基于戶用型微網(wǎng)能量管理策略研究

李帥波，蔡新紅，周 鵬

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000）

0 引言

能源危機(jī)的加重，促進(jìn)了太陽能、風(fēng)能等可再生能源的發(fā)展。但是分布式電源的輸出功率具有隨機(jī)性與波動(dòng)性，直接接入電網(wǎng)會(huì)對(duì)其穩(wěn)定運(yùn)行造成一定的影響[1]。為了解決這一問題，學(xué)者們提出了微網(wǎng)概念[2-6]。根據(jù)母線電壓類型，微網(wǎng)可以分為直流微網(wǎng)與交流微網(wǎng)。直流微網(wǎng)沒有無功以及諧波等問題，供電質(zhì)量更高，且方便直流性質(zhì)的負(fù)荷與分布式能源的接入，近年來逐漸受到了人們的關(guān)注[5]太陽能以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。由于微網(wǎng)中存在分布式電源與負(fù)荷兩個(gè)不確定的變量，因此，需要配置一定的儲(chǔ)能裝置來保證其穩(wěn)定運(yùn)行[6]。文獻(xiàn)[7]將蓄電池通過雙向DC/DC變換器接入光伏微網(wǎng)中，并且詳細(xì)分析了獨(dú)立光伏系統(tǒng)的能量管理策略。為了維持微網(wǎng)的功率平衡，儲(chǔ)能單元需要頻繁地大功率充放電，這會(huì)嚴(yán)重影響蓄電池的使用壽命[8-9]。將超級(jí)電容與蓄電池組成混合儲(chǔ)能單元接入微網(wǎng)中，可以有效提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出能力，延長蓄電池的壽命[10-12]。

本文針對(duì)光伏發(fā)電子系統(tǒng)、儲(chǔ)能子系統(tǒng)、并網(wǎng)子系統(tǒng)及負(fù)載子系統(tǒng)等主要組成部分的功能、工作特點(diǎn)以及控制方法，提出具體的微網(wǎng)系統(tǒng)控制及能量管理策略。對(duì)直流母線電壓進(jìn)行了分段控制，在不同的電壓段采用下垂控制算法，以控制直流母線電壓在設(shè)定范圍之內(nèi)，維持微網(wǎng)系統(tǒng)能量平衡并盡可能延長儲(chǔ)能系統(tǒng)循環(huán)使用壽命。

1 戶用型微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

戶用型微網(wǎng)系統(tǒng)主要由光伏發(fā)電子系統(tǒng)、儲(chǔ)能子系統(tǒng)、并網(wǎng)子系統(tǒng)、負(fù)載管理子系統(tǒng)及系統(tǒng)控制與能量管理子（簡(jiǎn)稱能量管理）系統(tǒng)構(gòu)成。前四個(gè)子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，能實(shí)現(xiàn)基本的功能，均配置有可與能量管理信息交換的通訊接口，上傳各自的狀態(tài)信息，接收能量管理的指令，完成相應(yīng)的工作。能量管理屬于系統(tǒng)中的控制核心，其主要功能是保持和各個(gè)子系統(tǒng)的有效通訊，根據(jù)各個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合控制算法，形成控制指令，下傳各個(gè)子系統(tǒng)，完成系統(tǒng)控制目標(biāo)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 微網(wǎng)管理系統(tǒng)主要功能結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)及能量管理下垂控制策略

圖2 系統(tǒng)總體控制示意

微網(wǎng)系統(tǒng)總體控制思想如圖2所示。根據(jù)圖2，系統(tǒng)總的控制原則為：設(shè)定直流母線額定電壓Vdc=460 V，正常工作電壓范圍為420～500 V。系統(tǒng)通過控制各功能單元協(xié)調(diào)工作維持直流母線電壓在設(shè)定范圍內(nèi)，在此原則基礎(chǔ)上最大限度利用太陽能和延長電池組循環(huán)使用壽命。電池組使用時(shí)，應(yīng)確保其SOC在0.2～0.9范圍內(nèi)使用，為進(jìn)一步優(yōu)化電池組充放電，可控制其SOC在0.5～0.7范圍內(nèi)變化，最大充放電電流為10 A。逆變器根據(jù)直流母線電壓決定并網(wǎng)功率。光伏電池Boost變換器一般工作在MPPT模式，若光伏電池產(chǎn)生的電能，滿足所有負(fù)載且使儲(chǔ)能子系統(tǒng)SOC達(dá)到上限，則工作于恒壓輸出模式。負(fù)載投入優(yōu)先級(jí)為：一級(jí)負(fù)載，二級(jí)負(fù)載，儲(chǔ)能子系統(tǒng)充電；負(fù)載切除順序?yàn)椋簝?chǔ)能子系統(tǒng)充電，二級(jí)負(fù)載，一級(jí)負(fù)載；儲(chǔ)能子系統(tǒng)放電電能使用優(yōu)先級(jí)為：一級(jí)負(fù)載，二級(jí)負(fù)載。

當(dāng)直流母線電壓Vdc＜420 V或Vdc＞500 V時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)模式，則光伏電池Boost變換器、儲(chǔ)能子系統(tǒng)雙向DC/DC變換器、逆變器均關(guān)閉，兩級(jí)負(fù)載均斷開。由人工手動(dòng)解除故障后，系統(tǒng)可重新投入運(yùn)行。系統(tǒng)電氣原理圖如圖3所示。為便于以后的分析工作，將直流母線一二級(jí)負(fù)載和并網(wǎng)逆變器負(fù)載及交流母線一二級(jí)負(fù)載等效為系統(tǒng)等效總負(fù)載。當(dāng)直流母線電壓Vdc∈[420 V,500 V]時(shí)，系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。系統(tǒng)正常工作時(shí)共有以下幾種工作模式：

圖3 微網(wǎng)系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)

工作模式一：當(dāng)485 V＜Vdc 500 V時(shí)，逆變器并網(wǎng)功率Pinv=500+Kind(Vdc-485)W ，公式中500代表敏感負(fù)載功率，單位是W，Kind為并網(wǎng)功率系數(shù)，最大取值為133，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)；一級(jí)負(fù)載、二級(jí)負(fù)載均可投入系統(tǒng)，如果SOC≤0.9，則儲(chǔ)能子系統(tǒng)10 A恒流充電，超級(jí)電容組平衡高頻充電電流以配合蓄電池組工作；如果SOC＞0.9，則儲(chǔ)能子系統(tǒng)中蓄電池組與超級(jí)電容組均按其最大允許端電壓浮壓充電或者直接進(jìn)入待機(jī)狀體。能量流動(dòng)[13]方向?yàn)閺墓夥姵兀–V模式）分別流向鋰電池組（Buck模式）、等效總負(fù)載和超級(jí)電容（Buck模式）。

工作模式二：當(dāng)465 V＜Vdc≤485 V時(shí)，逆變器并網(wǎng)功率Pinv=500+Kind(Vdc-465)W，Kind最大取值為100，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)；一級(jí)負(fù)載、二級(jí)負(fù)載均可投入系統(tǒng)，如果SOC≤0.9，則電池組充電電流超級(jí)電容組平衡高頻充電電流以配合蓄電池組工作；如果SOC＞0.9，則儲(chǔ)能子系統(tǒng)中蓄電池組與超級(jí)電容組均按其最大允許端電壓浮壓充電或者直接進(jìn)入待機(jī)狀體。能量流動(dòng)方向?yàn)閺墓夥姵兀∕PPT模式）分別流向鋰電池組（Buck模式）、等效總負(fù)載和超級(jí)電容（Buck模式）。其中，蓄電池組充電模式為變電流充電。

工作模式三：當(dāng)455 V＜Vdc≤465 V，逆變器并網(wǎng)功率Pinv=500+Kind(Vdc-455)W ，Kind最大取值為200，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)；一級(jí)負(fù)載、二級(jí)負(fù)載均可投入系統(tǒng)，儲(chǔ)能子系統(tǒng)中蓄電池組雙向DC/DC變換器平衡低頻功率波動(dòng)，超級(jí)電容組雙向DC/DC以直流母線電壓460 V為控制目標(biāo)平衡高頻功率波動(dòng)。其能量流動(dòng)方向?yàn)楣夥姵兀∕PPT模式）分別流向鋰電池組（待機(jī)模式）、等效總負(fù)載和超級(jí)電容（Buck/Boost），其中，鋰電池組和超級(jí)電容流向等效總負(fù)載。

工作模式四：當(dāng)435 V

工作模式五：當(dāng)420 V

3 系統(tǒng)控制及能量管理仿真與試驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)仿真分析

搭建仿真模型和試驗(yàn)平臺(tái)并利用該模型對(duì)系統(tǒng)正常工作模式的運(yùn)行情況進(jìn)行仿真,仿真波形如以下各圖所示。

圖4 仿真過程中輻照度和溫度變化曲線

圖 4 中,0～20 s時(shí)輻照度為 1 000 W/m2，20～62.5 s時(shí)輻照度由1 000 W/m2線性變化為200 W/m2，該輻照度一直保持到87.5 s，再由200 W/m2線性變化到1 000 W/m2，時(shí)間到達(dá)120 s，在1 000 W/m2上一直保持到仿真時(shí)間結(jié)束350 s。溫度曲線在0～20 s間一直保持為 25℃，125～175 s間，溫度由25℃線性變化為75℃，保持該溫度直到237.5 s，然后溫度線性變化到0℃，一直保持到350 s，仿真時(shí)間結(jié)束。

圖5 負(fù)載曲線

圖5所示為系統(tǒng)仿真過程中負(fù)載曲線，其中負(fù)載最小為3 kW，最大為8 kW，其余還有5 kW、6 kW以及幾個(gè)過渡過程。

圖6所示，光伏發(fā)電MPPT跟蹤時(shí)輸出電流變化基本與輻照度變化趨勢(shì)一致，而輸出電壓變化受溫度影響比較大，幾乎不受輻照度影響。

圖7所示，蓄電池組放電電流、充電電流變化均比較平穩(wěn)，沒有頻繁的充放電轉(zhuǎn)換。需要說明的是，這里只是為驗(yàn)證系統(tǒng)及能量管理算法，所以蓄電池充放電電流都沒有限定在10 A以內(nèi)，圖中所示為16 A左右。

圖6 光伏發(fā)電輸出電壓、電流波形

圖7 蓄電池組端電流、端電壓及SOC變化

圖8所示，超級(jí)電容組在補(bǔ)充蓄電池組對(duì)系統(tǒng)功率的偏差之外，需平衡直流母線電壓的波動(dòng)。當(dāng)光伏發(fā)電量快速變化或負(fù)載快速變化時(shí)，超級(jí)電容組配合蓄電池組平衡功率和直流母線電壓波動(dòng)的高頻部分。圖中顯示超級(jí)電容組電流和端電壓變化比蓄電池組電流、端電壓變化要?jiǎng)×以S多。

圖9中，上面的曲線是負(fù)載功率給定曲線，中間的曲線是直流母線輸出功率曲線，下面的曲線是光伏發(fā)電功率、蓄電池輸出功率及超級(jí)電容功率輸出之和的曲線。由圖中曲線可見，系統(tǒng)負(fù)載功率跟蹤穩(wěn)定、準(zhǔn)確。由于功率傳遞過程中的效率因素，圖中功率曲線從上到下，功率依次略有增加。

圖8 超級(jí)電容組端電流、端電壓及SOC變化

圖9 系統(tǒng)負(fù)載、發(fā)電及儲(chǔ)能功率跟蹤變化曲線

圖10為直流母線輸出電壓、電流變化曲線。由圖可見，直流母線在光伏發(fā)電輸出功率變化、負(fù)載功率給定變化的過程中保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了控制目標(biāo)。

圖10 直流母線輸出電壓、電流

圖11為直流母線電壓曲線放大圖。由圖11所示，直流母線電壓基本穩(wěn)定在電壓設(shè)定值460 V左右，由于光伏發(fā)電功率及負(fù)載功率的變化，母線電壓會(huì)發(fā)生變化，其中最大值不超過465 V，最小值不低于459V，滿足電壓波動(dòng)范圍要求。系統(tǒng)開始時(shí)，經(jīng)過5 s達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在237.5～300 s間，工作溫度持續(xù)下降，直到0°C，這期間負(fù)載給定雖然恒定為3 kW，但系統(tǒng)中儲(chǔ)能子系統(tǒng)由放電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌潆姞顟B(tài)。300～312.5 s期間，負(fù)載給定由3kW變到5 kW，儲(chǔ)能子系統(tǒng)由充電狀態(tài)向放電狀態(tài)過渡。這兩段時(shí)間內(nèi)，儲(chǔ)能子系統(tǒng)在充放電之間轉(zhuǎn)變，使母線電壓有相對(duì)較大的波動(dòng)。312.5 s之后，系統(tǒng)工作條件不變，負(fù)載給定不變，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，母線電壓保持穩(wěn)定。

圖11 直流母線電壓變化放大圖

3.2 系統(tǒng)試驗(yàn)分析

系統(tǒng)試驗(yàn)中利用光伏模擬器創(chuàng)建光伏曲線，參數(shù)為 Voc=445 V，Isc=9 A，Vmp=383.23 V，Imp=8.53 A；試驗(yàn)負(fù)載分為兩級(jí)負(fù)載：一級(jí)負(fù)載200 Ω，二級(jí)負(fù)載100 Ω。試驗(yàn)中使用泰克TPS 2014B型示波器，該示波器共有4個(gè)通道，1號(hào)通道檢測(cè)一級(jí)負(fù)載電流，2號(hào)通道檢測(cè)直流母線電壓，3號(hào)通道檢測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)電流，4號(hào)通道檢測(cè)二級(jí)負(fù)載電流。由于通道數(shù)所限，超級(jí)電容組電流未檢測(cè)。試驗(yàn)時(shí)檢測(cè)電池組充電電流為正，放電電流為負(fù)。

（1）設(shè)定光照強(qiáng)度為 1 000 W/m2，光伏電池和電池組投入系統(tǒng)，系統(tǒng)空載運(yùn)行時(shí)，直流母線電壓為485 V，SOC=0.76，按控制要求，此時(shí)電池組充電電流為10 A。如圖12所示，電池組充電電流為10 A。

圖12 微網(wǎng)系統(tǒng)空載時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行圖

（2）條件1下，投入一級(jí)負(fù)載，直流母線電壓下降至478 V，電池組SOC=0.85，按控制要求，此時(shí)電池組充電電流為6.5 A。如圖13所示，充電電流為6.8 A。

（3）條件2下，投入二級(jí)負(fù)載，直流母線電壓下降至453 V，SOC=0.85，按控制要求，此時(shí)電池組從充電狀態(tài)變?yōu)榉烹姞顟B(tài)。放電電流為0.5 A，如圖14所示，電池組放電電流為0.5 A。

圖13 投入一級(jí)負(fù)載，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行

圖14 投入二級(jí)負(fù)載，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行

（4）條件3下，切除二級(jí)負(fù)載，直流母線電壓上升至478 V，電池組SOC=0.84，按系統(tǒng)控制要求，此時(shí)電池組充電電流為6.5 A。如圖15所示，充電電流為6.8 A。

圖15 切除二級(jí)負(fù)載，電池組由放電狀態(tài)轉(zhuǎn)為充電狀態(tài)

（5）條件4下，切除一級(jí)負(fù)載，直流母線電壓上升至484 V，SOC=0.85，按系統(tǒng)控制要求，此時(shí)電池組充電電流為9.5 A。如圖16所示，電池組充電電流為9.8 A。

圖16 切除一級(jí)負(fù)載，電池組充電電流增大

由以上試驗(yàn)波形可見，系統(tǒng)在空載、投入負(fù)載或者切除負(fù)載情況下，均能維持直流母線電壓穩(wěn)定，蓄電池均能根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)行充放電，以維持功率平衡和直流母線電壓穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文研究了戶用型微電網(wǎng)的能量管理問題，提出對(duì)直流母線電壓進(jìn)行了分段控制，在不同的電壓段采用下垂控制算法的能量管理策略。試驗(yàn)結(jié)果表明，在多個(gè)工作條件變化的情況下，微網(wǎng)系統(tǒng)均能穩(wěn)定運(yùn)行，具有良好的負(fù)載跟蹤動(dòng)態(tài)性能及保持直流母線電壓在設(shè)定范圍內(nèi)的能力，這為解決微電網(wǎng)能量管理提供了一種新方法。