直流微電網(wǎng)母線電壓控制策略

王 威， 周小安

(深圳大學(xué) 信息工程學(xué)院， 廣東 深圳 518000)

0 引 言

近年來隨著能源與環(huán)保問題的加劇以及全球一次性能源的過度使用，使得人們開始高度關(guān)注對可再生能源的開發(fā)，因此形成了由不同類型分布式電源(Distribute Generation)組成的微電網(wǎng)。微電網(wǎng)中電源多為分布式電源，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電以及微型燃?xì)廨啓C(jī)，還有燃料電池、超級電容、飛輪、蓄電池等儲能裝置。而這些組件均配接在用戶側(cè)，具有低成本、低電壓和低污染的特點(diǎn),有效地解決了大型集中電網(wǎng)許多潛在問題[1-2]。

但這些分布式電源本身存在著不穩(wěn)定性，所以當(dāng)分布式電源接入微電網(wǎng)時會對系統(tǒng)造成影響，其中如何維持母線電壓的穩(wěn)定是判定直流電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定的一個重要因素。現(xiàn)有一些文獻(xiàn)對這方面做了些許研究，文獻(xiàn)[3]給出了一種基于母線電壓信號的協(xié)調(diào)控制策略，對不同直流微電網(wǎng)的運(yùn)行模式進(jìn)行了仿真，但是該控制模式?jīng)]有考慮到蓄電池SOC(State of Charge)的變化，最后可能會引發(fā)過沖損壞蓄電池裝置，從而影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。文獻(xiàn)[4]通過分析傳統(tǒng)PI控制器以及各參數(shù)的變化，進(jìn)而提出一種提高直流微電網(wǎng)母線電壓穩(wěn)定性的新型控制策略，使得直流微電網(wǎng)能夠保障可靠的穩(wěn)定運(yùn)行，但是該策略沒有考慮到一些極端情況，例如當(dāng)有大功率用電單元接進(jìn)來時，系統(tǒng)該如何反應(yīng)。文獻(xiàn)[5]提出了一種改進(jìn)的電壓控制信號(DC Bus Signaling，DBS)的能量管理策略，通過監(jiān)控母線電壓信號來對系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)切換和電網(wǎng)能量的分配，該控制策略無需集中控制器，從而提高了系統(tǒng)的可運(yùn)行性，但是該方法不適用于孤島運(yùn)行的系統(tǒng)，因?yàn)樵诠聧u情況下，若無大電網(wǎng)的接入，只是通過監(jiān)控母線電壓的變化,將無法達(dá)到全程的嚴(yán)密監(jiān)控。

針對上述一些問題，本文以光伏直流微電網(wǎng)為研究對象，提出了一種基于直流母線電壓的管理控制策略。當(dāng)母線電壓面臨內(nèi)部或者外部條件變化時，系統(tǒng)母線電壓進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，同時當(dāng)處于極端條件的情況下，可適當(dāng)?shù)馗淖兡妇€控制策略，從而有效維持母線電壓的穩(wěn)定。

1 直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的光伏直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由光伏(PV)發(fā)電模塊、蓄電池儲能模塊以及負(fù)荷單元組成。

圖1中，光伏模塊通過升壓式DC-DC電路接入到直流母線中。蓄電池儲能模塊通過雙向DC-DC電路接入到直流母線中，負(fù)荷單元分為重要負(fù)荷以及非重要負(fù)荷,其等效的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 光伏直流微電網(wǎng)系統(tǒng)

圖2 光伏微電網(wǎng)等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

Fig.2Equivalenttopologicalstructurediagramofphotovoltaicmicrogrid

圖2中，用光伏以及蓄電池等效一個直流電源，直流負(fù)載等效于一個電阻，2個IGBT形成電壓源雙向DC-DC電路，通過采用相移的方法來控制功率的流向和大小[6]，使得蓄電池能量雙向流動，從而進(jìn)行充放電；圖2中的二極管防止電流倒回光伏電池，實(shí)現(xiàn)左側(cè)光伏模塊能量的單相流動；C1、C2為電源側(cè)電容，起到濾波作用。

2 各模塊控制策略

2.1 光伏模塊控制策略

光伏模塊作為微電源接入到電網(wǎng)時，為了使得PV發(fā)揮最大功效，必須適時追蹤最大功率點(diǎn)(Maximum Power Point Tracing, MPPT)，常見的有2種基本的MPPT方法：擾動觀察法(P&Q)和電導(dǎo)增量法(INC)[7-8]。本文采用的是擾動觀察法，該方法通過給光伏電池的輸出電流周期性施加一定步長的擾動，從而使得光伏電池的工作點(diǎn)不斷靠近MPP。

由于光伏模塊本身受光照強(qiáng)度影響很大，除了使光伏模塊維持在最大功率點(diǎn)外，還需要加入Boost升壓變換器，用來維持母線電壓的穩(wěn)定，控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中，Upv、Ipv分別為光伏板輸出的電壓與電流；Gpv為從PWM中輸出的占空比，用來控制boost變換器開斷時間；Vdc為輸出的母線電壓。為提高Boost變換器效率，當(dāng)檢測到光照強(qiáng)度為200 W·m2時，隨即將會啟動Boost變換器。

圖3 光伏模塊控制模式

當(dāng)光伏模塊處于圖3控制模式時，可以得到光伏輸出功率Ppv，其數(shù)學(xué)公式可表示如下：

Ppv=IpvVdc(1-Gpv)

(1)

從式(1)可以看出，可以實(shí)時地改變占空比來調(diào)節(jié)光伏板輸出功率。當(dāng)占空比較大時，輸出功率較??；當(dāng)占空比較小時，輸出功率變大。

2.2 蓄電池SOC控制策略

蓄電池組作為該系統(tǒng)主要供電單元，對維持母線電壓的穩(wěn)定發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在系統(tǒng)中，蓄電池組與母線之間通過一個雙向DC/DC變換器相連，用于管理蓄電池可控的充放電操作。當(dāng)蓄電池放電時，DC/DC變換器工作于boost模式，開始向直流母線供電；當(dāng)蓄電池充電時，DC/DC變換器工作于buck電路，將光伏端多余的電能存儲到蓄電池以及備用蓄電池中。

蓄電池與備用蓄電池充放電控制見表1。表1中，SOC(State of Charge)為荷電狀態(tài)，也叫剩余電量；Ppv為光伏板輸出功率；Pload為負(fù)載功率；Pbat為蓄電池輸出功率。

表1 蓄電池組充放電控制

從表1中可得到蓄電池通過監(jiān)控SOC狀態(tài)與各個模塊輸出功率。共有3種工作狀態(tài)，對其可闡釋分述如下。

(1)放電模式。當(dāng)蓄電池電量SOC>60，電量充裕時，開始對外放電，或者功率監(jiān)控到Ppv

(2)空閑狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)檢測到光伏板輸出功率可以承載母線負(fù)載功率時，DC/DC變換器處于斷開狀態(tài)，蓄電池處于既不充電、也不放電的空閑狀態(tài)，提高了DC/DC變換器的使用效率，避免了該變換器頻繁的斷與開。

(3)充電狀態(tài)。當(dāng)蓄電池SOC較低時，蓄電池進(jìn)行充電，或者當(dāng)母線負(fù)荷功率較少，Ppv>Pload，光伏板富余的電量流向蓄電池側(cè)，此時DC/DC變換器處于buck降壓模式。

綜上3種為蓄電池控制策略，備用蓄電池的控制方式和蓄電池的大致相同，在SOC狀態(tài)上，數(shù)字有點(diǎn)偏差，備用蓄電池只有當(dāng)SOC很高時才加入電網(wǎng)中，或者出現(xiàn)一些極端情況，比如連續(xù)陰雨天，光伏模塊基本處于不工作狀態(tài)，因此蓄電池已無法滿足母線負(fù)荷的需求，備用蓄電池則接入電網(wǎng)中，此時還會適當(dāng)考慮降低直流母線電壓或者切除非重要負(fù)載來維持母線電壓的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 蓄電池雙向DC/DC充放電控制

為了研發(fā)蓄電池充放電的功能，本文選用的是Buck/Boost型雙向變換器作為儲能裝置與直流母線的接口控制主電路，該變換器可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動，且結(jié)構(gòu)簡單，易于控制[9-10]。其控制方式如圖4所示。圖4中，Udc為反饋回來的直流母線電壓，Udc-ref為給定的母線電壓參考值，Ibat為蓄電池電流實(shí)際值，Iref為電壓外環(huán)得出的內(nèi)環(huán)蓄電池電流參考值，Gbat為蓄電池輸出的占空比信號。通過該雙環(huán)控制能夠有效地維持母線電壓的穩(wěn)定性,并且當(dāng)蓄電池SOC達(dá)到滿值的時候，會強(qiáng)制將Iref變?yōu)?，使得蓄電池不再進(jìn)行充電。

2.4 母線電壓控制

由于系統(tǒng)處在孤島運(yùn)行，也就需要考慮到，當(dāng)遇到光伏等新能源嚴(yán)重不足的極端條件下系統(tǒng)的運(yùn)行策略。

對于在極端條件下，例如光伏模塊出現(xiàn)故障，或者光照強(qiáng)度很低的情況下，光伏板輸出功率極低，無法滿足系統(tǒng)需求時，本文給出了母線電壓控制策略如圖5所示。其中，Pref為給定的蓄電池輸出最低參考值，Ppcs為蓄電池輸出的實(shí)際功率，ΔP為蓄電池輸出功率與蓄電池給定的參考值的差值。當(dāng)檢測到ΔP大于定值時，通過PID控制降低母線的運(yùn)行電壓；當(dāng)檢測到ΔP小于定值(給蓄電池充電)時，在系統(tǒng)允許的情況下，則適當(dāng)提高母線的運(yùn)行電壓。

圖4 DC/DC雙環(huán)PI控制圖 圖5 母線電壓控制策略

Fig.4DC/DCdoubleloopPIFig.5Busvoltagecontrol

controlchartstrategy

3 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證上述控制策略的有效性，利用Matlab/Simulink搭建了圖1所描述系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中，光伏接口變換器采用的是Boost升壓電路；蓄電池模塊采用的是Simulink里自帶的蓄電池模塊，蓄電池標(biāo)準(zhǔn)電壓為220 V，額定容量為12 A·h；蓄電池接口采用的是Buck/Boost雙向電路，直流負(fù)載用的是電阻代替，直流母線電壓初始值為300 V。

3.1 光伏輸出變化對母線電壓的影響仿真

圖6表示了光伏板端光照強(qiáng)度、光伏板輸出功率、直流母線電壓隨時間的變化情況。由圖6可見，開始負(fù)載功率保持不變，維持在6 KW,整個仿真過程為1 s，在此期間，讓光伏輸出功率發(fā)生變化。最初光伏板光照強(qiáng)度為600 W·m2,在0.4 s升至1 000 W·m2，0.8 s降為800 W·m2，此時光伏輸出功率也隨之出現(xiàn)起伏，從2 900 W先升至3 900 W，最后下降到2 200 W，在光伏輸出波動的情況下，可以看到母線電壓一直維持在300 V左右，偏差很小。

圖6 光伏輸出功率的改變對母線影響仿真

從該仿真結(jié)果可以得到，在其它條件不變的情況下，光伏板輸出功率發(fā)生改變，母線電壓仍然可以維持穩(wěn)定。

3.2 負(fù)載變化對母線電壓影響仿真

圖7是母線負(fù)載功率的變化和母線電壓隨時間的變化情況。由圖7可見，開始讓光伏板輸出為最大功率3 900 W，蓄電池輸出功率為2 200 W，母線初始電壓300 V,整個仿真過程為1 s，并于此期間，讓母線發(fā)生改變。在仿真中，起初母線負(fù)載為3 KW，在0.5 s時接入一個同樣大小的負(fù)載，讓負(fù)載總負(fù)荷為6 KW。從圖7可以看出，負(fù)載在0.5 s時稍有波動，即在負(fù)載加入的瞬間母線電壓波動，但最后還是維持穩(wěn)定在300 V。

從該仿真結(jié)果可以得到，在其它條件不變的情況下，母線負(fù)載功率發(fā)生改變，母線電壓仍然可以維持穩(wěn)定。

3.3 極端條件下降壓運(yùn)行的仿真結(jié)果

在新能源嚴(yán)重不足的極端條件下，系統(tǒng)需要降壓運(yùn)行，以確保部分重要負(fù)荷繼續(xù)可靠地運(yùn)行。圖8就是該種情況下仿真的光伏輸出功率。由圖8可見，蓄電池SOC變化和母線電壓隨時間的變化情況。仿真初期系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，此時光伏板輸出功率為3.9 KW，母線電壓為300 V；0.5 s時，光伏輸出功率突然降低為0，在光伏輸出降低的瞬間，系統(tǒng)通過控制，降壓到220 V運(yùn)行。當(dāng)母線電壓降低到220 V時，母線負(fù)載所消耗的功率也一并降低，此時蓄電池SOC放電速度沒有明顯變化，但是系統(tǒng)少了光伏輸出的支持，SOC放電速度仍然不變，說明母線電壓的降低緩解了蓄電池放電壓力。

圖8 極端條件下母線電壓控制仿真

從該仿真結(jié)果可以得到，當(dāng)系統(tǒng)處于極端條件下時，通過檢測蓄電池輸出功率和放電速度，調(diào)節(jié)母線電壓，盡可能使新能源發(fā)電功率和負(fù)載消耗功率接近，節(jié)省蓄電池的能量，以促進(jìn)電網(wǎng)更長時間的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語

本文提出了一種直流微電網(wǎng)母線電壓穩(wěn)定控制與系統(tǒng)能量管理的方法，實(shí)現(xiàn)了母線電壓的穩(wěn)定工作以及能量管理的優(yōu)化。以直流母線電壓作為參考，分別改變負(fù)載功率和光伏板功率來驗(yàn)證控制策略的有效性，并仿真了處于極端條件下系統(tǒng)應(yīng)對的策略。

最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制策略能夠有效地控制母線電壓的穩(wěn)定，同時對蓄電池能量展開了良好管理，避免蓄電池的過度充放電，并且處于極端條件下的時候，系統(tǒng)也能夠做到長期平穩(wěn)運(yùn)行。