off grid operation model by using the double closed loop control of the SVPWM based voltage and current.Finally，the feasibility of the energy controlling is verified by the simulation test under different working conditions such as distributed generation，the load and the power grid，realizing the stable operation of the system.

wind power generation；solar power generation；battery；direct current micro grid；controlling technology of power system

TK513.5

A

10.3969∕j.issn.1674?2869.2017.04.014

2017-03-20

周廣玉，助理工程師.E-mail：guangyu0604@163.com

*通訊作者：高 騰，碩士，工程師.E-mail：56507925@qq.com

周廣玉，高騰.直流微網(wǎng)供電系統(tǒng)控制技術(shù)研究［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報，2017，39（4）：394-402.

ZHOU G Y，GAO T.Control technology of direct current micro grid power supply system［J］.Journal of Wuhan In?stitute of Technology，2017，39（4）：394-402.

1674-2869（2017）04-0394-09