基于儲能設(shè)備的直流微電網(wǎng)母線電壓控制策略研究

任 琛，劉志娟,柳雪松

(1.太原理工大學 電氣與動力工程學院,太原 030024；2.山西省電力公司太原供電公司，太原 030024；3.山西省電力公司 長治壺關(guān)供電公司，長治 047300)

基于儲能設(shè)備的直流微電網(wǎng)母線電壓控制策略研究

任 琛1，劉志娟2,柳雪松3

(1.太原理工大學 電氣與動力工程學院,太原 030024；2.山西省電力公司太原供電公司，太原 030024；3.山西省電力公司 長治壺關(guān)供電公司，長治 047300)

針對含儲能設(shè)備的直流微電網(wǎng)系統(tǒng),提出以直流母線電壓為控制信號,各接口變換器分段參與母線電壓調(diào)節(jié)的系統(tǒng)運行方法和母線電壓控制策略。該控制策略能夠保證直流微電網(wǎng)系統(tǒng)在孤島、并網(wǎng)運行下穩(wěn)定工作,實現(xiàn)母線電壓恒定及能量最優(yōu)利用。Simulink仿真和dSPACE實驗驗證該控制策略的有效性。

儲能;直流微電網(wǎng);變換器;直流母線電壓;控制策略

可再生能源發(fā)電技術(shù)的出現(xiàn),一方面可以解決資源短缺和環(huán)境污染等問題,另一方面具有隨機性的可再生能源發(fā)電電源直接并入電網(wǎng)，將會給系統(tǒng)帶來調(diào)峰困難以及可靠性等方面的問題[1-4]。而采用含儲能設(shè)備的微網(wǎng)形式并入主網(wǎng)可以有效解決上述問題,并使可再生能源的價值得到充分利用[5-9]。直流微網(wǎng)有優(yōu)于交流微網(wǎng)的特性,如電壓頻率和相位不變,只需控制其直流電壓大小,因而可再生能源發(fā)電電源與負載接入直流微網(wǎng)可控性更高[10]?？紤]到可再生能源發(fā)電具有較強的隨機性,故直流微網(wǎng)運行于孤島狀態(tài)時,需通過儲能設(shè)備調(diào)節(jié)電能平衡,因此直流微網(wǎng)系統(tǒng)中多種接口單元的協(xié)調(diào)控制成為熱門話題之一[11-14]。文獻[15]給出了一種太陽能電動汽車充電站的直流母線電壓控制策略,其集中控制器采用雙向AC/DC變換器,而不考慮儲能接口變換器和光伏接口變換器的電壓調(diào)節(jié)能力,缺點為動態(tài)響應(yīng)慢,可靠性低。文獻[16]提出了一種直流微網(wǎng)系統(tǒng)能量管理策略,系統(tǒng)模態(tài)間的切換取決于直流母線電壓,故系統(tǒng)可靠性和動態(tài)響應(yīng)速度都有所提高。但是,該方法將系統(tǒng)分為4種工作模態(tài),并相應(yīng)設(shè)定各自的直流母線電壓參考值,不恒定的直流母線電壓對系統(tǒng)各接口變換器的性能影響較大。

針對上述問題,對含儲能設(shè)備的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)進行研究,提出一種以直流母線電壓作為控制信號的系統(tǒng)運行方法和母線電壓控制策略。該系統(tǒng)無需集中控制器,各接口變換器協(xié)調(diào)工作,分段參與直流母線電壓控制,實現(xiàn)系統(tǒng)的并網(wǎng)和孤島運行。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

考慮到光伏板出力具有較強的隨機性,故在可孤島運行的直流微電網(wǎng)中,系統(tǒng)的功率平衡需儲能單元的接入,另外,該系統(tǒng)還包括網(wǎng)側(cè)接口單元以及光伏發(fā)電單元。圖1為一個簡化的含蓄電池儲能設(shè)備的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)。

圖1 簡化的含光伏發(fā)電和蓄電池儲能的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)Fig.1 A compact DC microgrid based on PV generation and energy storage system

該系統(tǒng)中,以光伏發(fā)電單元(帶有boost變換器)模擬直流電源,以蓄電池單元(帶有雙向DC/DC變換器)模擬儲能設(shè)備,以變化的DC與AC負荷模擬隨時變化的負荷。光照水平和外界環(huán)境溫度的變化影響光伏板的輸出電壓,并由MPPT算法給定光伏板的末端電壓參考值。一組PV模塊組成光伏發(fā)電單元,并通過控制使其輸出電壓穩(wěn)定。通過調(diào)節(jié)雙向DC/DC變換器及蓄電池單元,實現(xiàn)功率平衡。在孤島模式下,直流母線電壓的穩(wěn)定由蓄電池充放電實現(xiàn)。三相變壓器和雙向DC/AC變換器連通了公共電網(wǎng)和直流母線之間的通道,該雙向DC/AC變換器用以控制直流微電網(wǎng)和交流側(cè)的能量交換。

2 變換器模型與控制

boost變換器的主要目標是跟蹤光伏板的最大功率點,主要是通過功率-電壓特性曲線來調(diào)節(jié)光伏板的電壓。蓄電池變換器的目標是在孤島模式下,控制使直流母線電壓穩(wěn)定。網(wǎng)側(cè)接口變換器的目標是在并網(wǎng)模式下維持直流母線電壓穩(wěn)定;在孤島模式下為AC負荷提供高質(zhì)量的三相交流電壓。以上3種變換器均必須采用適當?shù)目刂撇呗?以滿足光伏板最大功率點跟蹤及系統(tǒng)功率平衡的需要。

2.1 光伏發(fā)電boost變換器的控制策略

圖2 boost變換器的控制策略Fig.2 Control scheme of the boost converter

2.2 蓄電池變換器的控制策略

蓄電池變換器是一個雙向DC/DC變換器,用于在孤島模式下保持直流母線電壓穩(wěn)定,如圖3所示。

圖3 蓄電池變換器的控制策略Fig.3 Control scheme of the battery converter

假設(shè)充電狀態(tài)下蓄電池電流ib為正,那么放電狀態(tài)下ib為負。忽略電力電子器件的損耗以及由開關(guān)動作引起的高頻諧波,進一步忽略直流母線瞬時電壓的波動,由直流側(cè)功率平衡方程式可得將boost變換器的輸出功率、DC負荷消耗的功率、逆變器消耗的功率設(shè)定為常量,改變蓄電池變換器的功率來調(diào)節(jié)直流母線電容電壓是可行的。

2.3 網(wǎng)側(cè)接口變換器的控制策略

網(wǎng)側(cè)接口變換器的作用是實現(xiàn)直流母線和公共電網(wǎng)之間的電能交換,在并網(wǎng)模式下維持直流母線電壓穩(wěn)定,在孤島模式下為交流負荷提供高質(zhì)量的三相交流電壓。

圖4 網(wǎng)側(cè)接口變換器的控制策略Fig.4 Control scheme of the grid-tied converter

網(wǎng)側(cè)接口變換器的控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。并網(wǎng)運行時,網(wǎng)側(cè)接口變換器是一個電流控制電壓源,通常采用同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓電流雙閉環(huán)控制。直流母線電壓通過PI控制保持恒定,控制結(jié)果被設(shè)定為瞬時有功電流id的參考值。孤島運行時,網(wǎng)側(cè)接口變換器運行于逆變模式,為交流負荷提供交流電壓。瞬時d軸和q軸電壓被用于逆變器控制,反饋電壓通過三相輸出電壓和Tabc-dq轉(zhuǎn)換獲得。

3 系統(tǒng)工作模態(tài)

本文研究的含儲能設(shè)備的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)既能夠孤島運行也能夠并網(wǎng)運行。系統(tǒng)孤島運行時,蓄電池變換器控制蓄電池完成充放電,使系統(tǒng)功率平衡,直流母線電壓穩(wěn)定;網(wǎng)側(cè)接口變換器運行于逆變模式,為交流負荷提供穩(wěn)定的交流電壓。系統(tǒng)并網(wǎng)運行時,由網(wǎng)側(cè)接口變換器維持直流母線電壓穩(wěn)定。因而,將系統(tǒng)的工作模態(tài)劃分為4種:孤島運行,蓄電池充電,吸收網(wǎng)內(nèi)剩余功率;孤島運行,蓄電池放電,補充系統(tǒng)功率缺額;并網(wǎng)運行,網(wǎng)側(cè)接口變換器處于逆變模式,系統(tǒng)將剩余功率回饋到大電網(wǎng);并網(wǎng)運行,網(wǎng)側(cè)接口變換器處于整流模式,系統(tǒng)缺額功率由大電網(wǎng)供給。根據(jù)各變換器的運行狀態(tài)和系統(tǒng)要求,光伏、儲能及網(wǎng)側(cè)接口變換器可等效于電流源或電壓源形式,并且均對直流母線電壓進行采樣,以實現(xiàn)控制直流母線電壓的目的,其在4種工作模式下的控制方式和等效形式具體見表1。

表1 不同工作模態(tài)下各變換器的控制方式

表1中列出了4種工作模態(tài)下,各變換器的工作狀態(tài)和控制方式。根據(jù)不同工作狀態(tài)下變換器出口側(cè)對外特性,可將各變換器等效為電壓源及電流源2種電源形式。并且,根據(jù)運行要求,系統(tǒng)始終有且僅有一個變換器工作于電壓源形式,并控制直流母線電壓,而其余變換器均工作于電流源形式,這種運行模式非常有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4 Simulink仿真及分析

為了驗證本文所提策略的有效性和可行性,應(yīng)用Simulink仿真軟件對系統(tǒng)的不同工作模態(tài)進行仿真。本系統(tǒng)交流側(cè)電壓110 V,頻率50 Hz;直流母線電壓參考值Vdc-ref取200 V,電壓波動范圍為±5%。直流母線電壓波動范圍設(shè)置太大時,各變換器的效率和系統(tǒng)的可靠性不高;設(shè)置太小時,由于某些原因(如采樣誤差)系統(tǒng)發(fā)生工作模態(tài)間的誤切換概率增大[9]。仿真中由2個直流電壓源與電阻串聯(lián)模擬光伏陣列,最大功率為600 W.蓄電池額定電壓48 V,額定容量12 A·h,則最大充放電電流分別設(shè)定為12 A和10 A,系統(tǒng)交直流負荷變化范圍為400～2 400 W.

4.1 孤島運行

直流微電網(wǎng)處于孤島運行狀態(tài)時,為了滿足直流負荷的要求,并保證逆變器和boost變換器較好的控制性能,系統(tǒng)必須保證有穩(wěn)定的直流母線電壓。

在本控制策略中,系統(tǒng)處于孤島模式時,網(wǎng)側(cè)接口變換器工作于逆變狀態(tài)并為交流負荷提供電能,蓄電池變換器控制蓄電池完成充放電,使系統(tǒng)功率平衡,達到直流母線電壓穩(wěn)定的目的。

4.1.1 蓄電池充電

系統(tǒng)本地負荷初值設(shè)定為400 W,此時boost變換器的輸出功率Ppv=600 W,本地負荷Pload=400 W,光伏陣列處于供大于求的狀態(tài),此時蓄電池充電,網(wǎng)側(cè)接口變換器逆變運行,系統(tǒng)運行于工作模態(tài)1,仿真波形如圖5、圖6所示。

圖5 孤島模式下蓄電池充電波形Fig.5 Battery charging in isolated mode

圖6 孤島模式下交流側(cè)電壓電流波形Fig.6 AC side voltage vs current in isolated mode

如圖5所示,當Ppv>Pload時,蓄電池充電維持直流母線電壓穩(wěn)定在200 V,此時蓄電池充電電流約為1.2 A,充電電壓為48 V。如圖6所示,在孤島運行時,網(wǎng)側(cè)接口變換器工作于逆變狀態(tài),為交流負荷提供可靠電能。

4.1.2 蓄電池放電

當系統(tǒng)本地負荷在t=1 s時由400 W突增至800 W,即Ppv=600 W,Pload=800 W,光伏陣列處于供不應(yīng)求的狀態(tài),此時蓄電池放電以維持直流母線電壓穩(wěn)定,系統(tǒng)運行于工作模態(tài)2,仿真波形如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 孤島模式下蓄電池放電波形Fig.7 Battery discharging in isolated mode

如圖7所示,系統(tǒng)孤島運行時,本地負荷在t=1 s時增加,蓄電池由充電模式轉(zhuǎn)化為放電模式,來滿足系統(tǒng)功率平衡。在t=1 s前,蓄電池充電,充電電流為1.2 A;在t=1 s后,蓄電池放電,使直流母線電壓維持在200 V,此時蓄電池放電電流約為4 A.

圖8 孤島模式下直流母線電壓瞬時響應(yīng)Fig.8 DC bus voltage transient response in isolated mode

圖8和圖9是蓄電池放電時,本地負荷在t=1 s時由400 W增加到800W,直流母線電壓及電流波動情況。圖8表示在t=1 s時,直流母線電壓突降至165 V,在t=1.06 s時恢復(fù)至190 V,恢復(fù)到允許波動范圍之內(nèi),t=1.1 s后直流母線電壓保持在200 V,由圖可知直流母線電壓恢復(fù)的響應(yīng)時間為0.06 s.圖9表示t=1 s時,直流負荷增加導(dǎo)致直流母線電流增加,t=1.1 s后,直流母線電流穩(wěn)定在4 A.

圖9 孤島模式下直流母線電流瞬時響應(yīng)Fig.9 DC bus current transient response in isolated mode

4.2 并網(wǎng)運行

系統(tǒng)運行于并網(wǎng)模式時,網(wǎng)側(cè)接口變換器工作于PQ模式,系統(tǒng)功率平衡由公共電網(wǎng)完成。交流負荷由公共電網(wǎng)供電,網(wǎng)側(cè)接口變換器負責維持直流母線電壓穩(wěn)定。

4.2.1 網(wǎng)側(cè)接口變換器逆變運行

系統(tǒng)本地負荷初值設(shè)定為400 W,即Ppv=600 W,Pload=400 W,光伏陣列處于供大于求的狀態(tài),此時蓄電池充電,網(wǎng)側(cè)接口變換器逆變運行,系統(tǒng)運行于工作模態(tài)3,仿真波形如圖10所示。

圖10 逆變模式下交流側(cè)電壓電流波形Fig.10 AC side voltage vs current in inverted mode

圖10為并網(wǎng)運行,系統(tǒng)工作于模態(tài)3時,網(wǎng)側(cè)接口變換器兩側(cè)的波形圖。圖10說明當Ppv>Pload時,網(wǎng)側(cè)接口變換器工作于逆變模式,將多余的電能饋送給公共電網(wǎng),此時,交流側(cè)電流大小約為2 A.

4.2.2 網(wǎng)側(cè)接口變換器整流運行

當系統(tǒng)本地負荷在t=1 s時由400 W突增至800 W,即Ppv=600 W,Pload=800 W,光伏陣列處于供不應(yīng)求的狀態(tài),在并網(wǎng)模式下,網(wǎng)側(cè)接口變換器運行于整流狀態(tài),維持直流母線電壓穩(wěn)定,系統(tǒng)運行于工作模態(tài)4,仿真波形如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 整流模式下交流側(cè)電壓電流波形Fig.11 AC side voltage vs current in rectifying mode

圖11為網(wǎng)側(cè)接口變換器整流運行時,交流側(cè)電壓電流波形。圖11說明當Ppv

圖12 整流模式下直流母線電壓突降波形Fig.12 DC bus voltage decrease in rectifying mode

圖12為本地負荷繼續(xù)增加,網(wǎng)側(cè)接口變換器兩側(cè)的動態(tài)響應(yīng)波形圖。圖12表示負荷在t=1 s時由800 W增加到1 200 W,在t=1 s之前,交流側(cè)電流約為2 A,t=1 s之后,負荷增加,交流側(cè)電流由2 A增加至6 A,直流母線電壓突降至165 V,由于網(wǎng)側(cè)接口變換器的作用,直流母線電壓從t=1.02 s時開始恢復(fù)至允許波動范圍之內(nèi),t=1.02 s之后,直流母線電壓穩(wěn)定在200 V,此情況下直流母線電壓恢復(fù)的響應(yīng)時間為0.02 s.

圖13 整流模式下直流母線電壓突升波形Fig.13 DC bus voltage rise in rectifying mode

圖13是當本地負荷在t=2 s時，由1 200 W突然減小到800 W,直流母線電壓的波動情況。在t=2 s時,由于直流負荷突然減小,交流側(cè)電流由6 A減小為2 A,直流母線電壓突然升高至240 V,網(wǎng)側(cè)接口變換器工作,直流母線電壓從t=2.04 s時開始恢復(fù)至允許波動范圍之內(nèi),t=2.06 s之后,直流母線電壓穩(wěn)定在200 V,此情況下直流母線電壓恢復(fù)的響應(yīng)時間為0.04 s.仿真結(jié)果表明在孤島和并網(wǎng)模式下,該系統(tǒng)均能保持直流母線電壓穩(wěn)定,且系統(tǒng)響應(yīng)速度快、可靠性高。驗證了本文所提控制策略的有效性。

5 dSPACE實驗及分析

為了驗證本文提出的直流微電網(wǎng)母線電壓控制策略在實際系統(tǒng)中的有效性和可行性,在dSPACE1104上進行了實驗驗證?？刂扑惴ń?jīng)dSPACE RTI接口設(shè)置后自動生成控制代碼下載到控制部件,并在ControlDesk中進行界面設(shè)計和實驗控制。系統(tǒng)硬件設(shè)備參數(shù):鋰電池組額定電壓24 V,電感為7 mH,電容為470 μF,電阻為40 Ω.實驗中直流母線電壓參考值設(shè)定為50 V,交流側(cè)電壓設(shè)定為20 V.開關(guān)管選用型號MII75-12A3式IGBT.

5.1 孤島運行

系統(tǒng)孤島運行時,網(wǎng)側(cè)接口變換器始終逆變運行,變換器交流側(cè)電壓電流的實驗波形如圖14所示。由圖14-a可以看出網(wǎng)側(cè)電壓電流均具有良好的正弦度,且電壓電流幾乎同相位,功率因數(shù)為0.98.圖14-b為孤島模式下蓄電池放電波形圖。圖14-b可見,鋰電池組電壓24 V,放電并維持直流母線電壓穩(wěn)定在50 V左右,交流側(cè)電壓(通道4)經(jīng)網(wǎng)側(cè)接口變換器逆變后穩(wěn)定在20 V左右,且具有良好的正弦度。

圖14 孤島模式Fig.14 Isolated mode

5.2 并網(wǎng)運行

圖15 并網(wǎng)模式Fig.15 Grid-connected modes

系統(tǒng)并網(wǎng)運行時,蓄電池工作于充電狀態(tài),網(wǎng)側(cè)接口變換器工作于PQ模式。圖15-a為并網(wǎng)模式下蓄電池充電波形圖。圖15-a可見,網(wǎng)側(cè)接口變換器控制直流母線電壓穩(wěn)定在50 V左右,儲能接口變換器工作于buck模式并為鋰電池組充電。圖15-b為并網(wǎng)運行時,直流側(cè)電壓波形,此時網(wǎng)側(cè)接口變換器整流運行?？梢钥闯鲋绷髂妇€電壓(通道3)穩(wěn)定在50 V左右,僅有很小的波動,且交流側(cè)電壓電流畸變較小。實驗結(jié)果表明系統(tǒng)在不同工作模態(tài)下均能穩(wěn)定工作,交流側(cè)電壓電流畸變小,且直流母線電壓均能保持穩(wěn)定。

6 結(jié)論

提出了一種基于儲能設(shè)備的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)運行方法和母線電壓控制策略,Simulink仿真及實驗結(jié)果驗證了所提策略的有效性。仿真結(jié)果表明,策略使能夠保證直流微電網(wǎng)系統(tǒng)在孤島、并網(wǎng)運行下均能穩(wěn)定工作;該策略無需集中控制器,提高了系統(tǒng)運行可靠性,降低了成本;各接口變換器協(xié)調(diào)工作,分段參與直流母線電壓控制,系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度快。

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(編輯：劉笑達)

Control Strategy for DC Bus Voltage of DC Microgrid
with Energy Storages

REN Chen1,LIU Zhijuan2,LIU Xuesong3

(1.CollegeofElectricalandPowerEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China；2.TaiyuanPowerSupplyCompauy,ShanxiElectricPoaerCompany,Taiyuan030024,China; 3.ChangzhiPowerSupplyCompany,ShanxiElectricPowerCompany,Changzhi047300,China)

In the DC microgrid with energy storages, a system operation method and control strategy of DC bus voltage was proposed, which takes DC bus voltage as control information and converters participating in the control of DC bus voltage. The DC microgrid is composed of one boost converter for PV arrays, one DC/DC converter for battery charging/discharging, one bidirectional grid-tied DC/AC converter and local loads. According to each unit operation features and system operation requirements, the operations of system are categorized into four modes: isolated with battery charging, isolated with battery discharging, grid-connected with grid-tied converter inversion and grid-connected with grid-tied converter rectification. The operation modes and conversions are determined by the DC bus voltage. The control strategy can ensure that the DC microgrid is available of either grid-connected mode or isolated mode, realizing bus voltage stability and optimize energy utilization. The simulation and experiment results verify the effectiveness of the proposed control strategy.

energy storage;DC microgrid;converter;DC bus voltage;control strategy

1007-9432(2015)05-0598-06

2015-01-31

國家國際科技交流與合作專項：含分布式電源的微電網(wǎng)運行與優(yōu)化控制的合作研究(2010DFB63200)；山西省高等學校中青年拔尖創(chuàng)新人才支持計劃資助；山西省留學人員科技活動擇優(yōu)資助項目

任琛(1989-)，男，山西平遙人，碩士生，主要從事電力系統(tǒng)運行與控制研究,(Tel)13403468201, (E-mail)890123@163.com

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10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.05.023