劉 瑞,王 鶴,艾鳳明

(沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧 沈陽 110000)

0 引言

隨著各國(guó)對(duì)能源需求的不斷提高，光能等新能源應(yīng)用廣泛。光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)也在新能源飛機(jī)上得到應(yīng)用。當(dāng)前太陽能飛機(jī)已經(jīng)具備了飛行高度高、續(xù)航能力強(qiáng)等能力[1]，但由于單一的光伏系統(tǒng)存在很多問題，尤其是飛機(jī)電網(wǎng)穩(wěn)定性問題與因環(huán)境而導(dǎo)致光伏在時(shí)域上發(fā)電能力差異等問題給電網(wǎng)的正常運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)。2008年基金會(huì)的支持下，北卡州立大學(xué)成立了研究未來可再生電能傳遞與管理系統(tǒng)的組織[2-4]，用以連接不同類型的分布式能源與電力網(wǎng)絡(luò)。在光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中，能量路由器的使用使得主動(dòng)控制技術(shù)逐步取代被動(dòng)控制技術(shù)，提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。根據(jù)能量路由的結(jié)構(gòu)不同，常見的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)有集中式并網(wǎng)、組串式并網(wǎng)、集成式并網(wǎng)以及集成式并網(wǎng)等不同內(nèi)部架構(gòu)[5-7]。能量路由器不僅能夠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中多種形式能量，而且可以高效利用可再生分布式能源，并且在此基礎(chǔ)上電網(wǎng)能夠安全可靠的運(yùn)行。針對(duì)光伏儲(chǔ)能架構(gòu)控制策略，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[8]實(shí)現(xiàn)了源網(wǎng)荷的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)和多端口控制策略。文獻(xiàn)[9]以系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件參數(shù)特性設(shè)計(jì)了一種控制策略，采用分層控制對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行了優(yōu)化，但架構(gòu)可靠性有待提高。文獻(xiàn)[10]通過控制直流母線電壓實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作狀態(tài)的切換，從仿真層面上實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定負(fù)載供能的需求。

本文設(shè)計(jì)基于MPC(Multi-port Converter)的能量路由器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，面向太陽能飛機(jī)供電架構(gòu)，由可再生能源、儲(chǔ)能、電網(wǎng)/負(fù)載接入系統(tǒng)組成，能夠通過協(xié)調(diào)控制的方法達(dá)到與電網(wǎng)的能量轉(zhuǎn)換，以及可再生能源的高效利用，使系統(tǒng)在不同的工作模式下都能夠保持電壓穩(wěn)定，滿足機(jī)載系統(tǒng)能源需求。

1 系統(tǒng)架構(gòu)和工作模態(tài)

本文設(shè)計(jì)了如圖1所示主要由分布式電源、儲(chǔ)能裝置組成的基于能量路由器光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。此外在該系統(tǒng)中還包含有機(jī)載負(fù)載以及電力電子變換器等元件。

圖1 能量路由器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

能量路由器系統(tǒng)一共存在兩種運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)光伏電池與電網(wǎng)相連時(shí)，我們將這種供電方式成為并網(wǎng)模式；而當(dāng)負(fù)載僅由光伏電池與鋰電池相連時(shí)，我們稱之為孤島模式。

表1 能量路由器系統(tǒng)參數(shù)表

能量路由器系統(tǒng)運(yùn)行于并網(wǎng)模式時(shí)，系統(tǒng)的直流模塊以及交流模塊存在能量的雙向流動(dòng)，系統(tǒng)內(nèi)部功率平衡由光伏電池、蓄電池及電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行完成。當(dāng)系統(tǒng)能量過剩，即光伏電池以及蓄電池供應(yīng)能量大大滿足系統(tǒng)需求仍存在剩余時(shí)，變換器反向工作，電網(wǎng)吸收剩余能量以保證直流母線電壓不會(huì)有所升高；當(dāng)系統(tǒng)能量不足，光伏電池與蓄電池提供能量的同時(shí)，電網(wǎng)提供能量以保證直流母線電壓不會(huì)有所跌落。

能量路由器系統(tǒng)運(yùn)行于孤島模式時(shí)，系統(tǒng)的直流模塊以及交流模塊不存在能量的雙向流動(dòng)，系統(tǒng)內(nèi)部功率平衡由光伏電池和蓄電池的協(xié)調(diào)運(yùn)行完成。系統(tǒng)不與電網(wǎng)相連，光伏電池和蓄電池根據(jù)控制要求工作在不同模式下，相互協(xié)調(diào)以使系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定。

2 控制策略研究

根據(jù)上一節(jié)所設(shè)計(jì)的能量路由器結(jié)構(gòu)，光伏電池、蓄電池、電網(wǎng)或負(fù)載的接入使系統(tǒng)難以穩(wěn)定運(yùn)行，因此，需要研究控制各端口變換器工作在相應(yīng)模式的控制策略和系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略以解決這一問題。本文所提出的分層控制的控制層級(jí)如圖2所示。分層控制的第一層控制是各端口變換器的控制策略，第二層控制是孤島模式下系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。

圖2 能量路由器控制層級(jí)

2.1 底層控制策略的設(shè)計(jì)

提高其輸出功率是光伏電池的能量?jī)?yōu)化控制的主要目標(biāo)。本文中的光伏電池能夠工作在三種模式之下：最大功率點(diǎn)跟蹤即MPPT模式、直流母線恒壓控制即CVC模式和最基本的停機(jī)狀態(tài)。光伏電池端口的控制策略如圖3所示。

圖3 光伏電池端口控制方法框圖

系統(tǒng)中蓄電池的模式選擇以及控制框圖如圖4所示。著重討論孤島模式下，當(dāng)光伏電池能量大于負(fù)載需求時(shí)，蓄電池進(jìn)入充電模式，消耗系統(tǒng)剩余能量，當(dāng)SOC達(dá)到90%時(shí)，蓄電池截止；當(dāng)光伏電池能量小于負(fù)載需求時(shí)，蓄電池進(jìn)入放電模式，釋放能量，當(dāng)蓄電池SOC下降至40%時(shí)，蓄電池截止。

圖4 蓄電池模塊模式選擇控制框圖

圖5 電網(wǎng)/負(fù)載端口的控制圖

2.2 直流母線電壓分區(qū)控制算法的設(shè)計(jì)

本文基于直流母線這一參數(shù)提出了分區(qū)控制算法，該算法保證系統(tǒng)能夠經(jīng)濟(jì)可靠穩(wěn)定的運(yùn)行。通過對(duì)直流母線電壓的區(qū)域劃分實(shí)現(xiàn)能量路由器系統(tǒng)的工作模態(tài)的劃分，使直流母線電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)切換至相應(yīng)的工作模態(tài)，系統(tǒng)能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。本文選取多個(gè)區(qū)域進(jìn)行劃分，本文選取五個(gè)區(qū)域。區(qū)域劃分依據(jù)為系統(tǒng)的直流母線電壓，直接決定整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。直流母線電壓改變時(shí)，能量路由器的工作模態(tài)隨之改變。選取的各區(qū)與電壓參考值關(guān)系如下

UL2

其中，UL2是系統(tǒng)穩(wěn)定電壓下限，UH2是系統(tǒng)穩(wěn)定電壓上限；UL1是系統(tǒng)穩(wěn)定蓄電池放電模式的邊界值，UH1是蓄電池充電模式的邊界值；Udc_ref是直流母線電壓的額定值。由此劃分出5個(gè)區(qū)域范圍，即區(qū)域范圍一為UL1≤Udc≤UH1，區(qū)域范圍二為UH1UH2，區(qū)域范圍五為Udc

能量路由器系統(tǒng)的運(yùn)行控制要求以及直流母線電壓的額定值決定邊界值的選取。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行控制要求，我們需要做到的是高效、穩(wěn)定；但對(duì)于其直流母線電壓的范圍確定沒有明確標(biāo)準(zhǔn)。本文設(shè)置的4個(gè)直流母線電壓邊界值如下表2所示。設(shè)置兩邊界值的相差為5%，即UL2=90%Udc_ref，UL1=95%Udc_ref，UH1=105%Udc_ref，UH2=110%Udc_ref。

表2 直流母線電壓分區(qū)邊界值

當(dāng)能量路由器系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，合理的協(xié)調(diào)控制策略對(duì)于保障系統(tǒng)運(yùn)行以及直流母線電壓穩(wěn)定至關(guān)重要。孤島模式下能量路由器系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行主要在于保持負(fù)載與電源間的功率平衡。本文中能量路由器系統(tǒng)內(nèi)的功率平衡是通過各端口自身的調(diào)整以及各端口之間的相互配合來實(shí)現(xiàn)的，而各端口間的唯一連接是輸出端的直流母線，由直流母線電壓判定系統(tǒng)工作狀態(tài)，各端口變換器通過合理的控制算法來調(diào)節(jié)控制其輸出，最終實(shí)現(xiàn)各端口間的負(fù)載功率的合理分配。

在本文中，設(shè)定直流母線電壓設(shè)為400 V，電壓波動(dòng)范圍為±5%。根據(jù)上文論述的電壓劃分的五個(gè)區(qū)域，在每個(gè)區(qū)系統(tǒng)使用不同的工作策略。系統(tǒng)在同一時(shí)間只能穩(wěn)定運(yùn)行在一種模式，當(dāng)直流母線電壓波動(dòng)至某一區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)會(huì)靈活切換工作模式，以維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

(1)工作模式一：直流母線電壓處于區(qū)域一UL1≤Udc≤UH1

在實(shí)際工作情況中，系統(tǒng)沒有絕對(duì)的穩(wěn)定狀態(tài)，直流母線電壓依舊有波動(dòng)。因此，為避免蓄電池頻繁動(dòng)作，將蓄電池設(shè)定為截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，負(fù)載所需能量全部由光伏電池所提供，光伏電池工作在MPPT模式。由于此模式?jīng)]有恒壓控制的環(huán)節(jié)，所以當(dāng)光伏電池的最大輸出功率受環(huán)境因素影響發(fā)生微小變化時(shí)，允許直流母線電壓在區(qū)域范圍內(nèi)產(chǎn)生輕微波動(dòng)。

圖6 直流母線電壓分區(qū)控制策略圖

(2)工作模式二：直流母線電壓處于區(qū)域二UH1

在光照較強(qiáng)或負(fù)載減少的情況下，荷端功率低于光伏點(diǎn)輸出功率，且蓄電池尚有能力吸收能量進(jìn)入到充電模式，蓄電池存儲(chǔ)能量。此時(shí)，光伏電池工作在MPPT模式，光伏電池為蓄電池恒壓充電，在蓄電池未達(dá)到過充狀態(tài)時(shí)吸收剩余能量。蓄電池端在此模態(tài)中對(duì)直流母線起主要控制作用。

(3)工作模式三：直流母線電壓處于區(qū)域三UL2≤Udc≤UL1

該工作模式的表象是母線電壓欠壓，荷端功率高于光伏電池輸出功率，蓄電池放電為荷端供能，維持電壓穩(wěn)定在一定的范圍。此時(shí)，光伏電池工作在MPPT模式，蓄電池處于放點(diǎn)狀態(tài)，且恒壓維持母線電壓穩(wěn)定。

(4)工作模式四：直流母線電壓處于區(qū)域四Udc>UH2

直流母線電壓偏高表明系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)功率剩余，光伏電池所能提供的能量能夠滿足負(fù)載所需要的能量，多余能量可供給蓄電池進(jìn)入充電模式，而蓄電池的容量已接近飽和，充滿截止。此時(shí)，光伏電池切換至恒壓模式，降低光伏電池的輸出功率，保證系統(tǒng)的能量平衡，在此模態(tài)中對(duì)直流母線起主要控制作用。

(5)工作模式五：直流母線電壓處于區(qū)域五Udc

在夜間或陰雨天等自然條件不滿足光伏電池發(fā)電時(shí)，光伏電池?zé)o輸出，不給負(fù)載提供能量，而蓄電池尚有能力進(jìn)入放電模式，提供負(fù)載所需要的能量，維持其正常運(yùn)行。此時(shí)，光伏電池停機(jī)，蓄電池工作在恒壓放電模式，在此模態(tài)中對(duì)直流母線起主要控制作用。

因此，能量路由器系統(tǒng)采用主從控制與分層控制相結(jié)合的協(xié)調(diào)控制中各端口變換器工作表如下表3所示。

表3 能量路由器系統(tǒng)各端口變換器工作表

綜上所述，主從控制與分層控制相結(jié)合的協(xié)調(diào)控制策略可以實(shí)現(xiàn)能量路由器系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行。各端口變換器根據(jù)直流母線電壓選擇工作在適當(dāng)模式，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，維持系統(tǒng)的功率平衡。

3 結(jié)果與討論

為了驗(yàn)證上述理論，本文首先設(shè)計(jì)了能量路由器硬件電路，編寫了軟件部分的程序，搭建了能量路由器實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，并利用該硬件平臺(tái)進(jìn)行并網(wǎng)模式和孤島模式下各模態(tài)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及其穩(wěn)定性。

3.1 并網(wǎng)模式的模態(tài)實(shí)驗(yàn)分析

光伏并網(wǎng)模態(tài)下，由光伏電池端口及電網(wǎng)端口參與能量路由，由光伏電池發(fā)電釋放能量匯聚到公共直流母線，再通過雙向DC/AC變換器逆變成交流電壓回饋至電網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，給出能量路由器的光伏側(cè)電壓、直流母線電壓、電網(wǎng)側(cè)電壓和電流波形。

圖7 光伏并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)波形可看出，能量路由器系統(tǒng)運(yùn)行在光伏并網(wǎng)模態(tài)時(shí)，電網(wǎng)系統(tǒng)正常工作。通過上位機(jī)可以讀出，直流母線電壓基本穩(wěn)定在400 V，并網(wǎng)電壓約為233 V，并網(wǎng)電流約為20.8 A，由光伏電池為電網(wǎng)提供能量。

電網(wǎng)供電模態(tài)下，由光伏電池端口、蓄電池端口及電網(wǎng)端口參與能量路由，由光伏電池發(fā)電以及電網(wǎng)釋放的能量匯聚到公共直流母線，再給蓄電池充電，充電方向?yàn)檎?。?shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，給出能量路由器的光伏側(cè)電壓、直流母線電壓、電網(wǎng)側(cè)電流和蓄電池側(cè)電流波形。

圖8 電網(wǎng)供電實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)波形可看出，能量路由器系統(tǒng)運(yùn)行在電網(wǎng)供電模態(tài)時(shí)，直流母線電壓始終穩(wěn)定在400 V，電池電流在充電過程趨于平穩(wěn)時(shí)，穩(wěn)定在16 A。

電網(wǎng)支撐模態(tài)下，由光伏電池端口、蓄電池端口及電網(wǎng)端口參與能量路由，光伏電池與已經(jīng)儲(chǔ)能完成的蓄電池同時(shí)向電網(wǎng)供電，放電方向?yàn)檎?。?shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，給出能量路由器的光伏側(cè)電壓、直流母線電壓、電網(wǎng)側(cè)電流和蓄電池側(cè)電流波形。

圖9 電網(wǎng)支撐實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)波形可看出，能量路由器系統(tǒng)運(yùn)行在電網(wǎng)支撐模態(tài)時(shí)，直流母線電壓始終穩(wěn)定在400 V，電池電流在放電過程趨于平穩(wěn)時(shí)，穩(wěn)定在15 A。

3.2 孤島模式的多模態(tài)實(shí)驗(yàn)分析

本文對(duì)幾種典型的孤島模式模態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：

第一種情況是能量路由器系統(tǒng)先是運(yùn)行在工作模式二，光伏電池工作在MPPT模式下提供負(fù)載所需能量，而由負(fù)載消耗所剩余的能量供蓄電池充電，在某一時(shí)刻蓄電池達(dá)到其過充電壓，SOC達(dá)上限，充滿后退出系統(tǒng)，直流母線電壓有所降低，系統(tǒng)切換至工作模式一，光伏電池工作在MPPT模式下單獨(dú)給負(fù)載提供其所需能量。實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)置充電方向?yàn)樨?fù)。

圖10是工作模式二切換至模式一的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從該圖中可以看到蓄電池側(cè)電流、直流母線電壓和負(fù)載側(cè)電流波形。實(shí)驗(yàn)初始時(shí)刻能量路由器運(yùn)行在工作模式二，蓄電池存儲(chǔ)電能，光伏電池輸出功率用于負(fù)載及蓄電池供電，且系統(tǒng)直流母線電壓維持在410 V。在某一時(shí)刻，蓄電充滿退出系統(tǒng)，即蓄電池處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)母線電壓下降至400 V，即系統(tǒng)切換至工作模式一，負(fù)載僅由光伏電池供電。

圖10 工作模式二切換至模式一實(shí)驗(yàn)結(jié)果

第二種情況是能量路由器系統(tǒng)先是運(yùn)行在工作模式二，光伏電池工作在MPPT模式下提供負(fù)載所需能量，而由負(fù)載消耗所剩余的能量供蓄電池充電，模擬在某一時(shí)刻光伏電池受外界環(huán)境影響，如陰雨天氣，光伏電池完全供應(yīng)不了能量，直流母線電壓下降，所以蓄電池由充電模式切換至放電模式，蓄電池單獨(dú)提供負(fù)載所需要的功率。實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)置充電方向?yàn)樨?fù)，放電方向?yàn)檎?/p>

圖11是工作模式二切換至模式五的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出能量路由器的直流母線電壓，荷端電流以及儲(chǔ)能端電流。實(shí)驗(yàn)初始時(shí)刻能量路由器運(yùn)行在工作模式二，蓄電池存儲(chǔ)能量，負(fù)載所需功率低于光伏電池輸出功率。

圖11 工作模式二切換至模式五實(shí)驗(yàn)結(jié)果

直流母線電壓在412 V。在某一時(shí)刻，光伏電池退出系統(tǒng)，直流母線電壓有所波動(dòng)，下降至378 V，為使母線電壓回升，系統(tǒng)中蓄電池參與供電。

第三種情況是能量路由器系統(tǒng)先是運(yùn)行在工作模式二，光伏電池工作在MPPT模式下提供負(fù)載所需能量，而由負(fù)載消耗所剩余的能量供蓄電池充電，模擬在某一時(shí)刻光伏電池受外界環(huán)境影響，如光照減弱或陰天，其所提供能量不能滿足負(fù)載所消耗的能量，直流母線電壓有所下降，所以雙向變換器間快速切換，蓄電池進(jìn)入放電模式，兩種電池同時(shí)為負(fù)載供能。實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)置充電方向?yàn)樨?fù)，放電方向?yàn)檎?/p>

圖12是工作模式二切換至模式三的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出能量路由器的直流母線電壓，荷端電流以及儲(chǔ)能端電流。實(shí)驗(yàn)初始時(shí)刻能量路由器運(yùn)行在工作模式二，蓄電池存儲(chǔ)能量，負(fù)載所需功率低于光伏電池輸出功率，能量路由器系統(tǒng)直流母線電壓在412 V。在某一時(shí)刻，光照強(qiáng)度變?nèi)?，?fù)載所需功率高于光伏電池輸出功率，直流母線電壓有所波動(dòng)，下降至389V，蓄電池切換至放電模式以補(bǔ)償系統(tǒng)功率缺額。

圖12 工作模式二切換至模式三實(shí)驗(yàn)結(jié)果

第四種情況是能量路由器系統(tǒng)先是運(yùn)行在工作模式三，光伏電池工作在MPPT模式下，負(fù)載所需功率高于光伏電池輸出功率，此時(shí)蓄電放電以支持負(fù)載使用，模擬在某一時(shí)刻光伏電池受外界環(huán)境影響，如光照增強(qiáng)時(shí)，其所提供能量遠(yuǎn)大于負(fù)載所消耗的能量，直流母線電壓有所上升，所以雙向變換器間快速切換，蓄電池由放電模式切換至充電模式，光伏電池所能提供的能量供給負(fù)載消耗后所剩余的能量送至蓄電池中。實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)置充電方向?yàn)樨?fù)，放電方向?yàn)檎?/p>

圖13是工作模式三切換至模式二的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出能量路由器的直流母線電壓，荷端電流以及儲(chǔ)能端電流。實(shí)驗(yàn)初始時(shí)刻能量路由器運(yùn)行在工作模式三，荷端功率高于光伏電池輸出功率，蓄電池處于放電模式以供電負(fù)載功率需求，直流母線穩(wěn)定電壓在387 V。在某一時(shí)刻，光照強(qiáng)度變強(qiáng)，荷端功率低于光伏電池輸出功率，直流母線電壓有所波動(dòng)，上升至411 V，蓄電池切換至充電模式以吸收系統(tǒng)剩余功率。

圖13 工作模式三切換至模式二仿真結(jié)果

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，直流母線電壓在400±20 V小范圍內(nèi)波動(dòng)，本文所應(yīng)用的分層協(xié)調(diào)控制策略具有一定的穩(wěn)定性及可靠性，負(fù)載或自身?xiàng)l件發(fā)生改變時(shí)，光伏電池和蓄電池能夠及時(shí)切換工作模式，系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文主要針對(duì)太陽能飛機(jī)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略做出理論分析與研究，在應(yīng)用能量路由器的基礎(chǔ)上針對(duì)多類型能源的接入及功率平衡的需求，提出一種主從控制與分層控制相結(jié)合的系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略。對(duì)現(xiàn)有的控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，在分層控制思想的基礎(chǔ)上，采用多種方法保證母線電壓穩(wěn)定，并將母線電壓分區(qū)控制策略與分層控制策略進(jìn)行融合，形成了全系統(tǒng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)了能量流動(dòng)路徑優(yōu)化，能夠滿足機(jī)載運(yùn)行需求。