王 威， 周小安

(深圳大學 信息工程學院， 廣東 深圳 518000)

0 引 言

近年來隨著能源與環(huán)保問題的加劇以及全球一次性能源的過度使用，使得人們開始高度關注對可再生能源的開發(fā)，因此形成了由不同類型分布式電源(Distribute Generation)組成的微電網。微電網中電源多為分布式電源，包括風力發(fā)電機、光伏發(fā)電以及微型燃氣輪機，還有燃料電池、超級電容、飛輪、蓄電池等儲能裝置。而這些組件均配接在用戶側，具有低成本、低電壓和低污染的特點,有效地解決了大型集中電網許多潛在問題[1-2]。

但這些分布式電源本身存在著不穩(wěn)定性，所以當分布式電源接入微電網時會對系統(tǒng)造成影響，其中如何維持母線電壓的穩(wěn)定是判定直流電網系統(tǒng)穩(wěn)定的一個重要因素?，F(xiàn)有一些文獻對這方面做了些許研究，文獻[3]給出了一種基于母線電壓信號的協(xié)調控制策略，對不同直流微電網的運行模式進行了仿真，但是該控制模式沒有考慮到蓄電池SOC(State of Charge)的變化，最后可能會引發(fā)過沖損壞蓄電池裝置，從而影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。文獻[4]通過分析傳統(tǒng)PI控制器以及各參數(shù)的變化，進而提出一種提高直流微電網母線電壓穩(wěn)定性的新型控制策略，使得直流微電網能夠保障可靠的穩(wěn)定運行，但是該策略沒有考慮到一些極端情況，例如當有大功率用電單元接進來時，系統(tǒng)該如何反應。文獻[5]提出了一種改進的電壓控制信號(DC Bus Signaling，DBS)的能量管理策略，通過監(jiān)控母線電壓信號來對系統(tǒng)進行模態(tài)切換和電網能量的分配，該控制策略無需集中控制器，從而提高了系統(tǒng)的可運行性，但是該方法不適用于孤島運行的系統(tǒng)，因為在孤島情況下，若無大電網的接入，只是通過監(jiān)控母線電壓的變化,將無法達到全程的嚴密監(jiān)控。

針對上述一些問題，本文以光伏直流微電網為研究對象，提出了一種基于直流母線電壓的管理控制策略。當母線電壓面臨內部或者外部條件變化時，系統(tǒng)母線電壓進行自適應調節(jié)，同時當處于極端條件的情況下，可適當?shù)馗淖兡妇€控制策略，從而有效維持母線電壓的穩(wěn)定。

1 直流微電網系統(tǒng)結構

本文研究的光伏直流微電網結構如圖1所示。主要由光伏(PV)發(fā)電模塊、蓄電池儲能模塊以及負荷單元組成。

圖1中，光伏模塊通過升壓式DC-DC電路接入到直流母線中。蓄電池儲能模塊通過雙向DC-DC電路接入到直流母線中，負荷單元分為重要負荷以及非重要負荷,其等效的電路拓撲結構如圖2所示。

圖1 光伏直流微電網系統(tǒng)

圖2 光伏微電網等效拓撲結構圖

Fig.2Equivalenttopologicalstructurediagramofphotovoltaicmicrogrid

圖2中，用光伏以及蓄電池等效一個直流電源，直流負載等效于一個電阻，2個IGBT形成電壓源雙向DC-DC電路，通過采用相移的方法來控制功率的流向和大小[6]，使得蓄電池能量雙向流動，從而進行充放電；圖2中的二極管防止電流倒回光伏電池，實現(xiàn)左側光伏模塊能量的單相流動；C1、C2為電源側電容，起到濾波作用。

2 各模塊控制策略

2.1 光伏模塊控制策略

光伏模塊作為微電源接入到電網時，為了使得PV發(fā)揮最大功效，必須適時追蹤最大功率點(Maximum Power Point Tracing, MPPT)，常見的有2種基本的MPPT方法：擾動觀察法(P&Q)和電導增量法(INC)[7-8]。本文采用的是擾動觀察法，該方法通過給光伏電池的輸出電流周期性施加一定步長的擾動，從而使得光伏電池的工作點不斷靠近MPP。

由于光伏模塊本身受光照強度影響很大，除了使光伏模塊維持在最大功率點外，還需要加入Boost升壓變換器，用來維持母線電壓的穩(wěn)定，控制結構如圖3所示。圖3中，Upv、Ipv分別為光伏板輸出的電壓與電流；Gpv為從PWM中輸出的占空比，用來控制boost變換器開斷時間；Vdc為輸出的母線電壓。為提高Boost變換器效率，當檢測到光照強度為200 W·m2時，隨即將會啟動Boost變換器。

圖3 光伏模塊控制模式

當光伏模塊處于圖3控制模式時，可以得到光伏輸出功率Ppv，其數(shù)學公式可表示如下：

Ppv=IpvVdc(1-Gpv)

(1)

從式(1)可以看出，可以實時地改變占空比來調節(jié)光伏板輸出功率。當占空比較大時，輸出功率較??；當占空比較小時，輸出功率變大。

2.2 蓄電池SOC控制策略

蓄電池組作為該系統(tǒng)主要供電單元，對維持母線電壓的穩(wěn)定發(fā)揮著關鍵作用。在系統(tǒng)中，蓄電池組與母線之間通過一個雙向DC/DC變換器相連，用于管理蓄電池可控的充放電操作。當蓄電池放電時，DC/DC變換器工作于boost模式，開始向直流母線供電；當蓄電池充電時，DC/DC變換器工作于buck電路，將光伏端多余的電能存儲到蓄電池以及備用蓄電池中。

蓄電池與備用蓄電池充放電控制見表1。表1中，SOC(State of Charge)為荷電狀態(tài)，也叫剩余電量；Ppv為光伏板輸出功率；Pload為負載功率；Pbat為蓄電池輸出功率。

表1 蓄電池組充放電控制

從表1中可得到蓄電池通過監(jiān)控SOC狀態(tài)與各個模塊輸出功率。共有3種工作狀態(tài)，對其可闡釋分述如下。

(1)放電模式。當蓄電池電量SOC>60，電量充裕時，開始對外放電，或者功率監(jiān)控到Ppv

(2)空閑狀態(tài)。當系統(tǒng)檢測到光伏板輸出功率可以承載母線負載功率時，DC/DC變換器處于斷開狀態(tài)，蓄電池處于既不充電、也不放電的空閑狀態(tài)，提高了DC/DC變換器的使用效率，避免了該變換器頻繁的斷與開。

(3)充電狀態(tài)。當蓄電池SOC較低時，蓄電池進行充電，或者當母線負荷功率較少，Ppv>Pload，光伏板富余的電量流向蓄電池側，此時DC/DC變換器處于buck降壓模式。

綜上3種為蓄電池控制策略，備用蓄電池的控制方式和蓄電池的大致相同，在SOC狀態(tài)上，數(shù)字有點偏差，備用蓄電池只有當SOC很高時才加入電網中，或者出現(xiàn)一些極端情況，比如連續(xù)陰雨天，光伏模塊基本處于不工作狀態(tài)，因此蓄電池已無法滿足母線負荷的需求，備用蓄電池則接入電網中，此時還會適當考慮降低直流母線電壓或者切除非重要負載來維持母線電壓的穩(wěn)定運行。

2.3 蓄電池雙向DC/DC充放電控制

為了研發(fā)蓄電池充放電的功能，本文選用的是Buck/Boost型雙向變換器作為儲能裝置與直流母線的接口控制主電路，該變換器可以實現(xiàn)能量的雙向流動，且結構簡單，易于控制[9-10]。其控制方式如圖4所示。圖4中，Udc為反饋回來的直流母線電壓，Udc-ref為給定的母線電壓參考值，Ibat為蓄電池電流實際值，Iref為電壓外環(huán)得出的內環(huán)蓄電池電流參考值，Gbat為蓄電池輸出的占空比信號。通過該雙環(huán)控制能夠有效地維持母線電壓的穩(wěn)定性,并且當蓄電池SOC達到滿值的時候，會強制將Iref變?yōu)?，使得蓄電池不再進行充電。

2.4 母線電壓控制

由于系統(tǒng)處在孤島運行，也就需要考慮到，當遇到光伏等新能源嚴重不足的極端條件下系統(tǒng)的運行策略。

對于在極端條件下，例如光伏模塊出現(xiàn)故障，或者光照強度很低的情況下，光伏板輸出功率極低，無法滿足系統(tǒng)需求時，本文給出了母線電壓控制策略如圖5所示。其中，Pref為給定的蓄電池輸出最低參考值，Ppcs為蓄電池輸出的實際功率，ΔP為蓄電池輸出功率與蓄電池給定的參考值的差值。當檢測到ΔP大于定值時，通過PID控制降低母線的運行電壓；當檢測到ΔP小于定值(給蓄電池充電)時，在系統(tǒng)允許的情況下，則適當提高母線的運行電壓。

圖4 DC/DC雙環(huán)PI控制圖 圖5 母線電壓控制策略

Fig.4DC/DCdoubleloopPIFig.5Busvoltagecontrol

controlchartstrategy

3 仿真結果

為了驗證上述控制策略的有效性，利用Matlab/Simulink搭建了圖1所描述系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)來進行實驗。其中，光伏接口變換器采用的是Boost升壓電路；蓄電池模塊采用的是Simulink里自帶的蓄電池模塊，蓄電池標準電壓為220 V，額定容量為12 A·h；蓄電池接口采用的是Buck/Boost雙向電路，直流負載用的是電阻代替，直流母線電壓初始值為300 V。

3.1 光伏輸出變化對母線電壓的影響仿真

圖6表示了光伏板端光照強度、光伏板輸出功率、直流母線電壓隨時間的變化情況。由圖6可見，開始負載功率保持不變，維持在6 KW,整個仿真過程為1 s，在此期間，讓光伏輸出功率發(fā)生變化。最初光伏板光照強度為600 W·m2,在0.4 s升至1 000 W·m2，0.8 s降為800 W·m2，此時光伏輸出功率也隨之出現(xiàn)起伏，從2 900 W先升至3 900 W，最后下降到2 200 W，在光伏輸出波動的情況下，可以看到母線電壓一直維持在300 V左右，偏差很小。

圖6 光伏輸出功率的改變對母線影響仿真

從該仿真結果可以得到，在其它條件不變的情況下，光伏板輸出功率發(fā)生改變，母線電壓仍然可以維持穩(wěn)定。

3.2 負載變化對母線電壓影響仿真

圖7是母線負載功率的變化和母線電壓隨時間的變化情況。由圖7可見，開始讓光伏板輸出為最大功率3 900 W，蓄電池輸出功率為2 200 W，母線初始電壓300 V,整個仿真過程為1 s，并于此期間，讓母線發(fā)生改變。在仿真中，起初母線負載為3 KW，在0.5 s時接入一個同樣大小的負載，讓負載總負荷為6 KW。從圖7可以看出，負載在0.5 s時稍有波動，即在負載加入的瞬間母線電壓波動，但最后還是維持穩(wěn)定在300 V。

從該仿真結果可以得到，在其它條件不變的情況下，母線負載功率發(fā)生改變，母線電壓仍然可以維持穩(wěn)定。

3.3 極端條件下降壓運行的仿真結果

在新能源嚴重不足的極端條件下，系統(tǒng)需要降壓運行，以確保部分重要負荷繼續(xù)可靠地運行。圖8就是該種情況下仿真的光伏輸出功率。由圖8可見，蓄電池SOC變化和母線電壓隨時間的變化情況。仿真初期系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)，此時光伏板輸出功率為3.9 KW，母線電壓為300 V；0.5 s時，光伏輸出功率突然降低為0，在光伏輸出降低的瞬間，系統(tǒng)通過控制，降壓到220 V運行。當母線電壓降低到220 V時，母線負載所消耗的功率也一并降低，此時蓄電池SOC放電速度沒有明顯變化，但是系統(tǒng)少了光伏輸出的支持，SOC放電速度仍然不變，說明母線電壓的降低緩解了蓄電池放電壓力。

圖8 極端條件下母線電壓控制仿真

從該仿真結果可以得到，當系統(tǒng)處于極端條件下時，通過檢測蓄電池輸出功率和放電速度，調節(jié)母線電壓，盡可能使新能源發(fā)電功率和負載消耗功率接近，節(jié)省蓄電池的能量，以促進電網更長時間的穩(wěn)定運行。

4 結束語

本文提出了一種直流微電網母線電壓穩(wěn)定控制與系統(tǒng)能量管理的方法，實現(xiàn)了母線電壓的穩(wěn)定工作以及能量管理的優(yōu)化。以直流母線電壓作為參考，分別改變負載功率和光伏板功率來驗證控制策略的有效性，并仿真了處于極端條件下系統(tǒng)應對的策略。

最終實驗結果表明該控制策略能夠有效地控制母線電壓的穩(wěn)定，同時對蓄電池能量展開了良好管理，避免蓄電池的過度充放電，并且處于極端條件下的時候，系統(tǒng)也能夠做到長期平穩(wěn)運行。