殷 歡，徐成斌，裘愉濤，張廣嘉，俞偉國(guó)，耿 烺

（1.長(zhǎng)園深瑞繼保自動(dòng)化有限公司，廣東 深圳 518057；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展和人們生活水平的提高，能源危機(jī)和環(huán)境污染逐步成為當(dāng)今社會(huì)兩大難題，解決好這兩大難題對(duì)于人類今后的生活至關(guān)重要[1-2]。為了更好地解決能源危機(jī)問(wèn)題，同時(shí)進(jìn)一步降低電力生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的污染，以太陽(yáng)能、風(fēng)能為代表的可再生能源發(fā)電技術(shù)開始蓬勃發(fā)展，這類分布式電源具有清潔無(wú)污染、豐富可再生的優(yōu)勢(shì)，是解決好能源危機(jī)和環(huán)境污染的良好選擇[3-5]。但是分布式電源具有間歇性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，分散接入公共電網(wǎng)會(huì)對(duì)其正常運(yùn)行產(chǎn)生較大的影響，因此此前對(duì)分布式電源的接入一直持保守態(tài)度。為了更好地解決分布式電源入網(wǎng)的問(wèn)題，微電網(wǎng)的概念被提了出來(lái)，首先發(fā)展和研究的是交流微電網(wǎng)，隨著直流負(fù)荷越來(lái)越多以及直流微電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)逐步被發(fā)掘，直流微電網(wǎng)已成為學(xué)者研究的重心和熱點(diǎn)[6-7]。

微電網(wǎng)是一種由分布式電源、儲(chǔ)能、負(fù)荷、控制系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)等組成的小型發(fā)配用電集成系統(tǒng)，其運(yùn)行的穩(wěn)定和可靠性與系統(tǒng)中分布式電源、儲(chǔ)能單元以及各變換器的控制策略密切相關(guān)[8-9]。學(xué)者對(duì)于直流微電網(wǎng)的控制策略的研究從未間斷，如何利用相應(yīng)的控制策略實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中各變換器以及各單元的穩(wěn)定運(yùn)行，一直是直流微電網(wǎng)研究的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[10]以獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出了一種光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量管理策略，從而實(shí)現(xiàn)光伏電池和儲(chǔ)能在多種工況下的穩(wěn)定運(yùn)行，這對(duì)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)有一定的參考意義。文獻(xiàn)[11]對(duì)多儲(chǔ)能直流微電網(wǎng)進(jìn)行分析，并驗(yàn)證了所提控制策略的正確可靠性。文獻(xiàn)[12-13]提出了直流微電網(wǎng)能量管理策略，以直流母線電壓為控制信號(hào)，定義了在孤島運(yùn)行狀態(tài)下的幾種工作模式，在不同的工作模式下能夠保持安全穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[14-15]主要分析了直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的空間狀態(tài)模型，以此來(lái)分析微電網(wǎng)的穩(wěn)定程度，從而選取更加有利于系統(tǒng)穩(wěn)定的控制參數(shù)。因此，現(xiàn)有的文獻(xiàn)討論直流微電網(wǎng)控制策略時(shí)往往將其并網(wǎng)狀態(tài)和孤島狀態(tài)分離開來(lái)，這樣就使控制策略具有極大的片面性，不能支撐系統(tǒng)的平滑切換。

為了使直流微電網(wǎng)運(yùn)行更加穩(wěn)定和可靠，將直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中的光伏電池、蓄電池儲(chǔ)能以及各裝置變換器綜合考慮，針對(duì)直流微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤島2種運(yùn)行方式，提出了直流微電網(wǎng)的4種工作模式以及相對(duì)應(yīng)的協(xié)調(diào)控制策略，從而保證系統(tǒng)在各工作模式間平滑切換，實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。

1 直流微電網(wǎng)簡(jiǎn)介

圖1為直流微電網(wǎng)的組成結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中的各個(gè)單元由相應(yīng)的變換器連接在直流母線上，各個(gè)單元通過(guò)變化器進(jìn)行相應(yīng)的能量交換，因此控制好各個(gè)變換器至關(guān)重要。直流微電網(wǎng)系統(tǒng)包括大電網(wǎng)、分布式電源、儲(chǔ)能單元、直流母線以及交直流負(fù)荷等，控制直流微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行可以通過(guò)直流母線電壓的穩(wěn)定來(lái)判斷。直流微電網(wǎng)主要包括以下幾個(gè)部分：

圖1 直流微電網(wǎng)組成結(jié)構(gòu)

（1）大電網(wǎng)。大電網(wǎng)是直流微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下的功率支撐單元，可以通過(guò)雙向AC/DC（交流/直流）變換器與直流微電網(wǎng)進(jìn)行功率交換，雙向AC/DC變換器可以根據(jù)系統(tǒng)中的功率情況進(jìn)行功率流向以及功率大小的控制。當(dāng)直流微電網(wǎng)內(nèi)部由于過(guò)負(fù)荷等情況出現(xiàn)功率缺額的時(shí)候，通過(guò)雙向AC/DC變換器的控制可以實(shí)現(xiàn)大電網(wǎng)向直流微電網(wǎng)的功率流動(dòng)；而當(dāng)直流微電網(wǎng)內(nèi)部由于分布式電源輸出功率的增加等情況出現(xiàn)功率余額的時(shí)候，通過(guò)雙向AC/DC變換器可以實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)向大電網(wǎng)的功率流動(dòng)。當(dāng)直流微電網(wǎng)與大電網(wǎng)相連接時(shí)，直流微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，在某些情況下直流微電網(wǎng)可以與大電網(wǎng)斷開從而運(yùn)行在孤島狀態(tài)下。

（2）蓄電池儲(chǔ)能。直流微電網(wǎng)是以太陽(yáng)能、風(fēng)能為主的間歇性分布式電源為主要供電電源，這些分布式電源具有很大的波動(dòng)性和間歇性，如果系統(tǒng)中沒有儲(chǔ)能單元，那么在系統(tǒng)中的分布式電源波動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成事故，嚴(yán)重影響大電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和負(fù)荷的供電質(zhì)量。儲(chǔ)能單元是直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中必不可少的一部分，可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功率波動(dòng)進(jìn)行平抑，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)直流母線電壓的穩(wěn)定意義重大。

（3）分布式電源。分布式電源主要是包括光伏電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、燃料電池、微燃機(jī)等微電源，是以清潔的可再生能源為主的電源，充分高效的利用分布式電源發(fā)電可以大大提高整個(gè)電力系統(tǒng)的低碳和環(huán)保。光伏電池輸出直流電，通過(guò)相應(yīng)的DC/DC變換器連接在直流母線上，在不同的光照情況下通過(guò)DC/DC變換器的控制實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功率輸出。而對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，其輸出為交流電，因此需要通過(guò)AC/DC變換器連接在直流母線上，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的有效利用。

（4）直流母線。系統(tǒng)中的各個(gè)單元通過(guò)各自的變換器連接在直流母線之上，直流母線電壓的大小是衡量直流微電網(wǎng)系統(tǒng)功率平衡情況的重要依據(jù)和條件。為了實(shí)現(xiàn)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行，必須按照相應(yīng)的控制策略維持系統(tǒng)直流母線電壓的平衡。

2 系統(tǒng)控制目標(biāo)分析

在直流微電網(wǎng)中，系統(tǒng)電壓值及波動(dòng)情況是直流微電網(wǎng)是否穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)，在系統(tǒng)中各個(gè)單元功率發(fā)生變化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)的直流母線電壓波動(dòng)，在系統(tǒng)各變換器的控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)下，直流母線電壓又會(huì)重新趨于穩(wěn)定狀態(tài)。微電網(wǎng)中光伏發(fā)電的隨機(jī)性、直流負(fù)荷變化以及與大電網(wǎng)功率交換的波動(dòng)都會(huì)影響系統(tǒng)功率平衡，從而影響系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。

為了更加形象直觀地研究直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，得到如圖2所示的直流母線等效電路圖，通過(guò)分析來(lái)確定直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制目標(biāo)，進(jìn)一步進(jìn)行控制策略的分析和研究。根據(jù)圖2的等效電路所示，可以得到下列關(guān)系：

式中：C為直流母線等效電容；Vdc為直流母線的實(shí)際電壓；Pbat為蓄電池儲(chǔ)能的放電功率；Pgrid為大電網(wǎng)從直流微電網(wǎng)吸收的功率；Pg為光伏電池和風(fēng)機(jī)等分布式電源發(fā)出的總功率；Pload為系統(tǒng)中交流負(fù)荷和直流負(fù)荷總功率。

從圖2和式（2）中可以推出，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中的功率狀況與直流母線電壓密切相關(guān)，穩(wěn)定的直流母線電壓對(duì)應(yīng)系統(tǒng)功率平衡，不平衡的功率流動(dòng)會(huì)造成母線電壓異常。因此，可以通過(guò)控制直流母線電壓的平衡來(lái)達(dá)到系統(tǒng)的功率平衡，從而達(dá)到直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 直流母線等效電路

3 系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略

3.1 概述

對(duì)于整個(gè)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，網(wǎng)側(cè)變換器和儲(chǔ)能變換器可以進(jìn)行系統(tǒng)功率的控制，通過(guò)協(xié)調(diào)系統(tǒng)功率來(lái)維持直流母線電壓的穩(wěn)定，從而保證系統(tǒng)的功率平衡。因此該協(xié)調(diào)控制策略以網(wǎng)側(cè)變換器和儲(chǔ)能變換器的最低、最高臨界電壓作為模式切換條件，從而在不同的模式下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。定義VH1和VL1分別為儲(chǔ)能變換器工作的臨界最高電壓和最低電壓，VH2和VL2分別為網(wǎng)側(cè)變換器工作的臨界最高電壓和最低電壓，而Vdcf為直流母線的額定參考電壓。不難發(fā)現(xiàn)，這幾個(gè)電壓量有如下大小關(guān)系：

對(duì)于系統(tǒng)中網(wǎng)側(cè)變換器和儲(chǔ)能變換器的臨界電壓大小選取，不宜過(guò)大和過(guò)小。如果臨界值選取的過(guò)大，直流母線電壓將會(huì)偏差過(guò)大，不利用負(fù)荷穩(wěn)定供電；如果臨界值選取過(guò)小，將會(huì)造成控制模式頻繁切換，不利于系統(tǒng)的整體穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)，VH1和VH2分別選取為1.05 Vdcf和 1.1Vdcf， 而 VL1和 VL2分別選取為 0.95Vdcf和0.9Vdcf，這是前述的臨界值，根據(jù)這些電壓臨界值從而可以區(qū)分出4種工作模式。具體模式如下。

3.2 工作模式1

這種模式直流母線電壓區(qū)間為VL1

3.3 工作模式2

這種模式直流母線電壓區(qū)間為VH1

3.4 工作模式3

這種模式直流母線電壓區(qū)間為VL2

3.5 工作模式4

這種模式直流母線電壓區(qū)間為Vdc>VH2或者為Vdc>VL2，直流微電網(wǎng)運(yùn)行在并網(wǎng)模式，此時(shí)直流母線電壓偏差較大，出現(xiàn)持續(xù)的降低或者升高，說(shuō)明系統(tǒng)中的功率剩余或欠缺嚴(yán)重。當(dāng)功率剩余嚴(yán)重時(shí)為工作模式4（a），功率欠缺嚴(yán)重時(shí)為工作模式4（b），此時(shí)在孤島狀態(tài)下已經(jīng)無(wú)法維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，直流微電網(wǎng)將由孤島狀態(tài)向并網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，從而使并網(wǎng)雙向AC/DC變換器開始投入工作，通過(guò)整流或逆變的調(diào)整，改變輸出或吸收功率，從而使直流母線電壓維持穩(wěn)定，雙向AC/DC變換器運(yùn)行在恒壓工作模式。

在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，會(huì)在各個(gè)變換器控制中設(shè)置相應(yīng)的控制切換裝置，在仿真中利用選擇開關(guān)，通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)直流母線電壓的大小，從而在不同的電壓區(qū)間內(nèi)，各個(gè)單元保持在該電壓區(qū)間的具體控制方法，從而完成協(xié)調(diào)控制算法和各個(gè)單元具體的控制流程。

4 變換器及控制方法

4.1 光伏變換器及控制方法

對(duì)于光伏電池來(lái)說(shuō)需要用DC/DC變換器進(jìn)行功率的輸出和控制，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中：UPV，IPV分別為光伏陣列實(shí)際輸出電壓和電流；C1，C2分別為光伏出口側(cè)和直流母線側(cè)電容；LPV為光伏出口側(cè)電感。光伏DC/DC變換器可以工作在MPPT和恒壓2種控制模式。當(dāng)直流微電網(wǎng)運(yùn)行在并網(wǎng)模式時(shí)，光伏陣列始終工作在MPPT模式，而在孤島模式運(yùn)行時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的功率狀況可以運(yùn)行在MPPT模式或恒壓模式。MPPT控制中采用增量電導(dǎo)算法獲得光伏模塊最大功率點(diǎn)處的電壓和電流，經(jīng)過(guò)電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制得到PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)，使光伏模塊以最大功率運(yùn)行，而恒壓控制在維持直流母線電壓穩(wěn)定的同時(shí)達(dá)到降功率運(yùn)行的效果，具體控制框圖如圖4所示，圖中Vdc_ref為直流母線參考電壓。

圖3 光伏變換器結(jié)構(gòu)

圖4光伏變換器控制框圖

4.2 儲(chǔ)能變換器及控制方法

由于儲(chǔ)能裝置需要吸收或者釋放功率，因此儲(chǔ)能變換器需要為雙向DC/DC變換器，這樣就可以通過(guò)控制策略實(shí)現(xiàn)功率的吸收或者釋放，具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，其中Dboost和Dbuck分別為變換器升壓和降壓PWM控制信號(hào)；Rb為鋰電池內(nèi)阻；Lb為鋰電池出口側(cè)電感；C3為直流側(cè)電容；Ib為儲(chǔ)能輸出電流；SPWM為正弦脈寬調(diào)制。其控制策略使用恒壓控制模式，這樣可以保證直流母線電壓的穩(wěn)定，具體控制框圖如圖6所示。

4.3 并網(wǎng)變換器及控制方法

圖5 儲(chǔ)能變換器結(jié)構(gòu)

圖6 儲(chǔ)能變換器控制方法

并網(wǎng)變換器為雙向AC/DC變換器，具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為圖7所示，圖中：LG為濾波電感；C4為直流側(cè)電容。在并網(wǎng)模式下可以維持直流母線電壓恒定，當(dāng)直流微電網(wǎng)功率平衡時(shí)可以出于待機(jī)模式，其余情況工作在逆變或整流模式下。其具體控制方法如圖8所示，圖中id和iq分別為交流側(cè)相電流d軸和q軸分量；ud和uq為交流側(cè)相電壓d軸和q軸分量；Qg為變換器無(wú)功功率；Qg_ref為變換器無(wú)功功率參考值。采用基于前饋解耦的雙閉環(huán)控制策略，其中，電壓外環(huán)可以維持直流母線電壓恒定，電流內(nèi)環(huán)可以控制功率流動(dòng)方向和功率因數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)功率控制，維持直流母線電壓穩(wěn)定。

圖7 并網(wǎng)變換器結(jié)構(gòu)

圖8 并網(wǎng)變換器控制方法

5 仿真分析

為了驗(yàn)證上述所提出的控制策略正確性，在MATLAB/Simulink中搭建直流微電網(wǎng)仿真模型，直流微電網(wǎng)仿真模型主要包括光伏電池、蓄電池儲(chǔ)能和大電網(wǎng)，通過(guò)搭建仿真模型進(jìn)行仿真研究，共分為4個(gè)工作模式，此處對(duì)模式3和模式4進(jìn)行仿真驗(yàn)證，此時(shí)直流微電網(wǎng)分別運(yùn)行在孤島和并網(wǎng)狀態(tài)，其他2個(gè)工作模式類似。模式3波形如圖9所示，模式4的波形如圖10所示。在模式3下，直流微電網(wǎng)中的光伏功率小于負(fù)荷功率，因此蓄電池開始輸出功率，當(dāng)由于光強(qiáng)變化而造成光伏輸出功率變化時(shí)，儲(chǔ)能能夠很好地維持直流母線電壓穩(wěn)定。對(duì)于模式4來(lái)說(shuō)，直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行于并網(wǎng)狀態(tài)下，當(dāng)光伏功率發(fā)生變化時(shí)大電網(wǎng)會(huì)改變輸出功率，從而維持系統(tǒng)功率平衡，保持直流母線電壓穩(wěn)定，對(duì)于模式1和模式2的控制過(guò)程類似。

圖9 模式3波形

6 結(jié)語(yǔ)

圖10 模式4波形

直流微電網(wǎng)是當(dāng)今電力研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，具有廣闊的前景和未來(lái)，將是新能源領(lǐng)域的重要方向，研究直流微電網(wǎng)具有很深遠(yuǎn)的意義。為了使直流微電網(wǎng)更加穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，進(jìn)行了直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略的研究，對(duì)于直流微電網(wǎng)的孤島和并網(wǎng)兩種狀態(tài)進(jìn)行了劃分，以網(wǎng)側(cè)變換器和儲(chǔ)能變換器的電壓臨界值為切換依據(jù)，得到4種工作模式，使直流微電網(wǎng)在不同的工作模式下能夠安全運(yùn)行，達(dá)到系統(tǒng)功率平衡和直流母線電壓穩(wěn)定的要求。