王 武，王曉靜，胡冠中

(1.許昌學(xué)院 電氣與機械工程學(xué)院，河南 許昌 461000；2.河南輕工職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000)

可再生能源發(fā)電隨環(huán)境變化呈現(xiàn)出間歇性和波動性特點，對電網(wǎng)穩(wěn)定和供電質(zhì)量帶來一定挑戰(zhàn)，微電網(wǎng)的概念應(yīng)運而生.直流微電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)簡單，能高效接納各種分布式能源，減少中間能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高能源利用效率，受到廣泛關(guān)注.獨立直流微電網(wǎng)因失去大電網(wǎng)支撐，直流母線電壓受分布式電源影響較大，需要配備一定容量的儲能單元及時儲存和補充電能，彌補分布式電源輸出與負荷消耗之間的功率差值，協(xié)調(diào)發(fā)電與用電之間的功率平衡.為了實現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)能量平衡，保證電力電子設(shè)備和負荷正常運行，必須對電源和儲能實施協(xié)同控制.有文獻通過分析儲能SOC值與放電電流的關(guān)系，協(xié)調(diào)分配各儲能單元輸出功率[1]；有文獻提出直流微電網(wǎng)的多模態(tài)協(xié)調(diào)控制策略[2]；有文獻提出基于一致性算法分層協(xié)調(diào)控制策略，以維持直流母線電壓的穩(wěn)定[3].提出一種基于狀態(tài)觀測的直流微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)光伏發(fā)電單元和儲能單元的協(xié)調(diào)配合，維持系統(tǒng)能量吞吐平衡.

1 獨立直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

獨立直流微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由儲能單元、光伏發(fā)電單元、直流負載三部分組成，儲能單元和光伏發(fā)電單元通過變換器連接至直流母線，直流負載直接連接到直流母線上.各儲能單元通常作為系統(tǒng)主電源運行于下垂控制模式，當(dāng)達到最大充放電功率時，切換至定功率運行；光伏發(fā)電系統(tǒng)通常運行于最大功率點跟蹤模式，在出力過大時切換至限功率模式.

圖1 獨立直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)實際運行時，光伏發(fā)電功率與負荷功率會發(fā)生變化，儲能裝置會發(fā)生功率吞吐，其功率關(guān)系描述為

PPV=PL+PBS+.

(1)

PPV+PBS-=PL.

(2)

上式中，PPV表示光伏發(fā)電輸出功率，PL為直流負荷總額定功率，PBS+為儲能裝置儲存的電功率，PBS-為儲能裝置輸出的電功率.

2 光伏發(fā)電模塊控制

為了充分利用光伏發(fā)電能源，光伏發(fā)電單元通常工作在MPPT模式下.由于光伏實際輸出受光照影響，當(dāng)其發(fā)電輸出超過負荷與儲能單元的充電功率總和時，限制光伏輸出功率以維持直流母線電壓穩(wěn)定.因此，光伏發(fā)電單元中加入了電流觀測器，通過觀測器實現(xiàn)光伏發(fā)電單元的模式切換控制.光伏發(fā)電單元的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 光伏發(fā)電單元控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(3)

其中，η表示與最大充電狀態(tài)的偏離程度，一般取值區(qū)間為[-0.98,-0.92].

3 儲能模塊控制

系統(tǒng)僅給出一路儲能單元的控制結(jié)構(gòu)，為了保證儲能單元之間出力均勻，減小線路和其它干擾引起的出力偏差，采用電壓觀測器及均流控制器，控制結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 儲能模塊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(4)

均流控制器可描述為

(5)

下垂控制可描述為

vESSref=vn-RdroopiiESS.

(6)

下垂系數(shù)可描述為

(7)

儲能單元的電壓輸出參考值為

vESSref=vn-RdroopiiESS+ΔvESSV+ΔvESSi.

(8)

在上述模型中，SOCi為儲能電池的SOC值，SOCiMAX、SOCiMIN分別為其上、下限值，σ為調(diào)節(jié)系數(shù)，用以修正其均衡速度.

4 仿真與結(jié)論

為了證明本系統(tǒng)所用控制方法的有效性，通過算例進行仿真，系統(tǒng)中用了2個風(fēng)力發(fā)電單元、2個儲能單元，直流負載用可調(diào)電阻器代替，儲能單元的額定功率為1.2 kW和0.8 kW，光伏發(fā)電單元的額定功率為1.5 kW和0.5 kW，分別在兩種工況下進行了系統(tǒng)驗證，具體工況如表1所示.

表1 仿真實驗及結(jié)果

工況1下，光伏發(fā)電單元按照額定功率分配均勻出力，只發(fā)出一半功率，選擇最大充電狀態(tài)的偏離程度系數(shù)為η=-0.95，在某時刻加入均流控制，驗證控制作用對母線電壓的影響；工況2下，選擇儲能元件SOC變化相對劇烈的情況，用以驗證功率吞吐和母線電壓穩(wěn)定情況.通過算例仿真可見，提出的基于狀態(tài)觀測的獨立直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)光伏發(fā)電單元和儲能單元的協(xié)調(diào)配合，維持系統(tǒng)能量吞吐平衡.后期將加強多單元、多節(jié)點控制系統(tǒng)的研究，并加強各節(jié)點通信網(wǎng)絡(luò)研究，加強不同類型分布式能源接入和不同類型儲能系統(tǒng)接入的協(xié)同控制研究以及并網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制.