微電網(wǎng)功率跟蹤策略優(yōu)化研究

李春蘭+王長(zhǎng)云+曹成帥+汪澤

摘 要： 針對(duì)微電網(wǎng)功率跟蹤控制復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差的問題，提出微電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)載功率跟蹤與各分布式電源最大功率跟蹤的分層控制策略。在構(gòu)建含風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電及蓄電池的風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)電源層采用基于擾動(dòng)觀測(cè)法的最大功率跟蹤，實(shí)現(xiàn)分布式電源的效率最大化；配電層采用基于直接功率控制的負(fù)載功率跟蹤，保證系統(tǒng)功率平衡。研究結(jié)果表明，兩種功率跟蹤控制策略同時(shí)發(fā)揮作用，可以減少控制模塊的工作量，縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，優(yōu)化了傳統(tǒng)微網(wǎng)功率跟蹤策略。

關(guān)鍵詞： 分布式電源； 最大功率跟蹤； 負(fù)載功率跟蹤； 分層控制

中圖分類號(hào)： TN401?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）14?0162?05

Abstract： Aiming at some problems， such as poor real?time performance and the complexity of the power tracking for microgrid， a hierarchical control strategy for load power tracking and maximum power point tracking （MPPT） of each distributed power supply for microgrid system is proposed in this paper. Based on the model of wind， light storage system includingwind power generation， PV generation and battery， the MPPT based on the perturbation observation method is used for power supply layer to achieve maximum efficiency of MPPT. The load power tracking based on direct power control （DPC） is adopted for the power distribution layer to ensure system power balance. The research results indicate that， if the both strategies come into play， the workload of the control module can be reduced and the system response time can be shortened. Anyhow， the method optimized the tracking strategy of the traditional microgrid.

Keywords： distributed power supply； maximum power point tracking； load power tracking； hierarchical control

近年來(lái)關(guān)于微電網(wǎng)的研究越來(lái)越集中在控制策略方面，尤其是關(guān)于微電網(wǎng)功率平衡控制成為了研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]提出了一種基于DC/DC占空比控制的負(fù)載功率跟蹤，這種算法使得風(fēng)光子系統(tǒng)的負(fù)載功率跟蹤分別進(jìn)行，計(jì)算量大，要求控制策略具有良好的實(shí)時(shí)性。文獻(xiàn)[2]提出了一種功率限值控制策略，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，這種方式控制簡(jiǎn)單但可靠性不高，誤差較大，反應(yīng)速度不靈敏。文獻(xiàn)[3]中提出了一種投切負(fù)荷的自動(dòng)緊急控制策略，這種方式通過改變功率需求的方式實(shí)現(xiàn)供需平衡，以破壞部分用戶的用電可靠性來(lái)保證系統(tǒng)整體的可靠性。文獻(xiàn)[4]中提出了一種針對(duì)微電網(wǎng)不同的運(yùn)行狀況選擇MPPT策略與負(fù)載功率跟蹤策略的運(yùn)行與否，這種方式帶來(lái)了系統(tǒng)工作量增加及控制策略復(fù)雜化的問題。本文在采用擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)光伏子系統(tǒng)與風(fēng)電子系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制的基礎(chǔ)上，通過對(duì)逆變器的直接功率控制實(shí)現(xiàn)負(fù)載功率跟蹤，在避免控制策略冗雜的前提下改善了上述三種控制策略存在的計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性要求高、控制誤差較大、可靠性不夠與反應(yīng)靈敏度較低的問題。

1 微電網(wǎng)建模

本文利用Matlab/Simulink軟件實(shí)現(xiàn)含風(fēng)光儲(chǔ)的微電網(wǎng)建模。其中光伏子系統(tǒng)依據(jù)光伏電池的數(shù)學(xué)特性建立等效模型[5?7]；風(fēng)電子系統(tǒng)采用Simulink/SimpowerSystems中葉輪模塊模擬風(fēng)速與輸出轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系，通過轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)永磁同步電機(jī)構(gòu)成變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；蓄電池子系統(tǒng)采用Simulink中的鉛酸蓄電池模型，并根據(jù)負(fù)載用電能力與微電源的容量關(guān)系，設(shè)置蓄電池參數(shù)。風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的能量傳輸采用雙向DC/DC和雙輸入Buck?Boost型DC/DC變換器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能儲(chǔ)能的目的，可以有效保護(hù)電池，提高電池的利用效率，穩(wěn)定輸出電能[8]。微電網(wǎng)系統(tǒng)建模整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 能量流動(dòng)的協(xié)調(diào)控制

按照氣象條件的變化，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要有風(fēng)光儲(chǔ)供能、風(fēng)光供能、風(fēng)儲(chǔ)供能、光儲(chǔ)供能、風(fēng)電供能、光伏供能、蓄電池供能7種工作狀態(tài)。由于氣象條件的不確定性，微電網(wǎng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)需要不斷根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率、光伏電池輸出功率之和與負(fù)載消耗功率間的關(guān)系確定[9?10]。為了避免控制策略的復(fù)雜性，本文提出將風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)的微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)設(shè)定為風(fēng)機(jī)與光伏電池一直工作在最大功率跟蹤模式下，但在電能提供給負(fù)載前針對(duì)DC/AC逆變器采用負(fù)載功率跟蹤控制，以此在最大化各個(gè)分布式電源效率的基礎(chǔ)上保證整個(gè)系統(tǒng)的功率平衡。

2.1 光伏發(fā)電的最大功率跟蹤控制

本文采用擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的MPPT跟蹤控制，其控制思想是以微小的電壓波動(dòng)不斷擾動(dòng)太陽(yáng)能電池的輸出電壓，通過采樣電路獲得和，分別計(jì)算擾動(dòng)前、后太陽(yáng)能電池的輸出功率，并進(jìn)行比較。若擾動(dòng)后太陽(yáng)能電池的輸出功率增加，說明此前的擾動(dòng)能夠提高太陽(yáng)能電池的輸出功率，下一次則在相同的方向施加擾動(dòng)；反之，若擾動(dòng)后太陽(yáng)能電池的輸出功率減少，則說明擾動(dòng)不利于增加太陽(yáng)能電池的輸出功率，下一次則往相反的方向擾動(dòng)[11?12]。其控制流程圖如圖2所示。

2.2 風(fēng)力發(fā)電的最大功率跟蹤控制

本文采用的風(fēng)力發(fā)電MPPT亦為擾動(dòng)觀察法，控制思想與光伏MPPT相似。以一定的轉(zhuǎn)速擾動(dòng)值進(jìn)行擾動(dòng)，然后觀察風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率PT變化情況，如果風(fēng)電機(jī)組輸出功率增加，那么保持?jǐn)_動(dòng)方向不變；反之，將轉(zhuǎn)速的擾動(dòng)反向[13?14]?？刂屏鞒虉D如圖3所示。

2.3 交流負(fù)載功率跟蹤控制方法

當(dāng)分布式電源的輸出功率大于系統(tǒng)所能消耗的功率時(shí)，為了保持系統(tǒng)功率平衡，需要對(duì)供能系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)載功率跟蹤控制。針對(duì)目前山區(qū)牧區(qū)居民用電主要是交流負(fù)載的現(xiàn)象，本文負(fù)載功率跟蹤主要研究DC/AC逆變器采用直接功率控制（DPC），通過改變逆變器輸出電壓幅值實(shí)現(xiàn)交流負(fù)載功率控制[15]。圖4為靜止坐標(biāo)系中三相電壓型逆變器向量形式的等效電路[16]。圖4中，為逆變器輸入電壓矢量，為逆變器輸出電壓矢量，為交流電流矢量，L為進(jìn)線電抗器電感值，R為線路電阻。等效電路滿足的電壓平衡方程式為：

由式（7）可知，功率的變化率由微電網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、進(jìn)線電抗器電感量以及逆變器交流側(cè)的輸出電壓決定。一個(gè)采樣周期內(nèi)微電網(wǎng)電壓和電流為常數(shù)，進(jìn)線電抗器的電感值也為常數(shù)，因此此時(shí)功率的變化率只由逆變器交流側(cè)的輸出電壓決定。根據(jù)這一特點(diǎn)參考文獻(xiàn)[16]提出了一種基于電壓空間和扇區(qū)分布圖的逆變器輸出功率調(diào)節(jié)方法，如圖5所示。

根據(jù)式（7）可得到單位功率因數(shù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，在各個(gè)扇區(qū)中，不同電壓空間矢量對(duì)有功功率、無(wú)功功率變化的影響，如圖6、圖7所示。

圖5～圖7中Ui（i=1，2，…，6）表示空間電壓矢量，θi（i=1，2，…，12）表示扇區(qū)分布。由圖5可以看出在扇區(qū)1時(shí)，電壓矢量和的作用會(huì)使得dP/dt保持為大于0，即逆變器輸出有功功率保持為增加，若此時(shí)需要無(wú)功功率降低，即保持小于0，可以選擇電壓矢量，，，根據(jù)最小開關(guān)損耗原則，選擇電壓矢量。同理，對(duì)12個(gè)扇區(qū)可能出現(xiàn)的對(duì)有功功率、無(wú)功功率變化的需求進(jìn)行分析后可以得到如表1所示的開關(guān)表。

按表1所示對(duì)逆變器橋臂進(jìn)行選通，即可實(shí)現(xiàn)直接功率控制。

2.4 蓄電池的充放電控制

本文中的蓄電池在系統(tǒng)中的主要作用是作為補(bǔ)充電源，削峰填谷、改善電能質(zhì)量，因此蓄電池的充放電控制需根據(jù)系統(tǒng)功率流向進(jìn)行判斷。設(shè)光伏電池輸出功率為、風(fēng)力發(fā)電輸出功率為、負(fù)載需求功率為、蓄電池可以接受的充電功率為，則蓄電池的充放電控制可設(shè)置為表2所示的工作狀態(tài)。

3 仿真分析

根據(jù)上述的能量控制策略在Simulink軟件中建立仿真電路。建模過程中，光伏與風(fēng)電分別采用不同流程的最大功率跟蹤控制，即光伏與風(fēng)電的最大功率跟蹤獨(dú)立進(jìn)行。負(fù)載功率跟蹤則是在對(duì)光伏、風(fēng)電、蓄電池的直流電壓進(jìn)行代數(shù)和后統(tǒng)一控制以達(dá)到避免系統(tǒng)過功率的目的。設(shè)置微電網(wǎng)光伏電池工作溫度為25 ℃，輸入光照強(qiáng)度變化趨勢(shì)如圖8所示，設(shè)置微電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸入風(fēng)速按圖9所示趨勢(shì)變化。采用擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制、直接功率控制實(shí)現(xiàn)負(fù)載功率控制，得到微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如圖10～圖12所示。

分析仿真結(jié)果可知：圖10中光伏陣列實(shí)際輸出功率與圖8輸入光照強(qiáng)度的變化趨勢(shì)基本一致，說明光伏子系統(tǒng)處于最大功率跟蹤控制狀態(tài)。由圖9與圖11可知風(fēng)電子系統(tǒng)輸出功率變化趨勢(shì)與輸入風(fēng)速變化基本一致，同理可得風(fēng)電子系統(tǒng)處于最大功率跟蹤控制狀態(tài)。由圖10可知系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光伏MPPT的時(shí)間約為0.12 s，而傳統(tǒng)的MPPT與負(fù)載功率跟蹤同時(shí)工作的模式，MPPT響應(yīng)時(shí)間0.4 s左右，相比之下分層控制提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度。MPPT穩(wěn)定作用后輸出功率具有較良好的精度。但在初始階段由于分布式電源啟動(dòng)，輸出電壓、電流無(wú)法立刻達(dá)到該輸入量下的最大效率值，需要一段爬升期。

由圖11可知系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電MPPT的時(shí)間約為0.11 s，表明系統(tǒng)具有響應(yīng)速度較快，但由于風(fēng)電MPPT通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制輸出功率，此種方式慣性較大，造成調(diào)節(jié)過程中時(shí)滯性較明顯，誤差較大。初始階段的誤差原因也由分布式電源啟動(dòng)造成。由圖12可知系統(tǒng)輸出功率輸出量及其變化趨勢(shì)能夠滿足負(fù)載功率需求，說明配電層處于負(fù)載功率跟蹤控制狀態(tài)。圖12中系統(tǒng)輸出功率在0.4～0.8 s階段出現(xiàn)的下滑趨勢(shì)是由于波動(dòng)量的存在使得系統(tǒng)輸出功率在采樣點(diǎn)出現(xiàn)高于負(fù)載功率需求的情況，直接功率控制就將調(diào)節(jié)輸出電壓來(lái)降低輸出功率以達(dá)到供需平衡。

4 結(jié) 論

本文基于Matlab仿真平臺(tái)，建立了含光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型、分布式電源MPPT控制模型、分布式電源逆變器控制模型和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)模型的微電網(wǎng)系統(tǒng)，在驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，研究了含風(fēng)光儲(chǔ)的微電網(wǎng)功率跟蹤控制策略。本文所建的微電網(wǎng)模型可用于微電網(wǎng)運(yùn)行控制策略的運(yùn)行分析，構(gòu)建的微電網(wǎng)MPPT與負(fù)載功率跟蹤策略可用于實(shí)際微電網(wǎng)系統(tǒng)，提出的MPPT與DPC分層控制的策略可以避免傳統(tǒng)控制策略為保證系統(tǒng)功率平衡而在MPPT與負(fù)載功率跟蹤模式間頻繁切換的問題，提高了控制策略對(duì)功率動(dòng)態(tài)平衡的響應(yīng)速度。

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