李 琰，王盼寶，張繼元，王 衛(wèi)

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

引言

在能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力下，微網(wǎng)技術(shù)受到各界廣泛的重視和應(yīng)用。微網(wǎng)系統(tǒng)是指將分布式能源、儲能單元和負(fù)荷結(jié)合在一起的電網(wǎng)形式，既可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以運(yùn)行在離網(wǎng)模式[1-3]。微網(wǎng)主要是以交流微網(wǎng)形式存在，但近年來直流微網(wǎng)發(fā)展迅速，和交流微網(wǎng)相比較，直流微網(wǎng)不需要對電壓的相位頻率進(jìn)行跟蹤，可靠性和可控性都大大提高，因此更加適合DER、儲能單元與負(fù)載的接入[4]。

供電可靠性是微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，電壓是表示直流微電網(wǎng)中系統(tǒng)功率平衡的唯一指標(biāo)，因此為維持直流微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，需要控制其電壓穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時，直流母線電壓波動應(yīng)該在系統(tǒng)額定電壓的±5%以內(nèi)。而一旦電壓失穩(wěn)，就會引起系統(tǒng)保護(hù)或甩負(fù)荷動作，甚至危及電網(wǎng)的正常運(yùn)行。因此，對直流微網(wǎng)的變換器，必須進(jìn)行有效的控制，達(dá)到維持直流母線電壓穩(wěn)定的目的[5,6]。

本文以基于光伏發(fā)電的獨(dú)立直流微網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象，在維持直流母線電壓穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，針對光伏陣列與負(fù)荷之間的多種能量供需狀態(tài)，提出了獨(dú)立直流微網(wǎng)能量管理控制策略，其核心是通過檢測光伏發(fā)電功率與負(fù)載所需功率，根據(jù)光伏電池和蓄電池的工作狀態(tài)，控制蓄電池儲能單元端與光伏側(cè)的變換器協(xié)調(diào)工作在相應(yīng)模式下，參與控制直流母線電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)能量供需變化時直流微網(wǎng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

直流微電網(wǎng)主要由分布式能源模塊、蓄電池儲能模塊、輸出負(fù)載模塊以及交流電源模塊和直流負(fù)荷組成，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。光伏電池的輸出功率受太陽光強(qiáng)和溫度的影響變化很大，為了儲存光伏發(fā)出的能量，需要用蓄電池來存儲和調(diào)節(jié)電能。當(dāng)直流微網(wǎng)運(yùn)行時，合理的能量管理和調(diào)度策略對于保障直流微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行及電壓穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)不間斷供電至關(guān)重要。

本文研究采用光伏陣列作為微源，蓄電池作為儲能單元的獨(dú)立直流微網(wǎng)系統(tǒng)，由光伏陣列、蓄電池、單向DC/DC變換器、雙向Buck/Boost變換器及直流負(fù)載組成，其工作原理為：光伏DC/DC變換器根據(jù)能量管理系統(tǒng)的不同指令工作在不同模式下，在系統(tǒng)啟動階段、光強(qiáng)較弱或者負(fù)載突然增加的情況下，光伏變換器運(yùn)行在最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制模式，此時蓄電池運(yùn)行在放電狀態(tài)，維持直流母線電壓的穩(wěn)定；當(dāng)光伏陣列發(fā)出功率足夠時，運(yùn)行于對直流母線的恒壓控制（CVC）模式下，蓄電池運(yùn)行在充電狀態(tài)。其核心是根據(jù)光伏陣列和蓄電池的工作狀態(tài)，控制光伏DC/DC變換器和雙向Buck/Boost變換器協(xié)調(diào)工作，維持直流微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

2 系統(tǒng)控制策略

2.1 系統(tǒng)工作模式

光伏DC/DC變換器的兩端分別接在光伏陣列和直流母線側(cè)，采用Boost升壓變換器，將不穩(wěn)定的直流電（70～120 VDC）轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流母線電壓（150 VDC），蓄電池端采用Buck/Boost變換器用以控制儲能單元的充放電。通過對光伏板、蓄電池以及直流負(fù)載工作狀態(tài)的分析，將獨(dú)立直流微網(wǎng)分為5種穩(wěn)定工作模式，如表1所示，光伏板輸出的功率Ppv與負(fù)載所需功率 Pload，Ibat＜0 和 Ibat＞0 代表蓄電池放電和充電情況，Ibat_max為蓄電池最大允許充電電流，Ubat_max和Ubat_min表示蓄電池的過充與過放電壓，本系統(tǒng)設(shè)定Ubat_max=115 V，Ubat_min=85 V，根據(jù)表1，得到能量流動示意圖。

直流微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行六種模式的功率分配示意圖如圖 2所示，其中 Pload、Pbat、Ppv分別表示負(fù)載所需功率、蓄電池儲能系統(tǒng)輸出功率、光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率。

模式一：當(dāng)夜間、陰雨天長時間運(yùn)行時，光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有足夠能量提供給負(fù)載，光伏DC/DC變換器不工作，蓄電池尚未達(dá)到過放狀態(tài)仍能釋放能量，則由蓄電池儲能單元維持負(fù)荷的正常運(yùn)行，運(yùn)行在CVC模式穩(wěn)定直流母線。

表1 系統(tǒng)工作模式

模式二：光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的能量小于負(fù)荷所需的能量，光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）模式，蓄電池未達(dá)到過放狀態(tài)，仍能釋放能量，蓄電池儲能系統(tǒng)CVC運(yùn)行。光伏采用MPPT控制，提高能量利用率，不足能量由蓄電池儲能單元提供。

模式三：光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的能量大于負(fù)荷所需的能量，且蓄電池尚有能力接受能量則進(jìn)入充電狀態(tài)，光伏發(fā)電系統(tǒng)提供能量多余負(fù)載所需以及蓄電池以最大允許充電電流充電所需能量，則光伏板運(yùn)行在CVC模式，維持負(fù)荷的能量需求同時，蓄電池儲能系統(tǒng)以最大允許充電電流充電。

模式四：光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的能量大于負(fù)載所需能量，但不能滿足蓄電池以最大允許電流充電，則降低充電電流的限幅值，光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT運(yùn)行，蓄電池儲能系統(tǒng)限幅充電。限幅充電值將由下面的公式推導(dǎo)出。

模式五：在模式三、四的基礎(chǔ)上，光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的能量滿足負(fù)荷所需的能量，多余能量供給蓄電池充電，但蓄電池容量已經(jīng)飽和或未達(dá)到充電條件而不具有接受多余能量的能力，則光伏發(fā)電系統(tǒng)CVC運(yùn)行，蓄電池儲能系統(tǒng)截止，控制過程與模式一類似。

模式六：在模式二的蓄電池CVC運(yùn)行過程中，若某一段長時間太陽光照過弱，蓄電池達(dá)到過放狀態(tài)而不能繼續(xù)放電，而光伏發(fā)電系統(tǒng)不足以提供足夠能量給負(fù)載，則只能選擇性切負(fù)荷，光伏MPPT運(yùn)行將少量能量提供給重要負(fù)載，涉及到機(jī)械動作不做詳細(xì)討論。

2.2 光伏DC/DC變換器控制策略

光伏DC/DC變換器的兩端分別接在光伏陣列和直流母線側(cè)，控制策略如圖3所示，具有兩種工作模式，分別是最大功率點(diǎn)跟蹤 （maximum power point tracking，MPPT）模式以及對直流母線的恒壓（CVC）控制，MPPT算法是采用最大功率跟蹤法中的擾動控制觀察法，光伏陣列的P-V曲線類似拋物線，具有最大功率點(diǎn)，最大功率跟蹤就是通過檢側(cè)光伏陣列輸出側(cè)的電壓電流，使系統(tǒng)始終工作在最大功率點(diǎn)附近，達(dá)到能量的最大化利用。當(dāng)光伏陣列工作點(diǎn)在P-V特性曲線最大功率點(diǎn)的左側(cè)時，輸出功率隨著輸出電壓的增加而增加；當(dāng)工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)右側(cè)時，輸出功率隨輸出電壓的增加而減小。由此，采集光伏陣列輸出電壓、電流，經(jīng)過MPPT算法產(chǎn)生參考電壓，將其與實(shí)際電壓比較，并通過PI調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM調(diào)制波驅(qū)動開關(guān)管動作；模式二是當(dāng)光伏陣列發(fā)出功率充足時，足以提供負(fù)載所需功率以及蓄電池充電功率，此時光伏DC/DC變換器運(yùn)行于恒壓控制CVC模式下，采用電壓閉環(huán)控制，用以維持直流母線電壓的穩(wěn)定。

2.3 蓄電池儲能單元充放電控制策略

蓄電池常規(guī)充電方式有恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電法。而恒壓限流充電法不僅可以避免恒流充電法在充電后期的過充電，而且還可以限制恒壓充電法在充電初期產(chǎn)生的大電流，是較為快速且實(shí)用的充電方法[7]。圖4為蓄電池儲能單元充電控制策略，電壓環(huán)的輸出經(jīng)過限幅環(huán)節(jié)后，作為電流內(nèi)環(huán)的給定值。充電初期電池電壓較低，給定值與實(shí)際值之間的誤差較大，達(dá)到限幅環(huán)節(jié)的限定值，此限定值就是恒流充電階段的電流給定值。隨著充電的持續(xù)進(jìn)行，電池電壓逐漸升高，外環(huán)電壓的輸出減小，到限幅值以下時退出恒流充電過程，開始轉(zhuǎn)入恒壓充電過程。充電繼續(xù)進(jìn)行，隨著蓄電池趨于飽和，充電電流不斷減小，直至蓄電池充滿為止。光伏陣列發(fā)出的能量小于負(fù)載所需的能量，光伏能量不足以維持直流母線電壓穩(wěn)定，光伏DC/DC變換器由CVC控制切換至MPPT控制，與此同時蓄電池投入運(yùn)行，工作在放電模式下，維持母線電壓穩(wěn)定，蓄電池放電控制策略如圖5所示，儲能單元通過采集直流母線電壓與給定值比較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流幅值給定值再與蓄電池電流比較，經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)最終產(chǎn)生驅(qū)動信號。

2.4 能量流動管理

通過以上分析可知，直流微網(wǎng)母線電壓的穩(wěn)定，主要通過能量管理系統(tǒng)調(diào)節(jié)蓄電池充放電電流，同時調(diào)節(jié)光伏變換器工作模式，維持能量供需變化時直流微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[8]。

當(dāng)光伏陣列輸出功率充足，除滿足負(fù)載所需功率外還有剩余，為盡可能利用光伏陣列輸出的能量，提出一種新的能量管理策略：在充電初期，將最大允許充電電流值規(guī)定為蓄電池的恒流充電限幅值，光伏采用恒壓CVC控制，若直流母線電壓能夠維持穩(wěn)定，證明光伏輸出能量充足，則蓄電池繼續(xù)以限幅值恒流充電。若直流母線電壓跌落，光伏輸出功率趨于最大功率點(diǎn)，仍不足以維持蓄電池以最大允許電流充電，則降低充電電流限幅值。限幅值通過如下功率計(jì)算得到，即

光伏陣列輸出功率不足，所提供能量無法維持負(fù)荷正常工作時，能量管理策略為：將光伏DC/DC變換器由CVC模式切換至MPPT模式，控制其發(fā)出最大功率提供給負(fù)荷，圖6為光伏變換器的模式切換控制策略。與此同時，蓄電池儲能單元投入運(yùn)行，工作在放電狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)蓄電池輸出電流穩(wěn)定直流母線電壓。放電過程中需要檢測蓄電池的端電壓和容量，防止因過放而損壞蓄電池或使其壽命降低。當(dāng)蓄電池達(dá)到過放狀態(tài)時便不再放電，儲能單元將退出運(yùn)行。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提出的直流微網(wǎng)系統(tǒng)的可行性及能量管理控制策略的有效性，根據(jù)上述控制原理，制作了負(fù)載功率為450 W的樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

工作模式一下從半載加到滿載，以及從滿載突減到半載時的 Ubus、Ubat、Io、Ibat的實(shí)驗(yàn)波形如圖 7 所示，從圖中可以看出，蓄電池雙向變換器工作在Boost升壓模式，穩(wěn)定直流母線電壓Ubus保持恒定。

工作模式二，蓄電池儲能系統(tǒng)CVC運(yùn)行，光伏采用MPPT控制，光伏功率不滿足負(fù)載所需功率，蓄電池處于放電狀態(tài)，提供所缺少的能量。直流負(fù)載從半載加到滿載，以及從滿載突減到半載時的Ubus、Ubat、Io、Ibat的實(shí)驗(yàn)波形如圖 8 所示。

表2 系統(tǒng)參數(shù)

模式三對應(yīng)光伏變換器CVC控制母線電壓，雙向變換器處于Buck工作模式，以最大允許充電電流充電，系統(tǒng)正常工作。當(dāng)負(fù)載從半載突加到滿載時，光伏陣列的電壓下降，當(dāng)負(fù)載從滿載突降到半載時，光伏陣列的電壓升高，實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示。模式四是當(dāng)光伏輸出功率大于負(fù)載功率，但不足以維持蓄電池以最大允許充電電流充電，此時光伏以MPPT模式運(yùn)行，蓄電池限幅充電，如圖10所示。

當(dāng)系統(tǒng)在模式二或者模式四狀態(tài)運(yùn)行時，若此時負(fù)載功率突降或者突增時，需要系統(tǒng)能夠自主切換工作模式，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的充放電流，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行。圖11對應(yīng)蓄電池由充電到放電，以及由放電到充電自然切換時的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，雙向變換器之間快速切換，系統(tǒng)保持正常工作。

直流微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，需要對系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行檢測判斷，在各個模式之間平滑切換，以維持直流母線電壓的穩(wěn)定。圖12所示為系統(tǒng)由模式一切換至模式二時的實(shí)驗(yàn)波形，Ubus、Ubvt、Ppv、Ibat表示直流母線電壓、光伏陣列電壓、光伏輸出功率、蓄電池電流。初始階段，光伏DC/DC變換器不工作，由蓄電池單獨(dú)提供負(fù)載所需能量，維持母線電壓穩(wěn)定，直流負(fù)載處于半載250 W左右。某一時刻光伏功率突增到150 W，小于負(fù)載所需功率，此時光伏工作在MPPT模式，缺少能量由蓄電池運(yùn)行在CVC模式提供。

圖13 表示系統(tǒng)由模式二切換至模式四時的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，光伏陣列最大功率由150 W增加到360 W，此時光伏能量大于負(fù)載所需，為維持母線電壓穩(wěn)定，多余能量經(jīng)由雙向變換器工作在Buck模式注入蓄電池，此時為限流充電。光伏功率繼續(xù)增大，如圖14所示，光伏功率由360 W突增，此時光伏陣列發(fā)出功率不僅滿足直流負(fù)載所需功率，同時滿足蓄電池以最大允許充電電流充電，為保證功率平衡及母線電壓穩(wěn)定，此時光伏DC/DC變換器將不再是MPPT控制，轉(zhuǎn)而切換為CVC控制直流母線電壓，而蓄電池以最大限幅值充電，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，直流微網(wǎng)系統(tǒng)在各種情況下均可正常工作，光伏陣列以及蓄電池根據(jù)不同情況進(jìn)行判斷并且自主切換模式，實(shí)現(xiàn)了整個系統(tǒng)的能量管理，驗(yàn)證了系統(tǒng)能量管理控制策略的正確性和有效性。

4 結(jié)論

本文針對基于光伏發(fā)電的獨(dú)立直流微網(wǎng)系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的能量供需關(guān)系，提出了一種新的能量管理控制策略，光伏DC/DC變換器根據(jù)不同光照條件，在最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）模式以及恒壓（CVC）模式之間切換運(yùn)行，光伏與蓄電池儲能單元協(xié)調(diào)工作，直流微網(wǎng)系統(tǒng)利用蓄電池充放電抑制分布式能源輸出能量的波動以及負(fù)荷突變導(dǎo)致的能量供需變化，同時為直流負(fù)載提供電能，維持微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，光伏輸出功率以及負(fù)載消耗功率變化時，直流微網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)迅速，過渡過程短，直流母線電壓控制穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的控制策略正確有效。

[1]Kakigano H,Miura Y,Ise T,et al.Fundamental characteristics of DC micro-grid for residential houses with cogeneration system in each house[C].2008 IEEE Power and Energy Society General Meeting,Pittsburgh,PA,USA,2008：1-8.

[2]王成山，楊占剛，王守相，等.微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征及控制模式分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34(1)：99-105.

[3]Boroyevich,Cvetkovi Igor,Dong Dong.Future electronic power distribution systems a contemplative view[C].Optimization of Electrical and Electronic Equipment(OPTIM),2010 12th International Conference,2010：1369-1380.

[4]吳衛(wèi)民，何遠(yuǎn)彬，耿攀，等.直流微網(wǎng)研究中的關(guān)鍵技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報，2012，27(1)：98-106.

[5]Lee,Jun-Young Y Han,Byung-Moon Moon,Nam-Sup S.DC micro-grid operational analysis with detailed simulation model for distributed generation[C].Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),2010：3153-3160.

[6]Yamauchi Hayato,Kina Masahiko,Kurohane Kyohei.Operation principle of multiple DC smart grids[C].2011 IEEE Power Electronics and Drive Systems(PEDS),2011：304-309.

[7]Peiying Li,Yutian Pan,Yanqiang Ma,et al.Study on an Active Voltage Equalization Charge System of a Series Battery Pack[C].2011 International Conference on Electronic and Mechanical Engineering and Information Technology,Harbin,2011：141-144.

[8]Liu hunhua,Chau Kwok-Tong,Diao henxi.A new DC micro-grid system using renewable energy and electric vehicles for smart energy delivery[C].2010 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference(VPPC),2010：1-6.