張杰，高騰，趙威，艾振珂

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430068）

直流微網(wǎng)系統(tǒng)能量管理控制技術(shù)研究

張杰，高騰，趙威，艾振珂

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430068）

構(gòu)建了基于光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電以及蓄電池儲能的多電源直流微網(wǎng)系統(tǒng)。歸納總結(jié)出了系統(tǒng)的九種工作模式，提出了包括最大功率跟蹤控制、蓄電池充放電控制和直流微網(wǎng)系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)控制策略。根據(jù)分布式電源、電網(wǎng)、負(fù)載和蓄電池的工作情況，進行不同模式之間的轉(zhuǎn)換，并完成相應(yīng)的控制策略，實現(xiàn)了多電源供電的微網(wǎng)系統(tǒng)運營的可靠性。最后通過仿真證實了控制方案的可行性。

分布式發(fā)電；直流微網(wǎng)；逆變器；能量管理系統(tǒng)；協(xié)調(diào)控制

0 引 言

風(fēng)能和太陽能作為兩種應(yīng)用廣泛的可再生能源，在資源條件和技術(shù)應(yīng)用上都具有互補性，成為了最具開發(fā)前景的兩種可再生能源［1－3］。但是風(fēng)力－太陽能混合發(fā)電受到風(fēng)速和光照強度的影響，所以兩種能量產(chǎn)生的電能都具有不穩(wěn)定性和隨機性［4－6］。并且有分布式儲能環(huán)節(jié)（蓄電池）的存在，這給電能的高效利用帶來了很大的困難，必須通過相關(guān)控制策略處理好能量合理流動的問題，以實現(xiàn)能量的最大利用和系統(tǒng)可靠供電［7－11］。本文通過對光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、蓄電池儲能、以及電網(wǎng)構(gòu)成的多電源供電系統(tǒng)能量流動和運行特性的分析，歸納總結(jié)出了系統(tǒng)的9種運行模式，提出了直流微網(wǎng)系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)控制策略。

1 微網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成

本文選擇光伏，風(fēng)力發(fā)電為分布式電源，蓄電池為分布式儲能電源的直流微網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示。通過光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大風(fēng)能捕捉控制，實現(xiàn)可再生能源的能量最大利用。無論是光伏系統(tǒng)還是風(fēng)電系統(tǒng)，因自然條件的影響輸出能量不穩(wěn)定、波動較大，蓄電池構(gòu)成的分布式儲能環(huán)節(jié)在實現(xiàn)了分布式電源能量的最大利用的同時，通過合理的充放電控制策略，削峰填谷，調(diào)節(jié)了系統(tǒng)的供電平衡。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電兩種分布式電源的協(xié)調(diào)使用，彌補了各自作為獨立系統(tǒng)時的缺陷。系統(tǒng)可根據(jù)用戶的用電需求和自然條件進行靈活的配置，提高了系統(tǒng)的可靠性和兼容性。

圖1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 微網(wǎng)系統(tǒng)的能量管理

從圖1可以看出，本文設(shè)計的微網(wǎng)系統(tǒng)的所有能量是由光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電兩種分布式電源提供的，蓄電池作為分布式儲能環(huán)節(jié)在分布式電源提供能量充足時吸收過多的能量；當(dāng)提供能量不足時，蓄電池釋放能量，以保證系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量。這樣分布式電源與分布式儲能相互配合，增強系統(tǒng)能量的可調(diào)度性。為了保證能量的合理流動，在不同的外界環(huán)境、運行模式和蓄電池狀態(tài)下，微網(wǎng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)應(yīng)有所不同?；诒疚乃O(shè)計的微網(wǎng)系統(tǒng)，為了延長蓄電池的壽命、保證直流電壓的穩(wěn)定和系統(tǒng)的可靠運行，提高能量的利用率，針對各種工況，設(shè)計了九種工作模式。主要通過電網(wǎng)狀態(tài)，分布式電源輸出的功率與負(fù)載的需求，電池的SOC（蓄電池荷電態(tài)）狀態(tài)，以及直流母線電壓等方面為判斷標(biāo)準(zhǔn)，決定系統(tǒng)工作在何種工作模式。

當(dāng)電網(wǎng)正常，系統(tǒng)并網(wǎng)運行時：

工作模式1：如圖2（a）所示，電源輕載且SOC＝100%時，蓄電池組不工作，直流母線電壓穩(wěn)定，逆變器工作，能量全部逆變；

工作模式2：如圖2（b）所示，電源輕載且SOC＜100%時，對蓄電池充電，直流母線電壓穩(wěn)定，逆變器工作，能量部分逆變；

工作模式3：如圖2（c）所示，電源過載，雙向DC／DC變換電路不工作，直流母線電壓穩(wěn)定，逆變器工作，能量全部逆變；

當(dāng)電網(wǎng)故障，系統(tǒng)離網(wǎng)運行時：

工作模式4：如圖2（d）所示，電源輕載且SOC＝100%時，蓄電池組不工作，直流母線電壓穩(wěn)定，逆變器離網(wǎng)，直流母線電壓穩(wěn)定，能量全部逆變；

工作模式5：如圖2（e）所示，電源輕載且SOC＜100%時，對蓄電池充電，維持直流母線電壓穩(wěn)定，逆變器離網(wǎng)，能量部分逆變；

工作模式6：如圖2（f）所示，電源重載且SOC≥25%時，蓄電池放電，直流母線電壓穩(wěn)定，逆變器離網(wǎng)，能量全部逆變；

工作模式7：如圖2（g）所示，電源重載，只供重要負(fù)載，直流母線電壓小于700 V或蓄電池的SOC＜25%時，蓄電池不供電，把一般負(fù)載切除，降低直流母線電壓等級（600 V）并保持穩(wěn)定，逆變器離網(wǎng)，能量全部逆變；

工作模式8：如圖2（h）所示，電源重載，不能滿足重要負(fù)載且蓄電池的SOC≥25%時，蓄電池放電，把一般負(fù)載切除，并維持直流母線電壓（600 V）穩(wěn)定，逆變器離網(wǎng)，能量全部逆變，并穩(wěn)定直流母線電壓；

工作模式9：如圖2（i）所示，電源重載，不能滿足重要負(fù)載，直流母線電壓小于550 V或蓄電池的SOC＜25%時，逆變器停止。

從上述微網(wǎng)的工作模式的分析可得：系統(tǒng)在不同的情況下，通過控制雙向DC／DC電路保證蓄電池的可靠充放電，實現(xiàn)了系統(tǒng)的能量管理，提高了分布式電源的能量利用率。在并網(wǎng)時，由于電網(wǎng)可以對整個微網(wǎng)系統(tǒng)的提高支撐，為了延長蓄電池的使用壽命，無論分布式電源輸出的能量大小，蓄電池都不放電提供能量；在離網(wǎng)時，系統(tǒng)沒有電網(wǎng)的支撐，當(dāng)分布式能源提供能量不夠時，蓄電池要通過釋放能量維持直流母線電壓穩(wěn)定，以保證逆變器輸出的電能質(zhì)量。

3 微網(wǎng)系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)控制技術(shù)

綜合微網(wǎng)能量管理和直流母線電壓控制策略，為了合理的選擇微網(wǎng)系統(tǒng)的工作模式設(shè)計了微網(wǎng)系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)控制策略。該策略的程序流程圖如圖3所示。

通過不斷采集蓄電池、分布式電源、電網(wǎng)、直流電壓的狀態(tài)，選擇合適的微網(wǎng)工作模式，以實現(xiàn)微網(wǎng)在各種情況下的穩(wěn)定運行。

4 仿真結(jié)果

圖2 微網(wǎng)系統(tǒng)的工作模式

圖3 微網(wǎng)系統(tǒng)控制的程序流程圖

本文根據(jù)圖1在MATLAB環(huán)境下建立微網(wǎng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)仿真圖。光伏發(fā)電模型（PV）、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型（WIND）和蓄電池通過模擬直流母線的電容與逆變器連接。通過模擬直流母線的電容與逆變器連接，通過LC并網(wǎng)濾波器、各個斷路器饋入負(fù)載和電網(wǎng)。雙向DC／DC變換電路模型連接了直流母線和蓄電池?？刂齐娐分饕赡孀兤鞯腟VPWM模型、能量控制模塊和系統(tǒng)的整體控制模塊組成。

4．1 各分布式電源的直流輸出特性的仿真分析

本文所設(shè)計仿真的微網(wǎng)系統(tǒng)的光伏電池選擇利用了SUNTECH公司的光伏電池模塊的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 光伏電池模塊的重要參數(shù)

其中系統(tǒng)的要求：光伏陣列開路電壓是450 V，短路電流為50 A，由經(jīng)驗可得系統(tǒng)的最佳工作電壓為360 V。串聯(lián)光伏模塊個數(shù)為360／36．4＝9．8，取10，則串聯(lián)光伏模塊的總功率為1 850 W；并聯(lián)光伏模塊個數(shù)為20 000／1 850＝10．8，取11，風(fēng)力機的相關(guān)仿真設(shè)定參數(shù)如表2所示。

表2 風(fēng)力機模擬系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖4是光照和溫度的曲線圖，系統(tǒng)選擇光照S＝1 000 W／m2、溫度T＝25℃的標(biāo)準(zhǔn)條件，在0．1 s到0．2 s這個過程中保持光照不變，溫度發(fā)生波動；在0．3 s到0．4 s，保持溫度不變，光照發(fā)生波動。通過仿真得到輸出特性曲線，發(fā)現(xiàn)陣列的工作電壓在最佳工作電壓360 V附近波動，光照和溫度變化時，在較短時間內(nèi)實現(xiàn)了最大功率輸出，實現(xiàn)了MPPT功能。

圖5是在風(fēng)速變化的時候，風(fēng)力機的輸出轉(zhuǎn)矩可以準(zhǔn)確快速的跟隨風(fēng)速，實現(xiàn)了最大風(fēng)能捕捉控制。

4．2 微網(wǎng)系統(tǒng)的仿真運行分析

在并網(wǎng)狀態(tài)下，當(dāng)分布式能源提供能量發(fā)生較大波動時，直流母線電壓的波形如圖6所示。

由圖6可以看出，在0．15 s時，分布式能源由于自然環(huán)境影響輸出功率大幅下降，已經(jīng)不能滿足全部負(fù)載需要，由于電網(wǎng)對

圖4 最大功率跟蹤控制結(jié)果

圖5 輸入風(fēng)力機的風(fēng)速、輸出轉(zhuǎn)矩和永磁同步電機輸出交流電流的特性曲線

圖6 能量波動時母線電壓波形

系統(tǒng)的支撐作用，電流母線電壓在略有下降后迅速恢復(fù)穩(wěn)定在800 V；在0．3 s時，分布式能源的輸出功率能夠滿足負(fù)載需要時，直流母線電壓在一個個小小的波動后也迅速恢復(fù)穩(wěn)定在800 V。

在離網(wǎng)狀態(tài)下，各種工作模式波形：

圖7（a、b）可以看出：開始時，分布式能源輸出功率充足可以滿足負(fù)載需要，直流母線電壓很快達到800 V并在0．05 s以內(nèi)穩(wěn)定。在0．16 s時分布式能源由于外界影響輸出功率大幅下降，設(shè)定此時蓄電池S0C≥25%，蓄電池按照基于穩(wěn)定直流母線電壓放電策略放電提高逆變器的輸入能量，使直流母線電壓在0．1 s內(nèi)恢復(fù)并穩(wěn)定在800 V。

圖7 輸出功率和母線電壓波形

圖7（c、d）可以看出：在0．15 s時，分布式能源由于自然環(huán)境影響輸出功率大幅下降，設(shè)定此時蓄電池的SOC＜25%。由于分布式能源輸出功率不能滿足負(fù)載需要，使直流母線電壓迅速下降，當(dāng)電壓小于700 V時，切除一般負(fù)載，設(shè)定Udcref為600 V，直流母線電壓在0．05 s內(nèi)穩(wěn)定在600 V。當(dāng)0．3 s分布式能源的輸出功率能夠滿足負(fù)載需要時，Udcref恢復(fù)為800 V，直流母線電壓迅速上升，直流母線電壓也穩(wěn)定在800 V。

圖7（e、f）可以看出：開始時，分布式能源提供的能量只能滿足重要負(fù)載的需求，這段時間直流母線維持在600 V；在0．15 s時分布式能源由于自然環(huán)境影響輸出功率大幅下降。由于分布式能源輸出功率不能滿足負(fù)載需要，直流母線電壓迅速下降，設(shè)定此時蓄電池的S0C≥25%，蓄電池釋放能量，提高了逆變器的輸入能量，直流母線電壓迅速上升，恢復(fù)并穩(wěn)定在600 V。

圖7（g、h）可以看出：在0．15 s時，分布式能源由于自然環(huán)境影響輸出功率大幅下降，設(shè)定此時蓄電池的S0C＜25%。由于分布式能源輸出功率不能滿足負(fù)載需要，直流母線電壓迅速下降，當(dāng)電壓小于550 V時，這時逆變器輸出的電能質(zhì)量已經(jīng)得不到保證，停止逆變。此時沒有輸入能量，直流母線電壓加速下降。在0．45 s時分布式能源的輸出功率增大能夠滿足負(fù)載，直流母線電壓迅速上升，恢復(fù)并穩(wěn)定在600 V。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的微網(wǎng)系統(tǒng)的直流母線匯集了各個分布式能源的輸出能量，可見直流母線電壓穩(wěn)定的重要性，針對這一情況，對相關(guān)控制策略進行了詳細研究分析。并提出了整個微網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略，以合理的選擇各個工作模式、保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。本文雖然對分布式能源以及微網(wǎng)的控制進行了一些研究。但對多個微網(wǎng)系統(tǒng)并行，更加復(fù)雜的微網(wǎng)系統(tǒng)的建模等難題有待進一步深入。

［1］徐大明，康龍云，曹秉剛．基于NsGa－II的風(fēng)光互補獨立供電系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化［J］．太陽能學(xué)報，2006，27（6）：593－598．

［2］齊志遠，王生鐵，田桂珍．風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制［J］．太陽能學(xué)報，2010，31（5）：654－659．

［3］胡學(xué)浩．美加聯(lián)合電網(wǎng)大面積停電事故的反思和啟示［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2003，27（9）：2－6．

［4］Ackermant，Andersong，Sedel．Distributed generation：a definition［J］．Electri Power System Research，2001，57（6）：195－204．

［5］RAHMAN，SAIFUR．Green Power：what is itand wherewe can find it？［J］．IEEE Power and Energy Magazine，2003，1（1）：33－37．

［6］Mac Gregor PR，Lambert FC．Distributed generation：semantic hype or the dawn of a new era［J］．IEEE Power and Energy Magazine，2003，1（1）：22－29．

［7］艾斌，楊洪興，沈輝，等．風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計匹配設(shè)計實例［J］．太陽能學(xué)報，2003，24（5）：718－723．

［8］魯宗相，王彩霞，閔勇，等．微電網(wǎng)研究綜述［J］．電力系統(tǒng)自動化，2007，31（19）：100－107．

［9］R LASSETER．The CERTS Microgrid Concept-White Paper on Integration of Distributed Energy Resources［R］．2002．

［10］趙庚申，王慶章，許盛之．最大功率點跟蹤原理及實現(xiàn)方法的研究［J］．太陽能學(xué)報，2006，27（10）：997－1001．

Research on the Energy Management Control Technology of DC Micro-grid

ZHANG Jie，GAO Teng，ZHAOWei，AIZhen-ke
（School of Electrical＆Electronic Engineering Hubei University of Technology，Wuhan Hubei430068，China）

This article presents a multi-power supply DC Micro-grid system based on photovoltaic power generation，wind power and battery energy storage．Itsums up 9modes ofoperation of the system，and presents an overall coordinated control strategy includingmaximum power tracking control，charge and discharge control for battery，and DCmicro-grid system．Based on operational conditions of the distributed power，power grid，the work load and the battery，this control scheme realizes conversion between differentmodes and completes corresponding control strategies to realize operational reliability of the multi-powered micro-grid system．Finally，the simulation proves the feasibility of the control scheme．

distributed generation；DCmicro-grid；inverter；energymanagement system；coordinated control

10．3969／j·issn．1000－3886．2014．04．017

TK513．5，TM615

A

1000－3886（2014）04－0050－04

張杰（1972－），男，湖北武漢人，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為光伏發(fā)電及其控制。 高騰（1988－），男，碩士，湖北黃岡人，研究方向為光伏發(fā)電及其控制。 趙威（1987－），男，碩士，湖北襄陽人，研究方向為光伏發(fā)電及其控制。 艾振珂（1988－），男，碩士，湖北鄂州人，研究方向為光伏發(fā)電及其控制。

定稿日期：2013－11－19

湖北省科技廳自然科學(xué)基金重點項目（2010CDA018）