康家玉， 白一鍇， 王素娥， 張曉飛

（陜西科技大學電氣與控制工程學院，西安710021）

0 引 言

人們對能源日益枯竭和環(huán)境污染等問題的關(guān)注使利用可再生能源的分布式發(fā)電成為了熱點，而分布式電源供能發(fā)電的基本實現(xiàn)形式即為微網(wǎng)［1-2］。直流微網(wǎng)相比于交流微網(wǎng)不存在頻率跟蹤、無功波動的問題，提高了系統(tǒng)電能質(zhì)量與穩(wěn)定性，其控制方法也較為簡單［3］。家用電動、電熱設(shè)備等常用電器負荷類型的轉(zhuǎn)變使住宅直流供電開始興起，成為推動直流微網(wǎng)發(fā)展的重要應用［4］。直流母線電壓的穩(wěn)定性對直流微網(wǎng)的可靠運行具有重要影響，其中分布式電源的隨機波動性以及負載的大規(guī)模投切都會引起母線電壓的不穩(wěn)定［5］，進而維持直流母線電壓穩(wěn)定的目標為實現(xiàn)分布式電源發(fā)出功率與負載、儲能等單元吸收功率的匹配，常用的控制策略有分布式控制、分層控制、集中式控制等［6］。文獻［7］中采用了一種分布式控制保證各微源功率均分，提高了電壓質(zhì)量。文獻［8］中設(shè)計功率控制策略，通過對微網(wǎng)中央控制器的集中式控制實現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)部功率分配。針對分布式控制與集中式控制通信壓力大的問題，文獻［9］中采用了電壓分層協(xié)調(diào)控制方法，但對于儲能單元無法工作時采用的減載操作控制效果不夠理想。儲能單元在維持微網(wǎng)中母線電壓穩(wěn)定時起到了至關(guān)重要的作用，進而延長其使用壽命，研究其更優(yōu)的控制技術(shù)成為了熱點。文獻［10］中提出了基于混合儲能系統(tǒng)的電壓分層協(xié)調(diào)控制策略，通過對超級電容與蓄電池下垂曲線的分析合理劃分工作區(qū)間協(xié)調(diào)控制母線電壓穩(wěn)定。文獻［11］中設(shè)計了監(jiān)控管理系統(tǒng)，在維持母線電壓穩(wěn)定的前提下對蓄電池進行循環(huán)充電，延長蓄電池使用壽命。文獻［12］中為避免蓄電池過度充放電，考慮蓄電池SOC，提出了一種包含一次分散控制和二次集中控制的協(xié)調(diào)控制策略，較好地控制了母線電壓的穩(wěn)定。

本文以獨立光儲直流微網(wǎng)為研究對象，針對單組蓄電池易出現(xiàn)過流故障及過充過放情況的問題，提出了一種基于雙蓄電池儲能系統(tǒng)的電壓分層協(xié)調(diào)控制策略，延長蓄電池的使用壽命，并快速平抑系統(tǒng)中功率波動，穩(wěn)定母線電壓。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文采用的獨立光儲直流微網(wǎng)主要由光伏發(fā)電單元、兩組蓄電池儲能單元以及直流負荷組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 獨立光儲直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

光伏發(fā)電單元將太陽能轉(zhuǎn)換為電能輸出，通過Boost升壓斬波電路與母線電壓等級進行匹配，并實現(xiàn)最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT），控制光伏發(fā)電單元輸出其最大功率。儲能系統(tǒng)有兩組蓄電池組（B1，B2），通過雙向DC/DC 電路連接直流母線，實現(xiàn)能量雙向流動，控制蓄電池組充放電來平衡微網(wǎng)功率、穩(wěn)定母線電壓。

2 母線電壓控制策略

2.1 電壓分層協(xié)調(diào)控制策略

根據(jù)光伏發(fā)電單元、蓄電池儲能單元與負載功率平衡原則，以直流母線電壓參考值為閾值，將系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)過程劃分為穩(wěn)態(tài)階段與暫態(tài)階段，得到母線電壓分層協(xié)調(diào)控制策略，該策略與主從控制、集中式控制相比其不依賴控制器之間的通信聯(lián)系，更簡單靈活，能夠使直流微網(wǎng)運行的可靠性更高。

獨立光儲直流微網(wǎng)無大電網(wǎng)支持，需要依靠自身來調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的功率波動［13］?？紤]到光伏發(fā)電單元的隨機波動性強，輸出功率難以控制，為了保證能源最大限度地利用使其工作在MPPT模式下。采用雙蓄電池儲能系統(tǒng)，研究表明引起電池損壞失效與最大放電深度、電池充放電次數(shù)有關(guān)，并且充放電次數(shù)越多，最大放電深度越大則電池的使用壽命越短［14］，因此本文選取蓄電池SOC上、下限分別為80%和20%，以蓄電池作為平衡節(jié)點平抑系統(tǒng)中的功率波動。穩(wěn)態(tài)階段下，針對負荷發(fā)生突變的情況，使兩組蓄電池共同工作，采用功率平抑控制根據(jù)功率分配模塊協(xié)調(diào)缺額或冗余功率；暫態(tài)階段下，使兩組蓄電池輪換工作，采用改進下垂控制恢復母線電壓至穩(wěn)定值，總體控制策略框圖如圖2 所示。其中狀態(tài)監(jiān)測模塊是根據(jù)參考電壓Uref與實際檢測電壓Udc比較的差值ΔU 判斷層級，運行流程如圖3 所示。允許直流母線電壓有1%Udc的波動，以此設(shè)定母線電壓閾值。若ΔU在1%Udc間波動，則認為此時為穩(wěn)態(tài)階段，否則為暫態(tài)階段。

2.2 穩(wěn)態(tài)階段母線電壓控制

當0.99Udc＜Udc＜1. 01Udc時，母線電壓波動較小，處于穩(wěn)態(tài)階段。系統(tǒng)中功率關(guān)系：

式中：PPV為光伏單元輸出功率；PL為直流負荷總額定功率。光伏發(fā)電單元工作在MPPT 模式下，為了防止在母線電壓小波動時蓄電池頻繁動作，使蓄電池工作在空閑模式。

當負荷發(fā)生突變時，用對電壓微分得到的電壓變化率dU/dt代替電壓變化量ΔU檢測該情況是否發(fā)生并發(fā)出信號使兩組蓄電池共同協(xié)調(diào)工作平衡突變功率。如負荷突增時母線電壓降低至閾值以下，電壓變化率反向增加超過理想情況（理想情況為母線電壓基本恒定），則狀態(tài)監(jiān)測模塊收到信號使兩組蓄電池準備放電，負荷突減時則相反。系統(tǒng)中功率關(guān)系：

圖2 獨立光儲直流微網(wǎng)整體控制策略框圖

圖3 狀態(tài)監(jiān)測模塊運行流程圖

式中：PBS1、PBS2分別為第1、2 組蓄電池的功率，“＋，-”表示蓄電池充電與放電。兩組蓄電池參考電壓相同，忽略線路阻抗，滿足：

Rc為蓄電池SOC達到100%時的內(nèi)阻，則兩組蓄電池功率分配滿足：

功率分配模塊根據(jù)式（6）對缺額或多余功率進行分配得到兩組蓄電池的參考功率，充電模式下SOC 值低的蓄電池組吸收較多功率；放電模式下SOC 值低的蓄電池組提供較少功率。采用功率外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制，如圖2 所示和蓄電池實際功率Pb1、Pb2比較后得到的誤差經(jīng)過PI 后得到參考電流I*b1和利用測得的實際工作電流對其進行跟蹤，最后進入PWM模塊輸出信號控制開關(guān)管通斷。

2.3 暫態(tài)階段母線電壓控制

當Udc＞1.01Udc或Udc＜0.99Udc時，超過閾值范圍處于暫態(tài)階段。此時使兩組蓄電池通過狀態(tài)標記分別工作在兩種模式下，即一組充一組放，檢測到任一組SOC值達到上限或下限則兩組蓄電池切換工作狀態(tài)，如此不僅能解決蓄電池過充或過放引起損壞失效的問題，還減少了充放電次數(shù)，延長其使用壽命。兩組蓄電池的標記是通過狀態(tài)判別模塊引出布爾量x 與SOC監(jiān)測模塊引出布爾量y 組成邏輯判斷模塊完成的，其中B1與B2標記狀態(tài)相反。布爾量x、y與各標記模式關(guān)系如表1 所示。

表1 各模式下布爾量x、y值

蓄電池的充放電控制由下垂控制實現(xiàn)，考慮到傳統(tǒng)下垂控制無法應對因母線電壓波動而引起的電壓偏差問題［15］，對其進行改進，在傳統(tǒng)的下垂公式中增加補償項進行2 次控制，使其能夠追蹤光伏功率與負載功率的變化，移動下垂曲線控制蓄電池的工作狀態(tài)，從而對電壓進行調(diào)整使其快速恢復至穩(wěn)定值。補償控制器將光伏單元輸出功率與負荷所需功率進行比較得到補償電壓，如下：

式中：k1、k2為控制器參數(shù)，則經(jīng)2 次控制的蓄電池改進下垂控制公式如下：

根據(jù)式（7）、（8）得到下垂控制曲線如圖4 所示，線A為傳統(tǒng)下垂控制下蓄電池工作曲線，線B、C 為經(jīng)二次控制后蓄電池工作曲線。

圖4 蓄電池工作下垂曲線平移示意圖

當Udc＜0.99Udc時，光伏單元工作在MPPT 模式下提供盡可能大的功率，但仍不能夠滿足負載需求，此時下垂曲線向上移動，如線B 所示，輸出電流增大使B1工作于放電模式補償系統(tǒng)功率缺額。蓄電池充放電控制策略如圖2 所示。若檢測到蓄電池B1的SOC達到下限，則通過狀態(tài)標記模塊使B1、B2切換工作狀態(tài)，令B2開始放電而B1接受充電標記準備工作在充電模式下。系統(tǒng)中功率關(guān)系：

當Udc＞1.01Udc時，仍令其工作在MPPT模式下，但光伏單元功率過剩，此時下垂曲線將向下移動，如線C所示，電流反向增加帶有充電標記的B2工作于充電模式儲存系統(tǒng)多余能量。蓄電池充放電控制策略如圖2 所示。若檢測到B2的SOC達到下限，則通過狀態(tài)標記模塊與B1切換工作狀態(tài)，令B1開始放電而B2接受充電標記準備工作在充電模式下。此時系統(tǒng)中功率關(guān)系如下：

3 仿真分析

為驗證本文所提出控制策略對于直流母線電壓穩(wěn)定性控制的可行性與有效性，在Matlab/Simulink 中建立仿真模型，對各層下工作狀態(tài)進行仿真驗證分析。仿真模型主要包括：工作在標準條件下最大功率為6 kW的光伏陣列（溫度為25 ℃，光照強度為1. 0 kW/m2）；兩組額定電壓為120 V，標稱容量為100 Ah的蓄電池；初始帶有2 和4 kW負載，共6 kW。額定直流母線電壓設(shè)置為400 V，正常工作范圍為380 ～420 V。

3.1 穩(wěn)態(tài)階段仿真分析

該階段下光伏發(fā)電單元工作在MPPT 模式，提供6 kW 功率滿足負載需求，B1、B2初始SOC 分別為60%、30%，此時蓄電池處于空閑狀態(tài)。設(shè)定仿真時間為0.5 s，如圖5 所示，此時母線電壓穩(wěn)定在400 V 左右，有波動但誤差不超過4 V。

圖5 穩(wěn)態(tài)階段下母線電壓仿真波形圖

0.25 s時投入3 kW負載模擬外界負載突變情況，如圖6 所示，兩組蓄電池共同協(xié)調(diào)工作，按照SOC 值進行功率分配，B1、B2分別提供2、1 kW功率。圖7 為使用一組蓄電池和使用兩組蓄電池共同協(xié)調(diào)控制時電流的對比圖，從圖中可以看出在僅使用單組蓄電池控制時，負載突變瞬間放電電流過大，超過20 A，易引起過流故障，而在兩組蓄電池協(xié)調(diào)控制下瞬時電流突變較小。

圖6 雙組蓄電池共同協(xié)調(diào)工作仿真波形圖

圖7 使用單組和雙組蓄電池協(xié)調(diào)控制時電流對比圖

穩(wěn)態(tài)階段下，系統(tǒng)中各單元的功率如圖8 所示，在負荷突變時由蓄電池組進行協(xié)調(diào)控制。圖9 為負荷突變后母線電壓變化波形圖，由圖可知，本文針對負載突變提出的雙蓄電池組在共同協(xié)調(diào)控制策略能夠有效抑制過電流情況的發(fā)生，并快速穩(wěn)定母線電壓。

3.2 暫態(tài)階段仿真分析

該階段下光伏發(fā)電單元仍工作在MPPT 模式下，切除掉2 kW負載模擬直流微網(wǎng)中負載功率降低，此時母線電壓升高超過閾值。設(shè)定B1的SOC 值為50%，B2的SOC值為79.3%。如圖10、11 所示，兩組蓄電池采用改進型下垂控制，首先令B2工作于充電模式下，B1不工作，大約0.3 s左右B2的SOC 值達到上限，則停止工作與B1切換狀態(tài)，B1開始充電，直流微網(wǎng)母線電壓變化如圖12 所示，0.63 s時母線電壓穩(wěn)定于402 V，在閾值范圍內(nèi)，相應的B1也停止放電。圖13 為兩組蓄電池在傳統(tǒng)控制下母線電壓的變化曲線圖，對比可知，蓄電池在采用傳統(tǒng)下垂控制時母線電壓波動較大，恢復穩(wěn)定時間較長，效果不理想。由此，本文提出的兩組蓄電池在改進型下垂控制下輪換協(xié)調(diào)控制方式能夠有效實施并更好地使母線電壓恢復穩(wěn)定。

圖8 穩(wěn)態(tài)階段下各單元輸出功率圖

圖9 負荷突變后母線電壓變化波形圖

圖10 蓄電池B2 的SOC值變化仿真波形圖

圖11 蓄電池B1 的SOC值變化仿真波形圖

圖12 改進下垂控制下母線電壓變化仿真波形圖

圖13 傳統(tǒng)下垂控制下母線電壓變化仿真波形圖

4 結(jié) 語

本文針對獨立光儲直流微網(wǎng)母線電壓穩(wěn)定控制問題，提出一種基于雙蓄電池儲能系統(tǒng)的電壓分層協(xié)調(diào)控制策略，以蓄電池作為協(xié)調(diào)控制的主體，平衡系統(tǒng)中各單元的功率，達到維持母線電壓穩(wěn)定的目的。通過與單組蓄電池的仿真對比驗證了穩(wěn)態(tài)階段時，兩組蓄電池在采用功率平抑控制方法下能夠進行共同協(xié)調(diào)工作，并更好地應對負荷的突變，防止過流情況的發(fā)生，恢復母線電壓穩(wěn)定；通過對蓄電池狀態(tài)切換的仿真及傳統(tǒng)下垂控制與改進下垂控制的對比，驗證了暫態(tài)階段時，兩組蓄電池在改進下垂控制方法下輪換協(xié)調(diào)工作方式工作穩(wěn)定，解決蓄電池過充過放的問題，更好更快地恢復母線電壓穩(wěn)定。