趙煥同

（1.河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南焦作 454003；2.鶴壁技師學院，河南鶴壁 458031）

近年來，汽車領(lǐng)域朝著智能化、電氣化方向發(fā)展，電動汽車的滲透率不斷提高，已成為汽車市場的主流[1]。而隨著電動汽車的滲透率不斷上升，它爆發(fā)性地隨機接入電力系統(tǒng)，給電力系統(tǒng)帶來巨大挑戰(zhàn)[2]。直流微電網(wǎng)作為一種集新能源發(fā)電技術(shù)、儲能技術(shù)及檢測保護與控制技術(shù)于一體的小型電力網(wǎng)，因其強大的包容性可作為電動汽車接入大電網(wǎng)的媒介，以緩解對電力系統(tǒng)的沖擊[3]。而電動汽車并網(wǎng)（Vehicle to grid，V2G）[4]技術(shù)充分利用電動汽車的源-荷特性，通過合理的充放電控制策略來緩解儲能單元壓力，提高供電可靠性。基于此，提出電動汽車與儲能單元結(jié)合而成的聯(lián)合儲能協(xié)調(diào)控制策略，在直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運行中有著重要意義。直流微電網(wǎng)中維持直流母線電壓穩(wěn)定與功率協(xié)調(diào)分配是研究的重點[5]。孤島運行狀態(tài)下的直流微電網(wǎng)因新能源發(fā)電與負荷波動的隨機性會導致功率波動，進而影響電壓質(zhì)量。故需要儲能單元充電或放電來平抑其盈缺功率，維持直流母線電壓的穩(wěn)定。但儲能單元為了維持功率平衡需不斷地充電或放電，長時間單一方向動作會使其荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）趨于過充或過放，一方面會因為其深度充放電而影響其電池健康；另一方面當儲能趨于過充過放臨界值時會保護系統(tǒng)而停止工作，失去儲能調(diào)節(jié)后系統(tǒng)會出現(xiàn)電壓波動甚至系統(tǒng)崩潰。

針對上述問題，提出將電動汽車加入直流微電網(wǎng)與儲能單元共同構(gòu)成聯(lián)合儲能系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制，通過電動汽車并網(wǎng)（V2G）技術(shù)來延緩儲能單元的過充、過放趨勢，以等待系統(tǒng)功率盈缺狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。文獻[6]提出了一種電動汽車分布式儲能控制策略，通過劃分充放電車群提高可再生能源調(diào)度性且減少電動汽車充放電切換次數(shù)，驗證了車群劃分對于延長電池壽命的正確性；文獻[7]基于儲能SOC 偏差和直流母線電壓偏差對儲能單元采用改進的模糊下垂控制，在直流微電網(wǎng)8 種不同運行模式下進行模擬，均可提高儲能利用率，但儲能深度使用問題仍無法解決；文獻[8]利用超級電容和蓄電池的互補特性設計了混合儲能在系統(tǒng)多模式運行下的聯(lián)動控制，實現(xiàn)了直流微電網(wǎng)多運行模式下的平滑切換，但它并未考慮儲能SOC 變化對混合儲能功率分配的影響；文獻[9]通過無線充電電動汽車與光儲直流微電網(wǎng)的融合，將它劃分為3 種運行方式并提出基于功率缺額判據(jù)的能量管理策略；文獻[10]提出一種多組儲能動態(tài)調(diào)節(jié)的直流微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定控制策略，以自適應下垂控制自動調(diào)節(jié)不同儲能間的功率分配，并設計前饋補償以動態(tài)矯正母線電壓，但該方法對具有隨機性的電動汽車顯然并不適用。

本文將從電動汽車與直流微電網(wǎng)儲能互補這一資源協(xié)同利用潛在場景進行協(xié)調(diào)控制策略的研究。通過將系統(tǒng)劃分為3 種工作模式和5 種工況，在設備控制層中針對不同的工況為光伏、儲能、電動汽車及負荷設計多種控制方式；在協(xié)調(diào)控制層中考慮儲能荷電狀態(tài)的變化設置與電動汽車的協(xié)調(diào)控制策略，以實現(xiàn)微電網(wǎng)在不同模式及工況間的平滑切換。最后，通過仿真驗證了所提策略在提高系統(tǒng)供電可靠性的前提下，可暫緩儲能深充深放趨勢，延長儲能壽命。

1 含電動汽車的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制模式

本文所構(gòu)建的直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包含光伏、儲能、電動汽車和交直流負荷4 個部分。其中，光伏發(fā)電單元通過單向Boost 升壓電路連接于直流母線，向直流母線輸送功率；電動汽車作為隨機性設備加入可增加儲能單元調(diào)節(jié)的靈活性，它與儲能單元均通過雙向直流換流器連接于直流母線，共同維持直流母線電壓恒定；交、直流負荷分別通過單向交、直流換流器與直流母線連接，對母線功率進行消納。

圖1 直流微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)及分層控制

在協(xié)調(diào)控制層中，微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器通過對光伏發(fā)電單元出力Ppv、聯(lián)合儲能單元SOC、交直流負荷Pload_ac和Pload_dc等信息進行采集，判斷此時系統(tǒng)所處運行狀態(tài)。通過各單元信息來計算儲能單元和電動汽車所需分配的功率Pbat、Pev；當系統(tǒng)功率盈余越限時，限制光伏發(fā)電單元出力；當系統(tǒng)功率匱缺越限時，對交直流負荷中的不重要負荷和進行切除，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

通過中央控制器對各層級進行統(tǒng)一管理，根據(jù)系統(tǒng)不同運行模式，下級各變流器通常需要在多種控制模式之間進行切換調(diào)整，本文所采用的控制架構(gòu)如圖2所示。為充分利用可再生能源發(fā)電，一般光伏發(fā)電單元工作在最大功率點跟蹤模式（Maximum Power Point Tracing，MPPT）；而當光伏發(fā)電輸出功率大于系統(tǒng)中儲能和電動汽車充電及負荷所消耗的功率時，它轉(zhuǎn)換為下垂控制，以限制所發(fā)功率，保證系統(tǒng)功率平衡。儲能單元作為主控單元通常采用恒壓控制，以維持直流母線電壓恒定；當它作為從控單元時，轉(zhuǎn)換為P/Q（恒功率）控制模式。電動汽車作為儲能單元的輔助設備進行隨機性投入與切除，其工作模式與儲能單元工作模式相同。根據(jù)母線功率盈余與匱缺情況，會對交直流負荷中的不重要負荷進行投入或切除。

圖2 控制架構(gòu)圖

通常情況下，系統(tǒng)通過中央控制器與各層級間進行通信控制。而當系統(tǒng)通信出現(xiàn)故障時，中央控制器切換至本地控制，此時光伏發(fā)電、儲能和電動汽車均切換至下垂控制模式，進行自主功率分配，等待系統(tǒng)通信恢復。

2 系統(tǒng)運行模式劃分

2.1 直流微電網(wǎng)運行模式劃分

子網(wǎng)運行狀態(tài)劃分如圖3 所示。由圖3 可知，直流微電網(wǎng)運行模式以它自身盈缺功率與儲能及電動汽車群的調(diào)節(jié)能力為依據(jù)，劃分為正常、警戒及越限3 種運行狀態(tài)。

圖3 子網(wǎng)運行狀態(tài)劃分

2.2 儲能運行模式劃分

儲能SOC 是劃分其運行狀態(tài)的重要依據(jù)，如圖4所示。

圖4 儲能SOC 運行狀態(tài)劃分

圖4中將儲能單元劃分為僅充、優(yōu)充、正常、優(yōu)放及僅放5 種運行狀態(tài)。其中正常運行狀態(tài)下，儲能SOC 用Sbat表示滿足Sbat∈（b，d），此時儲能有很大的充放電容量來調(diào)節(jié)微電網(wǎng)盈缺功率，經(jīng)常處于此運行狀態(tài)下有益于直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。而當儲能SOC 超過過充或過放警戒線d 或b 時，儲能SOC 滿足Sbat∈（c，d）或Sbat∈（a，b），運行狀態(tài)切換為優(yōu)放或優(yōu)充，此時屬于警戒運行狀態(tài)，表示儲能趨近于過充過放異常狀態(tài)，應盡量避免它繼續(xù)動作。而當儲能SOC 超過過充/過放臨界線時，儲能SOC 滿足Sbat∈（d，1）或Sbat∈（0，a），運行狀態(tài)切換至僅充或僅放，屬于異常運行狀態(tài)，表示儲能出現(xiàn)過充、過放現(xiàn)象，必須盡快充電或放電以避免造成壽命損害。

2.3 電動汽車群劃分

電動汽車作為移動式交通工具，主要是滿足車主出行要求，而為了孤島運行狀態(tài)下直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性及充分利用停駛狀態(tài)下電動汽車的源荷特性，充分考慮到電動汽車V2G 行為對電池壽命的損耗，將電動汽車進行車群劃分，分批次動作，避免電動汽車深充深放。將滿足車主約束具備V2G 行為的電動車群劃分為5 個車群，其中僅充或僅放車群屬于單向充放電需求車群，應當作為電源或者負荷加入直流微電網(wǎng)，而優(yōu)充、優(yōu)放及正常充放電車群作為功率協(xié)調(diào)的主要協(xié)調(diào)單元。

2.4 系統(tǒng)運行模式劃分

直流微電網(wǎng)和儲能均有3 種運行狀態(tài)，綜合考慮這2 種因素可以獲得9 種運行工況，而根據(jù)表1 將它簡化為5 種工況，將這5 種工況整合為3 種運行模式、4 種工作情景。

表1 運行模式及工況劃分

正常運行模式下，微電網(wǎng)和儲能運行狀態(tài)均正常，此時直流微電網(wǎng)可以依靠儲能單元達到功率均衡、母線電壓穩(wěn)定的目的。

警戒運行模式下，情景二中直流微電網(wǎng)處于正常運行狀態(tài)而儲能狀態(tài)非正常，此時應當優(yōu)先處理儲能非正常狀態(tài)，避免過度使用減少儲能壽命；情景三中直流微電網(wǎng)處于警戒運行狀態(tài)，此時系統(tǒng)功率需要儲能聯(lián)合調(diào)整，維持微電網(wǎng)功率源荷平衡為首要目標，而儲能正常、警戒狀態(tài)下的2 種工況則作為聯(lián)合儲能優(yōu)先響應判斷的次要條件。

越限運行模式下，工況四中儲能單元處于異常狀態(tài)宕機而造成微電網(wǎng)功率越限；工況五則是因為微電網(wǎng)微源出力或負荷過大造成微電網(wǎng)功率越限。

3 系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略

3.1 光伏單元與負荷控制策略

為維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行，光伏發(fā)電單元有MPPT 和下垂控制2 種模式，如圖5 所示。

圖5 光伏單元控制策略

正常情況下系統(tǒng)采用MPPT 控制模式；但當出現(xiàn)所發(fā)功率可能會大于系統(tǒng)最大功率消耗時，需要限制光伏發(fā)電功率，將它切換至下垂控制模式，其公式為：

式中：Udc為直流母線電壓的數(shù)值；Udc_ref為直流母線電壓參考值；k1為下垂系數(shù)，可表示為k1=（Udc_max－Udc_min）/Pdc_pv_max；Pdc_pv_ref為光伏發(fā)電單元輸出功率的參考值；Pdc_pv為光伏發(fā)電單元輸出功率的數(shù)值。

3.2 聯(lián)合儲能控制方式及策略

3.2.1 聯(lián)合儲能控制方式

儲能單元和電動汽車構(gòu)成聯(lián)合儲能單元，共同維持直流母線電壓恒定，如圖6 所示。

圖6 聯(lián)合儲能單元控制策略

上述2 個單元在作為主控單元時工作于恒壓控制模式下，根據(jù)電池SOC 狀態(tài)和母線功率情況進行充電與放電。當作為從控單元時工作于P/Q 控制模式下。當通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障、各層級轉(zhuǎn)為本地控制時，聯(lián)合儲能單元中各設備均采取下垂控制模式，其公式為：

式中：k2為下垂系數(shù)，可表示為k2=（Udc_max－Udc_min）÷Pdc_bat_max；Pdc_bat_ref為聯(lián)合儲能單元輸出功率參考值；Pdc_bat為聯(lián)合儲能單元輸出功率的數(shù)值。

3.2.2 聯(lián)合儲能控制策略

為了迎合電動汽車大量接入微電網(wǎng)的趨勢，采用電動汽車群和儲能單元協(xié)調(diào)配合動作的聯(lián)合儲能來達到平衡直流微電網(wǎng)功率的目的。正常運行過程中，儲能單元作為主控單元負責維持直流母線電壓的穩(wěn)定；而電動汽車群作為從控單元采用P/Q 控制，在緊急時刻動作彌補缺額功率進而提高直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性。然而，深充深放不僅容易使儲能單元SOC 到達過充過放臨界值，造成宕機使微電網(wǎng)功率崩潰，也會因過度使用而損害其壽命。故儲能處于警戒狀態(tài)時，電動汽車群應替代儲能單元切換至恒壓控制維持母線電壓，這時儲能單元切換至P/Q 控制變?yōu)閺目貑卧?/p>

當儲能單元SOC 到達過充過放臨界值待機后，電動汽車群應當充當唯一的控制單元配合光伏維持母線電壓穩(wěn)定；而當儲能足以調(diào)整微電網(wǎng)盈缺功率時，電動汽車應當待機。假設系統(tǒng)通信出現(xiàn)故障時，中央控制器切換至本地控制，此時儲能單元、電動汽車及光伏應當切換至下垂控制進行自主的功率分配，以等待系統(tǒng)通信恢復。

3.3 各模式及工況下的協(xié)調(diào)控制策略

3.3.1 正常運行模式

該模式下微電網(wǎng)和儲能運行狀態(tài)均正常，光伏單元處于MPPT 控制，儲能單元處于恒壓控制，而負荷和電動汽車均待機。此時儲能單元應當吸收或消納系統(tǒng)盈缺功率，儲能分配功率的公式為：

式中：Pbat為充放電功率的數(shù)值，其值為正表示充電，為負則表示放電。

3.3.2 警戒運行模式

該模式運行下的工況二中，儲能SOC 警戒時，電動汽車群應當充當主控單元，控制方式切換至恒壓控制。如仍有功率溢出時，需儲能單元切換至P/Q 控制彌補剩余功率，否則儲能單元待機等待微電網(wǎng)盈缺功率的轉(zhuǎn)變。而儲能SOC 異常時，切換至待機模式，電動汽車以恒壓控制維持母線電壓。

該模式運行下的工況三中，儲能SOC 正常，儲能單元應當處于恒壓控制，而電動汽車處于P/Q 控制來輔助儲能單元維持系統(tǒng)功率平衡。儲能單元與電動汽車功率分配的公式為：

3.3.3 越限運行模式

該模式運行下的工況四中，儲能SOC 異常待機，而電動汽車處于恒壓控制；工況五中，直流微電網(wǎng)功率越限，超出聯(lián)合儲能調(diào)節(jié)范圍，此時儲能應當切換至恒壓控制，而電動汽車切換至P/Q 控制。2 種工況下聯(lián)合儲能均以額定功率運行，此時若微電網(wǎng)盈余越限，則光伏應當切換至限功率運行，其限制后的功率如式（2）所示；若微電網(wǎng)匱缺越限，則應當切負荷，其切除后的負荷如式（3）所示。

4 仿真驗證

本文針對直流微電網(wǎng)典型拓撲，為了驗證所提控制策略的有效性及系統(tǒng)在各個模式和工況切換過程中的平滑性，在MATLAB/Simulink 上搭建了相應的仿真模型，仿真參數(shù)如表2 所示。

表2 直流微電網(wǎng)仿真參數(shù)

4.1 將正常運行模式切換至警戒運行模式

光伏出力及負荷波動如圖7（a）所示，其中0～0.25 s 內(nèi)為正常運行模式，直流微電網(wǎng)出力小于負荷所需功率，系統(tǒng)功率匱缺，需儲能單元提供功率支撐。0.25 s 時光伏出力下降，交流負荷上升，微電網(wǎng)匱缺功率超出儲能調(diào)節(jié)范圍，切換至警戒運行模式工況三，此時需要電動汽車群作為從控單元加入來平衡功率，聯(lián)合儲能功率響應如圖7（b）所示。直流母線電壓及儲能SOC變化如圖7（c）所示，0.5 s 時儲能SOC 下降至過放警戒線，運行模式切換至工況二，此時電動汽車群代替儲能作為主控單元維持母線電壓恒定，儲能SOC 下降速度變緩。0.75 s 時儲能SOC 下降至過放臨界線，儲能單元切換至待機模式，電動汽車支撐全部功率，不過此時負荷下降，可以維持系統(tǒng)功率平衡。模式及工況切換時，圖7（c）中直流母線電壓波動小，證明控制方式可實現(xiàn)平滑切換。

圖7 不同運行模式仿真圖

4.2 模式及工況切換

光伏出力及負荷波動如圖8（a）所示（圖中虛線表示原有出力和原有負荷，實線表示限功率后的實際出力和切負荷后的實際負荷），其中0～0.1 s 內(nèi)為正常運行模式，此時直流微電網(wǎng)出力大于負荷所需功率，微電網(wǎng)功率盈余，且在儲能調(diào)整范圍以內(nèi)，由儲能單元消納。0.1 s 時光伏出力增加，負荷變小，微電網(wǎng)功率盈余越限，運行模式切換至工況五，此時光伏應當限功率運行。而聯(lián)合儲能以額定功率運行消納溢出功率，如圖8（b）所示。0.3 s 時光伏出力下降，負荷變大，微電網(wǎng)功率聯(lián)合儲能可調(diào)，運行模式切換至警戒運行模式工況三。此時儲能作為主控單元以額定功率運行承擔主要負荷，電動汽車群則支撐缺額功率。0.55 s時負荷繼續(xù)增大，微電網(wǎng)功率匱缺越限，這時需要切除7 kW 負荷，其中直流負荷切除3 kW，交流負荷切除4 kW。0.8 s 時，儲能單元SOC 下降至過放臨界線，儲能單元切換至待機模式，運行模式切換至工況四，電動汽車以額定功率運行支撐功率，多余4 kW 功率中直流負荷切除1 kW，交流負荷切除3 kW。直流母線電壓及儲能SOC 變化如圖8（c）所示，在各種模式之間平滑、穩(wěn)定切換。

圖8 模式切換仿真圖

5 結(jié)論

本文針對現(xiàn)有直流微電網(wǎng)未充分考慮儲能荷電量過度充放電問題，提出一種考慮電動汽車靈活儲能的直流微電網(wǎng)功率協(xié)調(diào)控制策略。通過理論分析和在不同模式及工況下進行仿真驗證，得到如下結(jié)論：①將儲能單元與電動汽車共同構(gòu)成聯(lián)合儲能單元，有效解決了儲能荷電量過度充放電問題，提高了系統(tǒng)供電的可靠性。②充分發(fā)揮設備控制層優(yōu)勢，針對不同模式及工況設計多種控制模式。通過仿真結(jié)果表明，在各種運行模式及切換狀態(tài)下，所提控制策略均可保證直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運行、平滑切換。