基于能量路由器的光伏儲能系統(tǒng)控制策略研究

劉 瑞,王 鶴,艾鳳明

(沈陽飛機設計研究所，遼寧 沈陽 110000)

0 引言

隨著各國對能源需求的不斷提高，光能等新能源應用廣泛。光伏儲能系統(tǒng)也在新能源飛機上得到應用。當前太陽能飛機已經(jīng)具備了飛行高度高、續(xù)航能力強等能力[1]，但由于單一的光伏系統(tǒng)存在很多問題，尤其是飛機電網(wǎng)穩(wěn)定性問題與因環(huán)境而導致光伏在時域上發(fā)電能力差異等問題給電網(wǎng)的正常運行帶來挑戰(zhàn)。2008年基金會的支持下，北卡州立大學成立了研究未來可再生電能傳遞與管理系統(tǒng)的組織[2-4]，用以連接不同類型的分布式能源與電力網(wǎng)絡。在光伏儲能系統(tǒng)中，能量路由器的使用使得主動控制技術逐步取代被動控制技術，提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性。根據(jù)能量路由的結構不同，常見的光伏儲能系統(tǒng)架構有集中式并網(wǎng)、組串式并網(wǎng)、集成式并網(wǎng)以及集成式并網(wǎng)等不同內部架構[5-7]。能量路由器不僅能夠協(xié)調控制系統(tǒng)中多種形式能量，而且可以高效利用可再生分布式能源，并且在此基礎上電網(wǎng)能夠安全可靠的運行。針對光伏儲能架構控制策略，國內外學者進行了大量研究。文獻[8]實現(xiàn)了源網(wǎng)荷的光伏儲能系統(tǒng)拓撲架構和多端口控制策略。文獻[9]以系統(tǒng)中儲能元件參數(shù)特性設計了一種控制策略，采用分層控制對穩(wěn)定性進行了優(yōu)化，但架構可靠性有待提高。文獻[10]通過控制直流母線電壓實現(xiàn)了對工作狀態(tài)的切換，從仿真層面上實現(xiàn)了對特定負載供能的需求。

本文設計基于MPC(Multi-port Converter)的能量路由器系統(tǒng)結構，面向太陽能飛機供電架構，由可再生能源、儲能、電網(wǎng)/負載接入系統(tǒng)組成，能夠通過協(xié)調控制的方法達到與電網(wǎng)的能量轉換，以及可再生能源的高效利用，使系統(tǒng)在不同的工作模式下都能夠保持電壓穩(wěn)定，滿足機載系統(tǒng)能源需求。

1 系統(tǒng)架構和工作模態(tài)

本文設計了如圖1所示主要由分布式電源、儲能裝置組成的基于能量路由器光伏儲能系統(tǒng)結構。此外在該系統(tǒng)中還包含有機載負載以及電力電子變換器等元件。

圖1 能量路由器系統(tǒng)結構圖

能量路由器系統(tǒng)一共存在兩種運行狀態(tài)。當光伏電池與電網(wǎng)相連時，我們將這種供電方式成為并網(wǎng)模式；而當負載僅由光伏電池與鋰電池相連時，我們稱之為孤島模式。

表1 能量路由器系統(tǒng)參數(shù)表

能量路由器系統(tǒng)運行于并網(wǎng)模式時，系統(tǒng)的直流模塊以及交流模塊存在能量的雙向流動，系統(tǒng)內部功率平衡由光伏電池、蓄電池及電網(wǎng)的協(xié)調運行完成。當系統(tǒng)能量過剩，即光伏電池以及蓄電池供應能量大大滿足系統(tǒng)需求仍存在剩余時，變換器反向工作，電網(wǎng)吸收剩余能量以保證直流母線電壓不會有所升高；當系統(tǒng)能量不足，光伏電池與蓄電池提供能量的同時，電網(wǎng)提供能量以保證直流母線電壓不會有所跌落。

能量路由器系統(tǒng)運行于孤島模式時，系統(tǒng)的直流模塊以及交流模塊不存在能量的雙向流動，系統(tǒng)內部功率平衡由光伏電池和蓄電池的協(xié)調運行完成。系統(tǒng)不與電網(wǎng)相連，光伏電池和蓄電池根據(jù)控制要求工作在不同模式下，相互協(xié)調以使系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定。

2 控制策略研究

根據(jù)上一節(jié)所設計的能量路由器結構，光伏電池、蓄電池、電網(wǎng)或負載的接入使系統(tǒng)難以穩(wěn)定運行，因此，需要研究控制各端口變換器工作在相應模式的控制策略和系統(tǒng)協(xié)調控制策略以解決這一問題。本文所提出的分層控制的控制層級如圖2所示。分層控制的第一層控制是各端口變換器的控制策略，第二層控制是孤島模式下系統(tǒng)的協(xié)調控制。

圖2 能量路由器控制層級

2.1 底層控制策略的設計

提高其輸出功率是光伏電池的能量優(yōu)化控制的主要目標。本文中的光伏電池能夠工作在三種模式之下：最大功率點跟蹤即MPPT模式、直流母線恒壓控制即CVC模式和最基本的停機狀態(tài)。光伏電池端口的控制策略如圖3所示。

圖3 光伏電池端口控制方法框圖

系統(tǒng)中蓄電池的模式選擇以及控制框圖如圖4所示。著重討論孤島模式下，當光伏電池能量大于負載需求時，蓄電池進入充電模式，消耗系統(tǒng)剩余能量，當SOC達到90%時，蓄電池截止；當光伏電池能量小于負載需求時，蓄電池進入放電模式，釋放能量，當蓄電池SOC下降至40%時，蓄電池截止。

圖4 蓄電池模塊模式選擇控制框圖

圖5 電網(wǎng)/負載端口的控制圖

2.2 直流母線電壓分區(qū)控制算法的設計

本文基于直流母線這一參數(shù)提出了分區(qū)控制算法，該算法保證系統(tǒng)能夠經(jīng)濟可靠穩(wěn)定的運行。通過對直流母線電壓的區(qū)域劃分實現(xiàn)能量路由器系統(tǒng)的工作模態(tài)的劃分，使直流母線電壓發(fā)生波動時切換至相應的工作模態(tài)，系統(tǒng)能夠持續(xù)穩(wěn)定運行。本文選取多個區(qū)域進行劃分，本文選取五個區(qū)域。區(qū)域劃分依據(jù)為系統(tǒng)的直流母線電壓，直接決定整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)。直流母線電壓改變時，能量路由器的工作模態(tài)隨之改變。選取的各區(qū)與電壓參考值關系如下

UL2

其中，UL2是系統(tǒng)穩(wěn)定電壓下限，UH2是系統(tǒng)穩(wěn)定電壓上限；UL1是系統(tǒng)穩(wěn)定蓄電池放電模式的邊界值，UH1是蓄電池充電模式的邊界值；Udc_ref是直流母線電壓的額定值。由此劃分出5個區(qū)域范圍，即區(qū)域范圍一為UL1≤Udc≤UH1，區(qū)域范圍二為UH1UH2，區(qū)域范圍五為Udc

能量路由器系統(tǒng)的運行控制要求以及直流母線電壓的額定值決定邊界值的選取。對于整個系統(tǒng)的運行控制要求，我們需要做到的是高效、穩(wěn)定；但對于其直流母線電壓的范圍確定沒有明確標準。本文設置的4個直流母線電壓邊界值如下表2所示。設置兩邊界值的相差為5%，即UL2=90%Udc_ref，UL1=95%Udc_ref，UH1=105%Udc_ref，UH2=110%Udc_ref。

表2 直流母線電壓分區(qū)邊界值

當能量路由器系統(tǒng)運行時，合理的協(xié)調控制策略對于保障系統(tǒng)運行以及直流母線電壓穩(wěn)定至關重要。孤島模式下能量路由器系統(tǒng)的穩(wěn)定運行主要在于保持負載與電源間的功率平衡。本文中能量路由器系統(tǒng)內的功率平衡是通過各端口自身的調整以及各端口之間的相互配合來實現(xiàn)的，而各端口間的唯一連接是輸出端的直流母線，由直流母線電壓判定系統(tǒng)工作狀態(tài)，各端口變換器通過合理的控制算法來調節(jié)控制其輸出，最終實現(xiàn)各端口間的負載功率的合理分配。

在本文中，設定直流母線電壓設為400 V，電壓波動范圍為±5%。根據(jù)上文論述的電壓劃分的五個區(qū)域，在每個區(qū)系統(tǒng)使用不同的工作策略。系統(tǒng)在同一時間只能穩(wěn)定運行在一種模式，當直流母線電壓波動至某一區(qū)間時，系統(tǒng)會靈活切換工作模式，以維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

(1)工作模式一：直流母線電壓處于區(qū)域一UL1≤Udc≤UH1

在實際工作情況中，系統(tǒng)沒有絕對的穩(wěn)定狀態(tài)，直流母線電壓依舊有波動。因此，為避免蓄電池頻繁動作，將蓄電池設定為截止狀態(tài)。此時，負載所需能量全部由光伏電池所提供，光伏電池工作在MPPT模式。由于此模式?jīng)]有恒壓控制的環(huán)節(jié)，所以當光伏電池的最大輸出功率受環(huán)境因素影響發(fā)生微小變化時，允許直流母線電壓在區(qū)域范圍內產(chǎn)生輕微波動。

圖6 直流母線電壓分區(qū)控制策略圖

(2)工作模式二：直流母線電壓處于區(qū)域二UH1

在光照較強或負載減少的情況下，荷端功率低于光伏點輸出功率，且蓄電池尚有能力吸收能量進入到充電模式，蓄電池存儲能量。此時，光伏電池工作在MPPT模式，光伏電池為蓄電池恒壓充電，在蓄電池未達到過充狀態(tài)時吸收剩余能量。蓄電池端在此模態(tài)中對直流母線起主要控制作用。

(3)工作模式三：直流母線電壓處于區(qū)域三UL2≤Udc≤UL1

該工作模式的表象是母線電壓欠壓，荷端功率高于光伏電池輸出功率，蓄電池放電為荷端供能，維持電壓穩(wěn)定在一定的范圍。此時，光伏電池工作在MPPT模式，蓄電池處于放點狀態(tài)，且恒壓維持母線電壓穩(wěn)定。

(4)工作模式四：直流母線電壓處于區(qū)域四Udc>UH2

直流母線電壓偏高表明系統(tǒng)內部出現(xiàn)功率剩余，光伏電池所能提供的能量能夠滿足負載所需要的能量，多余能量可供給蓄電池進入充電模式，而蓄電池的容量已接近飽和，充滿截止。此時，光伏電池切換至恒壓模式，降低光伏電池的輸出功率，保證系統(tǒng)的能量平衡，在此模態(tài)中對直流母線起主要控制作用。

(5)工作模式五：直流母線電壓處于區(qū)域五Udc

在夜間或陰雨天等自然條件不滿足光伏電池發(fā)電時，光伏電池無輸出，不給負載提供能量，而蓄電池尚有能力進入放電模式，提供負載所需要的能量，維持其正常運行。此時，光伏電池停機，蓄電池工作在恒壓放電模式，在此模態(tài)中對直流母線起主要控制作用。

因此，能量路由器系統(tǒng)采用主從控制與分層控制相結合的協(xié)調控制中各端口變換器工作表如下表3所示。

表3 能量路由器系統(tǒng)各端口變換器工作表

綜上所述，主從控制與分層控制相結合的協(xié)調控制策略可以實現(xiàn)能量路由器系統(tǒng)的經(jīng)濟可靠運行。各端口變換器根據(jù)直流母線電壓選擇工作在適當模式，以保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，維持系統(tǒng)的功率平衡。

3 結果與討論

為了驗證上述理論，本文首先設計了能量路由器硬件電路，編寫了軟件部分的程序，搭建了能量路由器實驗測試平臺，并利用該硬件平臺進行并網(wǎng)模式和孤島模式下各模態(tài)的實驗驗證，根據(jù)實驗結果分析系統(tǒng)的運行狀態(tài)及其穩(wěn)定性。

3.1 并網(wǎng)模式的模態(tài)實驗分析

光伏并網(wǎng)模態(tài)下，由光伏電池端口及電網(wǎng)端口參與能量路由，由光伏電池發(fā)電釋放能量匯聚到公共直流母線，再通過雙向DC/AC變換器逆變成交流電壓回饋至電網(wǎng)。實驗結果如圖7所示，給出能量路由器的光伏側電壓、直流母線電壓、電網(wǎng)側電壓和電流波形。

圖7 光伏并網(wǎng)實驗結果

由實驗波形可看出，能量路由器系統(tǒng)運行在光伏并網(wǎng)模態(tài)時，電網(wǎng)系統(tǒng)正常工作。通過上位機可以讀出，直流母線電壓基本穩(wěn)定在400 V，并網(wǎng)電壓約為233 V，并網(wǎng)電流約為20.8 A，由光伏電池為電網(wǎng)提供能量。

電網(wǎng)供電模態(tài)下，由光伏電池端口、蓄電池端口及電網(wǎng)端口參與能量路由，由光伏電池發(fā)電以及電網(wǎng)釋放的能量匯聚到公共直流母線，再給蓄電池充電，充電方向為正。實驗結果如圖8所示，給出能量路由器的光伏側電壓、直流母線電壓、電網(wǎng)側電流和蓄電池側電流波形。

圖8 電網(wǎng)供電實驗結果

由實驗波形可看出，能量路由器系統(tǒng)運行在電網(wǎng)供電模態(tài)時，直流母線電壓始終穩(wěn)定在400 V，電池電流在充電過程趨于平穩(wěn)時，穩(wěn)定在16 A。

電網(wǎng)支撐模態(tài)下，由光伏電池端口、蓄電池端口及電網(wǎng)端口參與能量路由，光伏電池與已經(jīng)儲能完成的蓄電池同時向電網(wǎng)供電，放電方向為正。實驗結果如圖9所示，給出能量路由器的光伏側電壓、直流母線電壓、電網(wǎng)側電流和蓄電池側電流波形。

圖9 電網(wǎng)支撐實驗結果

由實驗波形可看出，能量路由器系統(tǒng)運行在電網(wǎng)支撐模態(tài)時，直流母線電壓始終穩(wěn)定在400 V，電池電流在放電過程趨于平穩(wěn)時，穩(wěn)定在15 A。

3.2 孤島模式的多模態(tài)實驗分析

本文對幾種典型的孤島模式模態(tài)轉換進行實驗驗證：

第一種情況是能量路由器系統(tǒng)先是運行在工作模式二，光伏電池工作在MPPT模式下提供負載所需能量，而由負載消耗所剩余的能量供蓄電池充電，在某一時刻蓄電池達到其過充電壓，SOC達上限，充滿后退出系統(tǒng)，直流母線電壓有所降低，系統(tǒng)切換至工作模式一，光伏電池工作在MPPT模式下單獨給負載提供其所需能量。實驗時，設置充電方向為負。

圖10是工作模式二切換至模式一的實驗結果，從該圖中可以看到蓄電池側電流、直流母線電壓和負載側電流波形。實驗初始時刻能量路由器運行在工作模式二，蓄電池存儲電能，光伏電池輸出功率用于負載及蓄電池供電，且系統(tǒng)直流母線電壓維持在410 V。在某一時刻，蓄電充滿退出系統(tǒng)，即蓄電池處于截止狀態(tài)。當母線電壓下降至400 V，即系統(tǒng)切換至工作模式一，負載僅由光伏電池供電。

圖10 工作模式二切換至模式一實驗結果

第二種情況是能量路由器系統(tǒng)先是運行在工作模式二，光伏電池工作在MPPT模式下提供負載所需能量，而由負載消耗所剩余的能量供蓄電池充電，模擬在某一時刻光伏電池受外界環(huán)境影響，如陰雨天氣，光伏電池完全供應不了能量，直流母線電壓下降，所以蓄電池由充電模式切換至放電模式，蓄電池單獨提供負載所需要的功率。實驗時，設置充電方向為負，放電方向為正。

圖11是工作模式二切換至模式五的實驗結果，給出能量路由器的直流母線電壓，荷端電流以及儲能端電流。實驗初始時刻能量路由器運行在工作模式二，蓄電池存儲能量，負載所需功率低于光伏電池輸出功率。

圖11 工作模式二切換至模式五實驗結果

直流母線電壓在412 V。在某一時刻，光伏電池退出系統(tǒng)，直流母線電壓有所波動，下降至378 V，為使母線電壓回升，系統(tǒng)中蓄電池參與供電。

第三種情況是能量路由器系統(tǒng)先是運行在工作模式二，光伏電池工作在MPPT模式下提供負載所需能量，而由負載消耗所剩余的能量供蓄電池充電，模擬在某一時刻光伏電池受外界環(huán)境影響，如光照減弱或陰天，其所提供能量不能滿足負載所消耗的能量，直流母線電壓有所下降，所以雙向變換器間快速切換，蓄電池進入放電模式，兩種電池同時為負載供能。實驗時，設置充電方向為負，放電方向為正。

圖12是工作模式二切換至模式三的實驗結果，給出能量路由器的直流母線電壓，荷端電流以及儲能端電流。實驗初始時刻能量路由器運行在工作模式二，蓄電池存儲能量，負載所需功率低于光伏電池輸出功率，能量路由器系統(tǒng)直流母線電壓在412 V。在某一時刻，光照強度變弱，負載所需功率高于光伏電池輸出功率，直流母線電壓有所波動，下降至389V，蓄電池切換至放電模式以補償系統(tǒng)功率缺額。

圖12 工作模式二切換至模式三實驗結果

第四種情況是能量路由器系統(tǒng)先是運行在工作模式三，光伏電池工作在MPPT模式下，負載所需功率高于光伏電池輸出功率，此時蓄電放電以支持負載使用，模擬在某一時刻光伏電池受外界環(huán)境影響，如光照增強時，其所提供能量遠大于負載所消耗的能量，直流母線電壓有所上升，所以雙向變換器間快速切換，蓄電池由放電模式切換至充電模式，光伏電池所能提供的能量供給負載消耗后所剩余的能量送至蓄電池中。實驗時，設置充電方向為負，放電方向為正。

圖13是工作模式三切換至模式二的實驗結果，給出能量路由器的直流母線電壓，荷端電流以及儲能端電流。實驗初始時刻能量路由器運行在工作模式三，荷端功率高于光伏電池輸出功率，蓄電池處于放電模式以供電負載功率需求，直流母線穩(wěn)定電壓在387 V。在某一時刻，光照強度變強，荷端功率低于光伏電池輸出功率，直流母線電壓有所波動，上升至411 V，蓄電池切換至充電模式以吸收系統(tǒng)剩余功率。

圖13 工作模式三切換至模式二仿真結果

由上述實驗結果可以看出，直流母線電壓在400±20 V小范圍內波動，本文所應用的分層協(xié)調控制策略具有一定的穩(wěn)定性及可靠性，負載或自身條件發(fā)生改變時，光伏電池和蓄電池能夠及時切換工作模式，系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行。

4 結論

本文主要針對太陽能飛機光伏儲能系統(tǒng)的協(xié)調控制策略做出理論分析與研究，在應用能量路由器的基礎上針對多類型能源的接入及功率平衡的需求，提出一種主從控制與分層控制相結合的系統(tǒng)協(xié)調控制策略。對現(xiàn)有的控制策略進行了優(yōu)化，在分層控制思想的基礎上，采用多種方法保證母線電壓穩(wěn)定，并將母線電壓分區(qū)控制策略與分層控制策略進行融合，形成了全系統(tǒng)的控制策略，實現(xiàn)了能量流動路徑優(yōu)化，能夠滿足機載運行需求。