考慮多儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配的獨(dú)立直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略

王子鵬，鄭麗君，呂世軒

(煤礦電氣設(shè)備與智能控制山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(太原理工大學(xué))，太原市 030024)

0 引 言

隨著新能源的快速發(fā)展，微電網(wǎng)受到了廣泛關(guān)注。微電網(wǎng)中的新能源發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)通常以直流形式輸出，因此，采用直流微電網(wǎng)可以減少電能轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提升系統(tǒng)運(yùn)行效率[1-4]。此外，為了進(jìn)一步提升微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，避免系統(tǒng)單點(diǎn)故障造成微網(wǎng)系統(tǒng)崩潰，直流微電網(wǎng)通常采用具有多組分布式發(fā)電單元和儲(chǔ)能單元的多源儲(chǔ)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。由于直流微電網(wǎng)中新能源發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率和容量均是有限的，最大化源儲(chǔ)的能源利用率是必要的。

光伏發(fā)電具有隨機(jī)性和間歇性，為了最大化光伏能源利用率，光伏系統(tǒng)通常工作在最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking ，MPPT)模式。而當(dāng)其輸出功率超出負(fù)荷與儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求時(shí)，為了避免光伏輸出過(guò)剩導(dǎo)致母線(xiàn)電壓過(guò)度上升，光伏系統(tǒng)需要降功率運(yùn)行[5-7]。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以雙向輸出，且輸出功率穩(wěn)定、可控、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快，可以平抑新能源功率波動(dòng)，并在新能源發(fā)電不足時(shí)為負(fù)荷持續(xù)供電[8-11]。然而，儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出能力是有限的，需要在充/放電與限功率充/放電模式間切換。此外，在多源儲(chǔ)的微網(wǎng)中，多個(gè)儲(chǔ)能單元分散配置在微網(wǎng)中，由于線(xiàn)路阻抗的差異，能量消耗存在差異，容易導(dǎo)致部分儲(chǔ)能單元過(guò)度充電或深度放電，最終提前退出運(yùn)行，影響微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[12]。因此，直流微電網(wǎng)中的源儲(chǔ)需要在以上模式間合理切換，以實(shí)現(xiàn)源儲(chǔ)能源利用率最大化。在此基礎(chǔ)上，為了提升多源儲(chǔ)微網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，儲(chǔ)能單元需要根據(jù)自身荷電狀態(tài)(state of charge， SOC)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率，實(shí)現(xiàn)多儲(chǔ)能系統(tǒng)間能量的均衡分布[13-15]。針對(duì)上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[16]以直流母線(xiàn)電壓信號(hào)作為模式切換判據(jù)，采用下垂控制實(shí)現(xiàn)源儲(chǔ)荷的協(xié)調(diào)運(yùn)行，同一時(shí)刻，僅有一類(lèi)單元參與穩(wěn)定母線(xiàn)電壓，其余單元處于電流源模式以最大化輸出功率。但是，該方法中儲(chǔ)能單元間功率分配比例是固定的，難以實(shí)現(xiàn)多儲(chǔ)能系統(tǒng)間功率的動(dòng)態(tài)分配。文獻(xiàn)[17]通過(guò)加入通信系統(tǒng)，獲取各儲(chǔ)能單元SOC與運(yùn)行狀況信息，通過(guò)中央控制器調(diào)節(jié)各源儲(chǔ)單元運(yùn)行模式及下垂系數(shù)，實(shí)現(xiàn)源儲(chǔ)協(xié)調(diào)運(yùn)行，同時(shí)具備多儲(chǔ)能系統(tǒng)根據(jù)SOC分配系統(tǒng)功率的功能。但是，額外的通信系統(tǒng)降低了微網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。文獻(xiàn)[18]設(shè)置下垂系數(shù)為SOC的冪函數(shù)，根據(jù)SOC調(diào)整儲(chǔ)能單元充放電功率。但是，這一方法中恒功率模式與下垂模式間的臨界電壓隨SOC變化而動(dòng)態(tài)調(diào)整。無(wú)通信的情況下，新能源發(fā)電系統(tǒng)難以獲取儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)的臨界電壓值，這一問(wèn)題會(huì)使兩者模式切換的臨界電壓出現(xiàn)差異，難以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)運(yùn)行，導(dǎo)致新能源利用率下降。文獻(xiàn)[19]采用實(shí)時(shí)SOC值與參考SOC值相除得到比例系數(shù)，以此調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率。在充電側(cè)，實(shí)時(shí)SOC值大于參考SOC值的儲(chǔ)能單元存在輸出功率較小的問(wèn)題，難以充分利用光伏發(fā)電。在放電側(cè)，實(shí)時(shí)SOC值小于參考SOC值的儲(chǔ)能單元同樣存在輸出功率較小的問(wèn)題，難以充分利用儲(chǔ)能系統(tǒng)出力。

文中針對(duì)源儲(chǔ)能源利用率最大化與多儲(chǔ)能系統(tǒng)間功率合理分配兩方面的平衡控制問(wèn)題，提出考慮多儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配的獨(dú)立直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略。首先，以直流母線(xiàn)電壓信號(hào)作為模式切換的判據(jù)，以實(shí)現(xiàn)源儲(chǔ)的能源利用率最大化為原則，將微網(wǎng)劃分為5種運(yùn)行模式。然后，光伏單元采用基于最大功率實(shí)時(shí)追蹤的功率控制策略，使光伏單元可以根據(jù)當(dāng)前輸出能力與母線(xiàn)電壓水平自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率以匹配系統(tǒng)功率需求。儲(chǔ)能單元采用自適應(yīng)功率下垂控制策略，實(shí)現(xiàn)多儲(chǔ)能單元間根據(jù)SOC合理分擔(dān)系統(tǒng)功率。最后，在Matlab/Simulink中搭建直流微電網(wǎng)模型，驗(yàn)證所提控制策略的控制效果。

1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式

文中研究的獨(dú)立直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由光伏發(fā)電單元、儲(chǔ)能單元和負(fù)荷組成。其中，光伏發(fā)電單元通過(guò)Boost變換器向直流母線(xiàn)輸送功率，可工作在MPPT模式與降功率(off-MPPT)模式；儲(chǔ)能單元通過(guò)Buck/Boost雙向變換器連接至直流母線(xiàn)以輸送或吸收功率，可工作在恒功率充/放電模式、下垂充/放電模式及待機(jī)模式。

圖1 獨(dú)立直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of DC microgrid

獨(dú)立直流微電網(wǎng)中的源儲(chǔ)單元的工作模式可以分為電壓源和電流源兩大類(lèi)。其中電壓源單元維持母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定，根據(jù)系統(tǒng)功率需求自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率，電流源單元?jiǎng)t最大程度輸出功率。微電網(wǎng)系統(tǒng)中某類(lèi)單元處于電壓源狀態(tài)時(shí)，其余單元應(yīng)處于電流源狀態(tài)，以最大化利用能源，提升系統(tǒng)的能源利用率。根據(jù)上述原則及各單元不同工作模式的特點(diǎn)，文中將微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行分為5種運(yùn)行模式，如圖2所示。

圖2中：U*為額定直流母線(xiàn)電壓；UH2、UH1、Ustay_H、Ustay_L、UL1、UL2分別為五種工作模式間的六個(gè)臨界電壓值。其中，UH2=1.050U*；UH1=1.025U*；UL1=0.975U*；UL2=0.950U*；Ustay_H、Ustay_L則根據(jù)儲(chǔ)能單元SOC動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。5種工作模式分別為：

圖2 不同模式下獨(dú)立直流微電網(wǎng)控制策略Fig.2 Control strategy of DC microgrid underdifferent modes

1)模式1(UH1≤Udc≤UH2)：光伏單元可輸出功率充足，高于負(fù)荷需求和儲(chǔ)能單元充電功率上限之和。此時(shí)，光伏單元降功率運(yùn)行，處于電壓源模式，維持系統(tǒng)功率平衡，穩(wěn)定直流母線(xiàn)電壓。儲(chǔ)能單元?jiǎng)t以最大充電功率恒功率充電，可視為電流源。

2)模式2 (Ustay_H

3)模式3(Ustay_L≤Udc≤Ustay_H)：該模式下光伏單元與負(fù)荷間功率相對(duì)平衡，直流母線(xiàn)電壓在額定值附近。光伏單元處于MPPT狀態(tài)。儲(chǔ)能單元處于待機(jī)模式。

4)模式4(UL1

5)模式5(UL2≤Udc≤UL1)：源儲(chǔ)無(wú)法滿(mǎn)足負(fù)荷功率需求，光伏單元運(yùn)行于MPPT狀態(tài)，儲(chǔ)能單元以最大放電功率恒功率放電。當(dāng)母線(xiàn)電壓低于UL1時(shí)，切除可緩供負(fù)荷，恢復(fù)系統(tǒng)功率平衡，以維持母線(xiàn)電壓穩(wěn)定。

2 光伏系統(tǒng)控制策略

由以上分析可知，獨(dú)立直流微電網(wǎng)中光伏系統(tǒng)通常工作在MPPT模式以最大程度利用太陽(yáng)能。而當(dāng)光伏系統(tǒng)輸出超出負(fù)荷與儲(chǔ)能單元需求時(shí)，需要自動(dòng)降低輸出功率，轉(zhuǎn)入降功率模式，維持系統(tǒng)功率平衡。光伏系統(tǒng)控制策略控制框圖如圖3所示。

圖3中：Udc_PV為光伏單元變換器輸出端口電壓；UPV和IPV分別為光伏陣列輸出電壓與輸出電流；PMAX為當(dāng)前環(huán)境條件下的最大功率值；PPVref為下垂控制器輸出的功率參考值；UPVref為光伏陣列參考電壓值。

圖3 光伏發(fā)電單元控制框圖Fig.3 Control block diagram of PV unit

光伏系統(tǒng)功率給定值的特性方程為：

(1)

文中所提控制方法在功率點(diǎn)跟蹤控制模塊中實(shí)時(shí)計(jì)算PV板瞬時(shí)輸出功率，并實(shí)時(shí)與PPVref比較。當(dāng)PPVPPVref時(shí)，光伏單元工作于off-MPPT模式，其工作過(guò)程為MPPT的逆過(guò)程。當(dāng)PPV重新小于PPVref后，退出off-MPPT模式，重新轉(zhuǎn)入MPPT模式，使PPV趨近于PPVref。最終，輸出功率穩(wěn)定在PPVref處。可以看出，off-MPPT與MPPT共用一套控制器，形成統(tǒng)一的功率控制器，避免了模式切換過(guò)程中產(chǎn)生電壓波動(dòng)。但是，在off-MPPT運(yùn)行時(shí)存在2個(gè)工作點(diǎn)同時(shí)滿(mǎn)足控制目標(biāo)的情況，如圖4所示。

圖4 降功率運(yùn)行點(diǎn)示意圖Fig.4 Off-MPPT operating points

圖4中，A點(diǎn)與C點(diǎn)為同一功率的2個(gè)降功率模式運(yùn)行點(diǎn)。此時(shí)，若輻照強(qiáng)度突然下降，A點(diǎn)與C點(diǎn)呈現(xiàn)截然不同的響應(yīng)狀態(tài)。在左側(cè)運(yùn)行時(shí)，工作點(diǎn)由A點(diǎn)轉(zhuǎn)至B點(diǎn)，之后向最大功率點(diǎn)趨近。而在右側(cè)運(yùn)行時(shí)，工作點(diǎn)由C點(diǎn)轉(zhuǎn)至D點(diǎn)。此時(shí)，D點(diǎn)電壓高于光伏板開(kāi)路電壓，光伏陣列無(wú)法輸出功率，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)較大的功率波動(dòng)[20]。此外，左側(cè)曲線(xiàn)上功率變化也較為平滑，更有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。因此，文中選擇PPVref左側(cè)區(qū)域作為降功率模式的運(yùn)行區(qū)間，當(dāng)母線(xiàn)電壓超出UH1時(shí)，控制UPVref逐步減小。光伏單元雙模式的功率控制以擾動(dòng)觀(guān)察法為基礎(chǔ)，其工作流程如圖5所示。

圖5 功率控制流程圖Fig.5 Flow chart of power control

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

作為微網(wǎng)內(nèi)穩(wěn)定且可控的電源，儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行中需要充分考慮與源荷的協(xié)調(diào)問(wèn)題，以確保光伏與儲(chǔ)能系統(tǒng)能源利用率最大化，提升微網(wǎng)持續(xù)供電能力。儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略如圖6所示。Udc_B和Idc_B分別為儲(chǔ)能單元變換器輸出端口電壓和電流；UBAT與IBAT分別為儲(chǔ)能電池輸出電壓與輸出電流。儲(chǔ)能單元采集本地SOC及Udc_B輸入功率控制器得到功率外環(huán)給定值PBref；Pout為儲(chǔ)能單元輸出功率，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波后反饋入功率外環(huán)，防止功率變化太快造成電壓波動(dòng)。

圖6 儲(chǔ)能單元控制框圖Fig.6 Control block diagram of energy storage

此外，為了提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)配置多組儲(chǔ)能單元，各儲(chǔ)能單元需要根據(jù)自身SOC合理承擔(dān)系統(tǒng)功率，以避免過(guò)充過(guò)放。同時(shí)，需要限制儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大輸出功率，以保護(hù)儲(chǔ)能電池，延長(zhǎng)其使用壽命。

由以上分析可知，當(dāng)系統(tǒng)工作于圖2所示5種工作模式時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)在恒功率充/放電模式、下垂充/放電模式及待機(jī)模式間切換。文中所提儲(chǔ)能系統(tǒng)功率控制特性方程為：

(2)

式中：PBMIN為最大充電功率；PBMAX為最大放電功率；Ustay_H與Ustay_L分別為待機(jī)區(qū)間與下垂充電、放電區(qū)間的臨界電壓值，其表達(dá)式分別為：

(3)

式中：SOC、SOCMAX、SOCMIN分別為蓄電池正常運(yùn)行的SOC值及其最大、最小值；ΔU為死區(qū)范圍，需要限制在一定范圍，避免系統(tǒng)不穩(wěn)定。同時(shí)，ΔU應(yīng)大于直流母線(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)下的正常波動(dòng)值，防止儲(chǔ)能單元在充放電模式間頻繁切換,其表達(dá)式為：

ΔU=0.012 5U*

(4)

儲(chǔ)能單元的SOC可由式(5)計(jì)算出：

(5)

式中：SOC(0)為儲(chǔ)能單元初始荷電狀態(tài)；pout為儲(chǔ)能單元輸出功率；Ce為儲(chǔ)能單元容量。

設(shè)兩組儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)值分別SOC1與SOC2，且SOC1>SOC2，m1和m2分別為兩組儲(chǔ)能單元的下垂系數(shù)，Pc1和Pc2分別為兩組儲(chǔ)能單元的充電功率，Pdc1和Pdc2分別為兩組儲(chǔ)能單元的放電功率。由式(2)與(3)可知，下垂充電時(shí)，Pc1>Pc2，充電功率與SOC呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；下垂放電時(shí)，Pdc1>Pdc2，放電功率與SOC呈正相關(guān)關(guān)系。兩組儲(chǔ)能單元運(yùn)行曲線(xiàn)如圖7所示。功率關(guān)系具體的推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)附錄A。因此，SOC較大的儲(chǔ)能單元優(yōu)先放電，SOC較小的儲(chǔ)能單元優(yōu)先充電，系統(tǒng)功率可以根據(jù)SOC在儲(chǔ)能單元間合理分配。

圖7 儲(chǔ)能單元功率分配Fig.7 Schematic diagram of power distribution of energy storage units

基于SOC的功率分配控制特性為SOC較大的單元少充多放，SOC較小的單元多充少放。但是，當(dāng)母線(xiàn)電壓增大至光伏單元降功率模式切換電壓UH1或下降至負(fù)荷減載電壓UL1時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏能源及儲(chǔ)能能量的最大化利用，應(yīng)避免在光伏降功率或負(fù)荷減載時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)仍有尚未利用的功率儲(chǔ)備，即各儲(chǔ)能單元應(yīng)具備輸出功率在UH1與UL1均達(dá)到最大值的特性。因此，文中在設(shè)置下垂曲線(xiàn)時(shí)，隨著母線(xiàn)電壓偏移量的增大，調(diào)節(jié)兩組儲(chǔ)能單元間的功率差逐漸減小，最終在UH1和UL1處運(yùn)行點(diǎn)重合，同時(shí)轉(zhuǎn)入恒功率充放電模式。因此，在光伏降功率運(yùn)行時(shí)所有儲(chǔ)能單元均已恒功率充電，避免光伏降功率運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)能源浪費(fèi)，可以最大程度保證光伏能源利用率。在減載前儲(chǔ)能單元出力均達(dá)到最大值，可以充分利用儲(chǔ)能出力，最大程度維持全負(fù)荷運(yùn)行。

4 仿真分析

為驗(yàn)證文中所提控制策略的有效性，在Matlab/Simulink中搭建直流微電網(wǎng)仿真模型，并在3種典型工況下進(jìn)行分析。直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中包含兩組光伏單元、兩組相同容量的儲(chǔ)能單元、一組直流負(fù)荷，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。儲(chǔ)能單元正常工作的SOC值上限和下限分別為90%和30%。文中設(shè)UH1為410 V；UH2為420 V；UL1為390 V；UL2為380 V；Ustay_H根據(jù)儲(chǔ)能單元SOC在400 V(SOC=30%)到405 V(SOC=90%)間動(dòng)態(tài)調(diào)整；Ustay_L在395 V (SOC=30%)到400 V(SOC=90%)間動(dòng)態(tài)調(diào)整。

表1 直流微電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)Table 1 System parameters of the DC microgrid

4.1 工況1

工況1通過(guò)輻照強(qiáng)度變化及負(fù)荷變化來(lái)驗(yàn)證光伏單元能否根據(jù)外界環(huán)境及負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率，并驗(yàn)證儲(chǔ)荷能否協(xié)調(diào)運(yùn)行，且與文獻(xiàn)[18]所提控制策略進(jìn)行對(duì)比。本文所提控制方法的仿真結(jié)果如圖8(a)所示。0.2 s系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，光伏處于MPPT模式，兩組儲(chǔ)能單元處于下垂充電模式，由于儲(chǔ)能單元1的SOC值較小，儲(chǔ)能單元1充電功率較大。0.6 s時(shí)，隨著負(fù)荷功率下降，母線(xiàn)電壓上升，光伏單元轉(zhuǎn)入降功率模式運(yùn)行。此時(shí)，儲(chǔ)能單元從下垂充電模式轉(zhuǎn)入恒功率充電模式，最大程度利用光伏能源。1.0 s時(shí)，負(fù)荷功率減小，母線(xiàn)電壓上升，光伏單元調(diào)整輸出功率以匹配負(fù)荷需求。1.5 s時(shí)，輻照強(qiáng)度下降，光伏單元運(yùn)行點(diǎn)突變，輸出功率立刻降低，母線(xiàn)電壓下降。同時(shí)，光伏控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整下垂曲線(xiàn)，調(diào)節(jié)光伏輸出功率逐步回升。

文獻(xiàn)[18]所提儲(chǔ)能控制方法應(yīng)用在相同條件下的仿真結(jié)果如圖8(b)所示。0.6 s后，光伏單元降功率運(yùn)行，而儲(chǔ)能單元2的充電功率尚未到達(dá)最大值，浪費(fèi)了部分光伏能源。而文中所提控制方法中儲(chǔ)能單元均處于恒功率充電模式，提升了光伏能源利用率。

圖8 工況1仿真波形Fig.8 Simulation results of Case 1

上述過(guò)程中，微網(wǎng)系統(tǒng)可以在模式1和模式2間平滑切換。光伏單元運(yùn)行時(shí)跟隨外界環(huán)境和負(fù)荷功率的變化而自動(dòng)調(diào)整輸出功率，維持母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定。光儲(chǔ)間可以協(xié)調(diào)運(yùn)行以最大化利用光伏能源，延長(zhǎng)微網(wǎng)的持續(xù)供電時(shí)間，提升微網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。

4.2 工況2

工況2通過(guò)負(fù)荷變化來(lái)驗(yàn)證儲(chǔ)能單元在充電模式下能否根據(jù)SOC值合理承擔(dān)系統(tǒng)功率。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，本文所提控制方法的仿真結(jié)果如圖9所示。0.2 s系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，光伏處于MPPT模式。儲(chǔ)能單元1和2處于下垂充電模式，儲(chǔ)能單元1充電功率較大。0.6 s時(shí),負(fù)荷功率上升，母線(xiàn)電壓下降，儲(chǔ)能充電功率下降，儲(chǔ)能單元2的下降幅度較大，儲(chǔ)能單元間的功率差增大。1.0 s時(shí)，隨著負(fù)荷功率上升，母線(xiàn)電壓低于儲(chǔ)能單元2的待機(jī)區(qū)上限電壓，儲(chǔ)能單元2轉(zhuǎn)入待機(jī)模式。1.5 s時(shí)，負(fù)荷功率上升，母線(xiàn)電壓下降，兩組儲(chǔ)能單元均轉(zhuǎn)入待機(jī)模式。

圖9 工況2仿真波形Fig.9 Simulation results of Case 2

上述過(guò)程中，微網(wǎng)系統(tǒng)可以在模式2和模式3間平滑切換。母線(xiàn)電壓偏移較小時(shí)，SOC值較大的儲(chǔ)能單元優(yōu)先轉(zhuǎn)入待機(jī)，避免了儲(chǔ)能單元深度充電而提前退出運(yùn)行。母線(xiàn)電壓偏高時(shí)，儲(chǔ)能單元全部投入運(yùn)行，儲(chǔ)能單元間可以根據(jù)SOC合理分配功率。

4.3 工況3

工況3通過(guò)負(fù)荷變化來(lái)驗(yàn)證儲(chǔ)能單元在放電模式下能否根據(jù)SOC值合理承擔(dān)系統(tǒng)功率，并與文獻(xiàn)[18]所提控制策略進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，本文所提控制方法的仿真結(jié)果如圖10(a)所示。工況3中，沒(méi)有投入光伏單元，僅投入兩組儲(chǔ)能單元。0.2 s系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能單元2處于下垂放電模式。此時(shí)，母線(xiàn)電壓高于儲(chǔ)能單元1的待機(jī)區(qū)下限電壓，儲(chǔ)能單元1處于待機(jī)狀態(tài)。0.6 s時(shí)，負(fù)荷功率增大，母線(xiàn)電壓降低，儲(chǔ)能單元1進(jìn)入放電模式。兩組儲(chǔ)能單元間根據(jù)SOC分配負(fù)荷功率。1.1 s后，負(fù)荷功率逐步上升，兩組儲(chǔ)能單元間的功率差逐漸降低，最終同時(shí)轉(zhuǎn)入恒功率模式，最大程度輸出功率，維持母線(xiàn)電壓穩(wěn)定。

圖10 工況3仿真波形Fig.10 Simulation results of Case 3

文獻(xiàn)[18]在相同條件下的仿真結(jié)果如圖10(b)所示。儲(chǔ)能單元1出力不足，導(dǎo)致母線(xiàn)電壓過(guò)度跌落，降低了微網(wǎng)可維持的負(fù)荷容量。而文中所提控制方法可以充分保證儲(chǔ)能出力，盡可能維持負(fù)荷的正常運(yùn)行。

上述過(guò)程中，微網(wǎng)系統(tǒng)可以在模式3和模式4間平滑切換。母線(xiàn)電壓偏移較小時(shí)，SOC值較小的儲(chǔ)能單元待機(jī)，避免了儲(chǔ)能單元過(guò)度放電而退出運(yùn)行。儲(chǔ)能單元間可以根據(jù)SOC值合理分配功率，同時(shí)可以保證最大程度利用儲(chǔ)能單元維持母線(xiàn)電壓穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

文中提出一種考慮多儲(chǔ)能功率分配的獨(dú)立直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功率在多儲(chǔ)能單元間的合理分配及多組源儲(chǔ)協(xié)調(diào)運(yùn)行。首先，光伏控制策略實(shí)現(xiàn)了光伏單元MPPT與降功率雙模式的統(tǒng)一控制，使光伏單元具備功率調(diào)節(jié)和母線(xiàn)電壓支撐的功能，避免光伏功率過(guò)剩時(shí)母線(xiàn)電壓過(guò)度上升。其次，儲(chǔ)能單元采用自適應(yīng)功率下垂控制實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能單元根據(jù)自身SOC值合理承擔(dān)系統(tǒng)功率，避免儲(chǔ)能單元的過(guò)充過(guò)放。同時(shí)，多儲(chǔ)能單元在同一工作點(diǎn)處轉(zhuǎn)入恒功率模式，保證在母線(xiàn)電壓偏差較大時(shí)儲(chǔ)能單元出力充足。最后，通過(guò)直流母線(xiàn)電壓信號(hào)將兩種控制策略結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)源儲(chǔ)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。利用Matlab /Simulink進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了所提控制策略的有效性，可以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)多運(yùn)行模式間的平滑切換，最大程度保證光伏與儲(chǔ)能的能源利用率，提升微網(wǎng)持續(xù)供電能力。

附錄A

兩組相同容量的儲(chǔ)能單元1與2，由式(3)可知:

(A1)

(A2)

式中：Ustay_H1、Ustay_H2、Ustay_L1、Ustay_L2分別為儲(chǔ)能單元1和儲(chǔ)能單元2對(duì)應(yīng)的Ustay_H和Ustay_L。

由于SOC1>SOC2，因此：

Ustay_H1>Ustay_H2

(A3)

Ustay_L1>Ustay_L2

(A4)

由式(2)可知：

(A5)

由于Ustay_H1>Ustay_H2；UH1>Udc_B；PBMIN<0。因此：

Pc1>Pc2

(A6)

(A7)

由于Ustay_L1>Ustay_L2；UL10,因此：

Pdc1>Pdc2

(A8)