直流微電網(wǎng)母線電壓波動(dòng)分層控制策略

鄧番一 郭英軍 徐佳樂(lè) 孫鶴旭

摘 要：為解決直流微電網(wǎng)母線電壓波動(dòng)問(wèn)題，在考慮蓄電池荷電狀態(tài)的基礎(chǔ)上，依據(jù)直流母線電壓波動(dòng)幅值進(jìn)行抑制，提出一種含制氫負(fù)載和燃料電池的直流微電網(wǎng)母線電壓分層控制策略。建立了光伏電池、蓄電池以及燃料電池的控制模型，給出了直流微電網(wǎng)的運(yùn)行模式以及各運(yùn)行模式下的控制策略。主要利用各單元間的配合，將系統(tǒng)運(yùn)行分為7個(gè)層區(qū)，每個(gè)層區(qū)采取不同的控制策略來(lái)平抑直流母線電壓波動(dòng)。最后在PSCAD/EMTDC仿真軟件與新能源發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上搭建模型。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所提控制策略合理可行，達(dá)到了抑制母線電壓波動(dòng)的目的，提高了直流微電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，對(duì)深入研究直流微電網(wǎng)控制策略具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電池;直流微電網(wǎng);電壓波動(dòng);分層控制;控制策略

中圖分類(lèi)號(hào)：TM615?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.7535/hbgykj.2019yx06006

文章編號(hào)：1008-1534（2019）06-0403-07

Abstract：?In order to solve the problem of DC voltage fluctuation， on the basis of taking the state of charge of the battery into consideration， the DC bus voltage is suppressed according to the voltage fluctuation amplitude， and a hierarchical control strategy is put forward for the bus voltage in DC microgrid consisting of hydrogen production load and fuel cell. The control model for photovoltaic cells， batteries and fuel cells is constructed， and the operation mode of DC microgrid and the control strategy under each operation mode are given. The operation of the system is divided into seven layers based on the coordination of the units， and the layers adopt different control strategies to accurately suppress voltage fluctuations. A model is built on the PSCAD/EMTDC simulation software and the experimental platform of new energy generation. The simulation and experimental results show that the proposed control strategy is reasonable and feasible， and the purpose of suppressing bus voltage fluctuation is achieved. The proposed method improves the stability of DC microgrid operation， and provides some reference value for better research of DC microgrid control strategy.

Keywords：battery; DC microgrid; voltage fluctuation; hierarchical control; control strategy

微電網(wǎng)是一種能夠自我控制和管理的小型供配電系統(tǒng)，相比于交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)具有控制簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低和效率高等顯著特點(diǎn)，是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[1-2]。針對(duì)直流微電網(wǎng)中存在的母線電壓波動(dòng)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了卓有成效的研究工作。

文獻(xiàn)[3—4]介紹了柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)以及儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的綜合協(xié)調(diào)機(jī)制。文獻(xiàn)[5]研究了含光伏、蓄電池和燃料電池的直流微電網(wǎng)能量管理方法，該方法中蓄電池沒(méi)有采用雙向DC/DC變換器，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，蓄電池充放電不可控。文獻(xiàn)[6—8]針對(duì)母線電壓波動(dòng)的原因，比較了多種提高直流微電網(wǎng)特性的控制方法，采用不同控制方法達(dá)到預(yù)期效果，但沒(méi)有考慮蓄電池荷電狀態(tài)（SOC）這一關(guān)鍵特性。文獻(xiàn)[9—10]針對(duì)含光伏或風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能裝置的直流微電網(wǎng)，設(shè)計(jì)了多種系統(tǒng)運(yùn)行模式，提出了系統(tǒng)運(yùn)行控制策略，但未考慮加入制氫設(shè)備來(lái)緩解目前微電網(wǎng)存在的棄風(fēng)棄光問(wèn)題。

本文在直流微電網(wǎng)的基礎(chǔ)上加入了制氫設(shè)備及燃料電池單元[11]，改善了棄風(fēng)棄光和儲(chǔ)能問(wèn)題;針對(duì)直流母線電壓的波動(dòng)問(wèn)題，在考慮蓄電池SOC的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)運(yùn)行劃分為7個(gè)層區(qū)，提出了系統(tǒng)在不同層區(qū)下配合運(yùn)行的控制策略，并且通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。

1?直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以光伏發(fā)電為背景，建立了由光伏發(fā)電單元、蓄電池儲(chǔ)能單元、制氫負(fù)載單元、燃料電池單元和普通負(fù)載單元所組成的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1?光伏發(fā)電單元

該系統(tǒng)由光伏發(fā)電單元作為主要的發(fā)電單元，通過(guò)單向DC/DC變換器連接至直流母線[12]。對(duì)于穩(wěn)定運(yùn)行的直流微電網(wǎng)，光伏發(fā)電單元需要工作在3種模式下：最大功率跟蹤（MPPT）模式、恒壓（CVC）模式以及停機(jī)模式，通過(guò)3種模式的切換來(lái)使直流母線電壓穩(wěn)定，如圖2所示。

1.2?蓄電池儲(chǔ)能單元

蓄電池作為儲(chǔ)能單元，通過(guò)雙向DC/DC變換器連接至直流母線。本文所采用的充放電控制方法將蓄電池的充放電電流和蓄電池的SOC相結(jié)合，防止了因過(guò)充或過(guò)放對(duì)蓄電池造成損壞，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命[13]。

蓄電池的功率/電壓下垂曲線如圖3所示。當(dāng)電壓大于參考電壓Vref時(shí)，蓄電池工作在A區(qū)域，為充電模式;當(dāng)電壓小于參考電壓Vref時(shí)，蓄電池工作在B區(qū)域，為放電模式。當(dāng)蓄電池正常運(yùn)行時(shí)，按照曲線1的模式工作;當(dāng)蓄電池的放電電流超過(guò)最大值或者蓄電池的SOC低于規(guī)定值時(shí)，按曲線2運(yùn)行，蓄電池的輸出功率減小;當(dāng)蓄電池的充電電流超過(guò)最大值或者蓄電池的SOC超過(guò)規(guī)定值時(shí)，按曲線3運(yùn)行，蓄電池吸收功率減小。

本文采用的下垂公式為

1.3?燃料電池單元

在蓄電池儲(chǔ)能單元能夠控制直流母線電壓時(shí)，燃料電池（FC）通常運(yùn)行在待機(jī)模式，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)受到容量限制、直流母線電壓無(wú)法得到有效控制時(shí)，需要投入FC進(jìn)行放電，補(bǔ)償蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率的不足，F(xiàn)C控制框圖如圖5所示。

從圖5可以看出，F(xiàn)C發(fā)電系統(tǒng)控制策略存在2種模式：待機(jī)模式和恒功率模式。對(duì)于恒功率模式，設(shè)置參考功率為

1.4 負(fù)荷單元

該系統(tǒng)由2種負(fù)荷構(gòu)成，制氫設(shè)備作為主要負(fù)荷，制得的氫氣可供給加氫站及工業(yè)使用，并且在直流母線電壓不足時(shí)，燃料電池可消耗氫氣產(chǎn)生電能來(lái)維持直流母線電壓穩(wěn)定，燃燒后生成的水還可以繼續(xù)用來(lái)制氫，反復(fù)循環(huán)使用[14-16]。另外，該系統(tǒng)中還存在一些次要負(fù)荷，在直流母線電壓不足時(shí)，可以從該系統(tǒng)中切除次要負(fù)荷來(lái)維持直流母線電壓穩(wěn)定。

2?系統(tǒng)的能量管理及控制

2.1?直流微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)

對(duì)于含光伏發(fā)電單元、儲(chǔ)能單元、燃料電池單元、制氫設(shè)備單元及次要負(fù)荷的直流微電網(wǎng)而言，其功率流動(dòng)情況與各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)緊密相連。因此，本文的能量管理系統(tǒng)是控制光伏發(fā)電單元、蓄電池儲(chǔ)能單元，同時(shí)在需要時(shí)將燃料電池作為備用電源，使它們配合工作在各種模式下，實(shí)現(xiàn)能量變化時(shí)直流母線電壓的穩(wěn)定。其能量管理結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

2.2?直流微電網(wǎng)的電壓分層控制

系統(tǒng)母線電壓的穩(wěn)定與否反映了直流微電網(wǎng)各部分功率流動(dòng)是否平衡。因此，本文根據(jù)直流母線電壓波動(dòng)大小，采用直流微電網(wǎng)電壓分層控制策略[10]，將系統(tǒng)運(yùn)行劃分為7個(gè)層區(qū)，分別為第1層區(qū)：光伏單元DC/DC變換器控制;第2層區(qū)：儲(chǔ)能設(shè)備充電控制;第3層區(qū)：切入次要負(fù)荷控制;第4層區(qū)：光伏單元控制;第5層區(qū)：儲(chǔ)能設(shè)備放電控制;第6層區(qū)：切出次要負(fù)荷及減少制氫量控制;第7層區(qū)：儲(chǔ)能設(shè)備放電及切出次要負(fù)荷控制。控制不同的運(yùn)行層區(qū)都有作為平衡節(jié)點(diǎn)的變換器來(lái)調(diào)整直流母線電壓，確保系統(tǒng)各部分功率流動(dòng)平衡，且能夠在不同運(yùn)行條件下穩(wěn)定、可靠工作。

圖7為模式切換判斷標(biāo)準(zhǔn)圖，ΔUdc為母線電壓實(shí)際值與參考值的差值。a1，a2，a3，b1，b2，b3為運(yùn)行模式判斷系數(shù)，其中a1>a2>a3為負(fù)值，b1

下面具體分析和介紹各層區(qū)光伏發(fā)電單元、蓄電池儲(chǔ)能單元、燃料電池單元的運(yùn)行策略。設(shè)定系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，蓄電池儲(chǔ)能等各單元均處于良性工作區(qū)。

第1層區(qū)：此范圍內(nèi)母線電壓波動(dòng)不大，主要利用光伏發(fā)電單元中的DC/DC變換器平衡母線電壓。

第2層區(qū)：當(dāng)系統(tǒng)母線電壓持續(xù)增高，系統(tǒng)進(jìn)入第2層區(qū)運(yùn)行，此時(shí)光伏單元工作在MPPT模式下，儲(chǔ)能單元開(kāi)始充電。

第3層區(qū)：當(dāng)蓄電池容量達(dá)到SOCmax時(shí)，即失去調(diào)節(jié)能力，直流母線電壓會(huì)繼續(xù)上升，系統(tǒng)進(jìn)入第3層區(qū)運(yùn)行。此時(shí)，為平衡系統(tǒng)內(nèi)部能量流動(dòng)，開(kāi)始給次要負(fù)荷供電。

第4層區(qū)：當(dāng)儲(chǔ)能單元充滿(mǎn)電，次要負(fù)荷供電，電解槽消納系統(tǒng)剩余功率制氫，電壓仍高于系統(tǒng)規(guī)定值時(shí)，光伏單元從MPPT模式切換至CVC模式，以保證直流母線電壓的穩(wěn)定。

第5層區(qū)：當(dāng)直流母線電壓減小，系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入第5層區(qū)工作。該層區(qū)下，儲(chǔ)能單元將投入工作，通過(guò)放電來(lái)調(diào)節(jié)直流母線電壓，次要負(fù)荷不供電。

第6層區(qū)：由于天氣原因，光伏產(chǎn)電量下降，此時(shí)蓄電池容量達(dá)到SOCmin。這時(shí)需要切斷次要負(fù)荷，且減少制氫設(shè)備的用電。

第7層區(qū)：由于天氣原因，沒(méi)有光照，光伏單元無(wú)法正常工作。儲(chǔ)能單元開(kāi)始放電，并停止對(duì)次要負(fù)荷的供電。緊急時(shí)，可以啟動(dòng)燃料電池來(lái)維持直流母線電壓的穩(wěn)定。

3?直流微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1?仿真分析

根據(jù)《電能質(zhì)量供電電壓偏差》[17]國(guó)標(biāo)規(guī)定，將直流母線電壓設(shè)置為400 V，允許其上下波動(dòng)范圍為±5%，即380～420 V，本文中直流母線電壓分層控制一共設(shè)置7個(gè)層區(qū)，每5 V設(shè)定1個(gè)層區(qū)，其中第1層區(qū)設(shè)定為±5 V。運(yùn)行模式判斷系數(shù)為a1=-5，a2=-10，a3=-15，b1=5，b2=10，b3=15。每一層區(qū)電壓范圍如表1所示。

基于PSCAD仿真軟件，搭建本文所需的含制氫負(fù)載和燃料電池單元的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)參數(shù)如表2所示，根據(jù)前面所提出的控制策略得到了不同層區(qū)下的仿真波形。由于層區(qū)1的電壓波動(dòng)由光伏DC/DC變換器來(lái)控制，故本文只對(duì)后6個(gè)層區(qū)進(jìn)行仿真分析。

圖8為直流母線電壓升高波動(dòng)時(shí)的仿真結(jié)果。其中，Udc為直流母線電壓，Ipv為光伏單元電流，SOC為蓄電池荷電狀態(tài)，I2為次要負(fù)荷電流。由圖8 a）可知，在1.2 s時(shí)電壓波動(dòng)在405～410 V，此時(shí)光伏單元工作在MPPT模式下，次要負(fù)荷不供電，利用蓄電池充電使電壓降低恢復(fù)至額定值。由圖8 b）可知，在3 s時(shí)，蓄電池SOC達(dá)到上限，不能再繼續(xù)充電，電壓升高至410～415 V，此時(shí)開(kāi)始給次要負(fù)荷供電以吸收直流母線功率，使電壓降低恢復(fù)至額定值。由圖8 c）可知，次要負(fù)荷已經(jīng)開(kāi)始供電，3.5 s時(shí)蓄電池SOC達(dá)到上限，此時(shí)電壓在415～420 V之間波動(dòng)，光伏發(fā)電單元?jiǎng)t從MPPT模式切換至CVC模式，使電壓得到穩(wěn)定。由圖8可知，在直流母線電壓升高時(shí)，本文控制策略可以使直流母線電壓快速恢復(fù)至額定值。

圖9為直流母線電壓降低波動(dòng)時(shí)的仿真結(jié)果。直流母線電壓降低時(shí)，便不給次要負(fù)荷供電。由圖9 a）可知，在2 s時(shí)電壓波動(dòng)在390～395 V，光伏發(fā)電單元依舊處于MPPT模式下，儲(chǔ)能單元將通過(guò)放電使電壓升高至額定值。由圖9 b）可知，由于天氣原因光伏產(chǎn)電量下降，在3 s時(shí)蓄電池SOC達(dá)到最低值不能再繼續(xù)放電，電壓波動(dòng)在385～390 V，此時(shí)通過(guò)減少制氫設(shè)備用電量來(lái)維持直流母線電壓穩(wěn)定。由圖9 c）可知，因?yàn)樘鞖庠驔](méi)有光照，光伏單元無(wú)法正常工作，電壓波動(dòng)在380～385 V，此時(shí)儲(chǔ)能單元開(kāi)始進(jìn)行放電，緊急時(shí)，還可啟動(dòng)燃料電池使直流母線電壓穩(wěn)定。由圖9可知，直流母線電壓降低時(shí)，本文控制策略可以使直流母線電壓快速恢復(fù)至額定值。

3.2?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在新能源發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上搭建如圖1所示的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，如圖10所示。

圖11 a）和b）分別為b1<ΔUdc≤b2，a2≤ΔUdc

上述仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的直流母線電壓波動(dòng)分層控制策略合理可行，能夠較好地穩(wěn)定母線電壓波動(dòng)，保證電能質(zhì)量。

4?結(jié)?語(yǔ)

本文提出含制氫負(fù)載和燃料電池的直流微電網(wǎng)母線電壓波動(dòng)分層控制策略，按照母線電壓波動(dòng)區(qū)間劃分為7個(gè)層區(qū)，在不同層區(qū)中依據(jù)各單元優(yōu)先級(jí)、蓄電池荷電狀態(tài)采取不同的控制策略。仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提控制策略的正確性，達(dá)到了抑制母線電壓波動(dòng)的目的，滿(mǎn)足電壓波動(dòng)的電能質(zhì)量要求。本文采用的控制方法簡(jiǎn)單有效，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

利用本文的控制策略，雖然在抑制母線電壓波動(dòng)方面取得了一定成果，但控制策略在各層區(qū)間的切換速度還有待提高，在下一步工作中，將把層區(qū)間切換速度作為研究重點(diǎn)，使本文控制策略在直流微電網(wǎng)中得到更好的發(fā)展。

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