独立直流微网能量管理控制策略

李 琰，王盼宝，张继元，王 卫

（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江 哈尔滨150001）

引言

在能源危机和环境保护的双重压力下，微网技术受到各界广泛的重视和应用。微网系统是指将分布式能源、储能单元和负荷结合在一起的电网形式，既可以并网运行，也可以运行在离网模式[1-3]。微网主要是以交流微网形式存在，但近年来直流微网发展迅速，和交流微网相比较，直流微网不需要对电压的相位频率进行跟踪，可靠性和可控性都大大提高，因此更加适合DER、储能单元与负载的接入[4]。

供电可靠性是微网稳定运行的重要指标，电压是表示直流微电网中系统功率平衡的唯一指标，因此为维持直流微网稳定运行，需要控制其电压稳定。当系统受到干扰时，直流母线电压波动应该在系统额定电压的±5%以内。而一旦电压失稳，就会引起系统保护或甩负荷动作，甚至危及电网的正常运行。因此，对直流微网的变换器，必须进行有效的控制，达到维持直流母线电压稳定的目的[5,6]。

本文以基于光伏发电的独立直流微网系统为研究对象，在维持直流母线电压稳定的基础上，针对光伏阵列与负荷之间的多种能量供需状态，提出了独立直流微网能量管理控制策略，其核心是通过检测光伏发电功率与负载所需功率，根据光伏电池和蓄电池的工作状态，控制蓄电池储能单元端与光伏侧的变换器协调工作在相应模式下，参与控制直流母线电压稳定，实现能量供需变化时直流微网的稳定高效运行。

1 系统结构及工作原理

直流微电网主要由分布式能源模块、蓄电池储能模块、输出负载模块以及交流电源模块和直流负荷组成，拓扑结构如图1所示。光伏电池的输出功率受太阳光强和温度的影响变化很大，为了储存光伏发出的能量，需要用蓄电池来存储和调节电能。当直流微网运行时，合理的能量管理和调度策略对于保障直流微网系统运行及电压稳定、实现不间断供电至关重要。

本文研究采用光伏阵列作为微源，蓄电池作为储能单元的独立直流微网系统，由光伏阵列、蓄电池、单向DC/DC变换器、双向Buck/Boost变换器及直流负载组成，其工作原理为：光伏DC/DC变换器根据能量管理系统的不同指令工作在不同模式下，在系统启动阶段、光强较弱或者负载突然增加的情况下，光伏变换器运行在最大功率点跟踪（MPPT）控制模式，此时蓄电池运行在放电状态，维持直流母线电压的稳定；当光伏阵列发出功率足够时，运行于对直流母线的恒压控制（CVC）模式下，蓄电池运行在充电状态。其核心是根据光伏阵列和蓄电池的工作状态，控制光伏DC/DC变换器和双向Buck/Boost变换器协调工作，维持直流微网系统稳态运行。

2 系统控制策略

2.1 系统工作模式

光伏DC/DC变换器的两端分别接在光伏阵列和直流母线侧，采用Boost升压变换器，将不稳定的直流电（70～120 VDC）转换成稳定的直流母线电压（150 VDC），蓄电池端采用Buck/Boost变换器用以控制储能单元的充放电。通过对光伏板、蓄电池以及直流负载工作状态的分析，将独立直流微网分为5种稳定工作模式，如表1所示，光伏板输出的功率Ppv与负载所需功率 Pload，Ibat＜0 和 Ibat＞0 代表蓄电池放电和充电情况，Ibat_max为蓄电池最大允许充电电流，Ubat_max和Ubat_min表示蓄电池的过充与过放电压，本系统设定Ubat_max=115 V，Ubat_min=85 V，根据表1，得到能量流动示意图。

直流微电网离网运行六种模式的功率分配示意图如图 2所示，其中 Pload、Pbat、Ppv分别表示负载所需功率、蓄电池储能系统输出功率、光伏发电系统输出功率。

模式一：当夜间、阴雨天长时间运行时，光伏发电系统没有足够能量提供给负载，光伏DC/DC变换器不工作，蓄电池尚未达到过放状态仍能释放能量，则由蓄电池储能单元维持负荷的正常运行，运行在CVC模式稳定直流母线。

表1 系统工作模式

模式二：光伏发电系统提供的能量小于负荷所需的能量，光伏发电系统运行在最大功率点跟踪（MPPT）模式，蓄电池未达到过放状态，仍能释放能量，蓄电池储能系统CVC运行。光伏采用MPPT控制，提高能量利用率，不足能量由蓄电池储能单元提供。

模式三：光伏发电系统提供的能量大于负荷所需的能量，且蓄电池尚有能力接受能量则进入充电状态，光伏发电系统提供能量多余负载所需以及蓄电池以最大允许充电电流充电所需能量，则光伏板运行在CVC模式，维持负荷的能量需求同时，蓄电池储能系统以最大允许充电电流充电。

模式四：光伏发电系统提供的能量大于负载所需能量，但不能满足蓄电池以最大允许电流充电，则降低充电电流的限幅值，光伏发电系统MPPT运行，蓄电池储能系统限幅充电。限幅充电值将由下面的公式推导出。

模式五：在模式三、四的基础上，光伏发电系统提供的能量满足负荷所需的能量，多余能量供给蓄电池充电，但蓄电池容量已经饱和或未达到充电条件而不具有接受多余能量的能力，则光伏发电系统CVC运行，蓄电池储能系统截止，控制过程与模式一类似。

模式六：在模式二的蓄电池CVC运行过程中，若某一段长时间太阳光照过弱，蓄电池达到过放状态而不能继续放电，而光伏发电系统不足以提供足够能量给负载，则只能选择性切负荷，光伏MPPT运行将少量能量提供给重要负载，涉及到机械动作不做详细讨论。

2.2 光伏DC/DC变换器控制策略

光伏DC/DC变换器的两端分别接在光伏阵列和直流母线侧，控制策略如图3所示，具有两种工作模式，分别是最大功率点跟踪 （maximum power point tracking，MPPT）模式以及对直流母线的恒压（CVC）控制，MPPT算法是采用最大功率跟踪法中的扰动控制观察法，光伏阵列的P-V曲线类似抛物线，具有最大功率点，最大功率跟踪就是通过检侧光伏阵列输出侧的电压电流，使系统始终工作在最大功率点附近，达到能量的最大化利用。当光伏阵列工作点在P-V特性曲线最大功率点的左侧时，输出功率随着输出电压的增加而增加；当工作点在最大功率点右侧时，输出功率随输出电压的增加而减小。由此，采集光伏阵列输出电压、电流，经过MPPT算法产生参考电压，将其与实际电压比较，并通过PI调节产生PWM调制波驱动开关管动作；模式二是当光伏阵列发出功率充足时，足以提供负载所需功率以及蓄电池充电功率，此时光伏DC/DC变换器运行于恒压控制CVC模式下，采用电压闭环控制，用以维持直流母线电压的稳定。

2.3 蓄电池储能单元充放电控制策略

蓄电池常规充电方式有恒流充电、恒压充电、恒压限流充电法。而恒压限流充电法不仅可以避免恒流充电法在充电后期的过充电，而且还可以限制恒压充电法在充电初期产生的大电流，是较为快速且实用的充电方法[7]。图4为蓄电池储能单元充电控制策略，电压环的输出经过限幅环节后，作为电流内环的给定值。充电初期电池电压较低，给定值与实际值之间的误差较大，达到限幅环节的限定值，此限定值就是恒流充电阶段的电流给定值。随着充电的持续进行，电池电压逐渐升高，外环电压的输出减小，到限幅值以下时退出恒流充电过程，开始转入恒压充电过程。充电继续进行，随着蓄电池趋于饱和，充电电流不断减小，直至蓄电池充满为止。光伏阵列发出的能量小于负载所需的能量，光伏能量不足以维持直流母线电压稳定，光伏DC/DC变换器由CVC控制切换至MPPT控制，与此同时蓄电池投入运行，工作在放电模式下，维持母线电压稳定，蓄电池放电控制策略如图5所示，储能单元通过采集直流母线电压与给定值比较，经过PI调节后产生电流幅值给定值再与蓄电池电流比较，经过电流内环的调节最终产生驱动信号。

2.4 能量流动管理

通过以上分析可知，直流微网母线电压的稳定，主要通过能量管理系统调节蓄电池充放电电流，同时调节光伏变换器工作模式，维持能量供需变化时直流微网系统的稳定运行[8]。

当光伏阵列输出功率充足，除满足负载所需功率外还有剩余，为尽可能利用光伏阵列输出的能量，提出一种新的能量管理策略：在充电初期，将最大允许充电电流值规定为蓄电池的恒流充电限幅值，光伏采用恒压CVC控制，若直流母线电压能够维持稳定，证明光伏输出能量充足，则蓄电池继续以限幅值恒流充电。若直流母线电压跌落，光伏输出功率趋于最大功率点，仍不足以维持蓄电池以最大允许电流充电，则降低充电电流限幅值。限幅值通过如下功率计算得到，即

光伏阵列输出功率不足，所提供能量无法维持负荷正常工作时，能量管理策略为：将光伏DC/DC变换器由CVC模式切换至MPPT模式，控制其发出最大功率提供给负荷，图6为光伏变换器的模式切换控制策略。与此同时，蓄电池储能单元投入运行，工作在放电状态，通过调节蓄电池输出电流稳定直流母线电压。放电过程中需要检测蓄电池的端电压和容量，防止因过放而损坏蓄电池或使其寿命降低。当蓄电池达到过放状态时便不再放电，储能单元将退出运行。

3 实验验证

为了验证本文所提出的直流微网系统的可行性及能量管理控制策略的有效性，根据上述控制原理，制作了负载功率为450 W的样机，实验系统参数如表2所示。

工作模式一下从半载加到满载，以及从满载突减到半载时的 Ubus、Ubat、Io、Ibat的实验波形如图 7 所示，从图中可以看出，蓄电池双向变换器工作在Boost升压模式，稳定直流母线电压Ubus保持恒定。

工作模式二，蓄电池储能系统CVC运行，光伏采用MPPT控制，光伏功率不满足负载所需功率，蓄电池处于放电状态，提供所缺少的能量。直流负载从半载加到满载，以及从满载突减到半载时的Ubus、Ubat、Io、Ibat的实验波形如图 8 所示。

表2 系统参数

模式三对应光伏变换器CVC控制母线电压，双向变换器处于Buck工作模式，以最大允许充电电流充电，系统正常工作。当负载从半载突加到满载时，光伏阵列的电压下降，当负载从满载突降到半载时，光伏阵列的电压升高，实验波形如图9所示。模式四是当光伏输出功率大于负载功率，但不足以维持蓄电池以最大允许充电电流充电，此时光伏以MPPT模式运行，蓄电池限幅充电，如图10所示。

当系统在模式二或者模式四状态运行时，若此时负载功率突降或者突增时，需要系统能够自主切换工作模式，调节系统的充放电流，维持系统的稳定高效运行。图11对应蓄电池由充电到放电，以及由放电到充电自然切换时的实验结果，双向变换器之间快速切换，系统保持正常工作。

直流微网系统稳定运行时，需要对系统的状态进行检测判断，在各个模式之间平滑切换，以维持直流母线电压的稳定。图12所示为系统由模式一切换至模式二时的实验波形，Ubus、Ubvt、Ppv、Ibat表示直流母线电压、光伏阵列电压、光伏输出功率、蓄电池电流。初始阶段，光伏DC/DC变换器不工作，由蓄电池单独提供负载所需能量，维持母线电压稳定，直流负载处于半载250 W左右。某一时刻光伏功率突增到150 W，小于负载所需功率，此时光伏工作在MPPT模式，缺少能量由蓄电池运行在CVC模式提供。

图13 表示系统由模式二切换至模式四时的实验结果，光伏阵列最大功率由150 W增加到360 W，此时光伏能量大于负载所需，为维持母线电压稳定，多余能量经由双向变换器工作在Buck模式注入蓄电池，此时为限流充电。光伏功率继续增大，如图14所示，光伏功率由360 W突增，此时光伏阵列发出功率不仅满足直流负载所需功率，同时满足蓄电池以最大允许充电电流充电，为保证功率平衡及母线电压稳定，此时光伏DC/DC变换器将不再是MPPT控制，转而切换为CVC控制直流母线电压，而蓄电池以最大限幅值充电，系统稳定运行。

从以上实验结果可以看出，直流微网系统在各种情况下均可正常工作，光伏阵列以及蓄电池根据不同情况进行判断并且自主切换模式，实现了整个系统的能量管理，验证了系统能量管理控制策略的正确性和有效性。

4 结论

本文针对基于光伏发电的独立直流微网系统，稳态运行时的能量供需关系，提出了一种新的能量管理控制策略，光伏DC/DC变换器根据不同光照条件，在最大功率点跟踪（MPPT）模式以及恒压（CVC）模式之间切换运行，光伏与蓄电池储能单元协调工作，直流微网系统利用蓄电池充放电抑制分布式能源输出能量的波动以及负荷突变导致的能量供需变化，同时为直流负载提供电能，维持微网系统的稳定，实现能量的双向流动。通过实验结果可以得出，光伏输出功率以及负载消耗功率变化时，直流微网系统调节迅速，过渡过程短，直流母线电压控制稳定，实验结果表明所提出的控制策略正确有效。

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