直流微电网能量控制策略的研究

2014-12-28毕大强赵润富葛宝明

电源学报 2014年1期

毕大强，赵润富，葛宝明，王珺

（1.清华大学电机系电力系统国家重点实验室，北京100084；2.北京交通大学电气工程学院，北京 100044）

引言

微电网是一种新型网络结构，是一组由微电源、负荷、储能系统和控制装置构成的系统单元。微电网是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤岛运行。随着配电系统的发展，直流微电网将比交流微电网更具优势。直流微电网中各种微型电源与直流母线的连接形式更为简单，不需考虑交流电源输出电压的频率、相位等问题，所以，系统成本和损耗将大幅减少[1]。由于无集肤效应，直流电源线提供了更强的带载能力。交流微电网存在一些复杂的问题，如分布式电源间的同步、无功功率流动、谐波电流和三相不平衡等，使得交流微电网的控制比直流微电网的控制复杂得多[2]。直流微电网的普及应用，将对人们生产、生活等方面产生深远影响。

为了使直流微电网稳定运行，一个可靠的能量管理系统是必不可少的。文献[3]分别介绍了直流微电网在并网模式和离网模式下的运行特性，利用蓄电池和超级电容两个储能元件配合工作来维持直流微电网的功率平衡，保证了系统的稳定运行。但是，在并网模式下，大电网与微电网之间始终存在着功率交换，使得微电网自给自足的优点没有充分的发挥出来。文献[4]介绍了分布式光伏发电直流型微电网的工作原理，直流微电网内设一条公共主直流母线和许多分支直流母线，并且不同供电单元分支直流母线电压值可以设置得不一样，从而增强了光伏电源和本地负荷接入的灵活性。但是，该文只允许大电网作为备份电源放电，而当微电网发电产生盈余电能时不能并入大电网，从而造成了电能的浪费。文献[5]只是介绍了直流微电网孤岛运行时的特点，没有考虑到直流微电网在并网下的控制策略，使得微电网的使用范围缩小。综合以上文献中的特点，该文提出了一种新的控制策略，结合微网系统的结构及综合控制目标，分别设计了系统在并网模式和离网模式下的光伏发电单元的控制策略。针对并网离网模式切换时系统控制方式的变化，研究了模式切换时的判断条件及切换过程的控制策略，以实现两种模式之间的平滑过渡。直流母线电压是判断直流微电网可靠性的唯一标准，不同的工作模式下由不同的变换器来维持直流母线电压的稳定。

1 系统工作模式的选择

本文设计的系统原理图如图1所示，光伏电池阵列由单向DC-DC控制，为了降低因某个光伏电池组件工作异常对整个系统的影响，并考虑到单相DC-DC输入输出电压的变化范围，本系统采用三组Boost变换器并联控制的策略，三组光伏阵列由各自的Boost变换器控制，实现最大功率跟踪，互不影响工作。锂电池的工作状态由双向DC-DC控制。当大电网正常时，直流微电网并网运行，当大电网出现故障的时候，直流微电网则将并网开关断开，进行离网控制[6]。

图1 直流微电网控制原理图

1.1 离网控制策略

在离网控制模式下，由光伏电池和锂电池配合工作，维持直流母线电压的稳定[7]。通过检测直流母线电压Uo，锂电池端电压Ur，光伏电池发出的总能量Ppv，负载需求能量Pload，可以将系统分为五个工作模式。系统中，直流母线电压额定值、电压上限、电压下限分别由Uo*、Uo_max、Uo_min表示。锂电池的过充电压、过放电压分别由Ur_max、Ur_min表示，锂电池的充放电电流由Ir表示，其中锂电池放电时电流为正值。控制流程图如图2所示。

（1）当锂电池满足 Ur_min＜Ur＜Ur_max时，光伏电池工作在MPPT模式，双向DC-DC工作在Boost模式，由双向DC-DC控制直流母线电压的稳定。

（2）当 Ur＞=Ur_max时，此时需要判断直流母线电压的大小，当直流母线电压Uo＞=Uo_max时，说明此时光伏发出的能量大于负载所需，Boost变换器转换为恒压工作模式，双向DC-DC转为稳压限流模式，即由单相DC-DC控制直流母线电压的稳定，对锂电池以一个恒定的电压进行充电。

（3）在工作模式（2）时，当负载端功率突然增加很大或者光照变弱时，以至于光伏电池发出的能量无法维持直流母线电压的稳定，当检测到Uo＜=Uo_min时，光伏电池将转换为MPPT模式，双向DC-DC转为Boost模式，重新由双向DC-DC维持直流母线电压稳定。

图2 离网模式流程图

（4）当工作模式（1）时，当检测到 Ur＜=Ur_min时，将对锂电池进行过放保护，此时将控制锂电池的放电电流，使其放电电流为0。此时，若检测到直流母线电压Uo＜=Ur_min时，说明光伏单独发出的能量已不能满足负载需求，此时需要减小负载。在这种模式下，锂电池只允许充电不允许放电。

（5）在工作模式（4）时，当锂电池充了部分电后满足 Ur_min＜Ur＜Ur_max时，系统可正常运行。

1.2 并网控制策略

在并网模式下，由大电网维持直流母线电压的稳定，光伏电池始终处于最大功率跟踪状态。在储能系统剩余容量正常时，大电网希望微电网减少与大电网的功率交换，实现微电网内部的 “自给自足”。所以，由光伏总能量与负载需求总能量的差值给锂电池进行充放电[8]，使得大电网与微电网交换的功率很小。由于在微电网系统中，负载的随机性比较大，实时检测负载功率较难，又因为光伏能量与负载能量的差值在量值上等于锂电池功率与电网功率的差值，所以，由锂电池功率与电网功率的差值来控制锂电池的充放电电流。当锂电池充电到其所允许的最大充电电压时，将控制其不充电，此时光伏发出的能量传送给大电网。当锂电池小于其所允许的最大放电电压时，将控制锂电池不放电，此时由大电网给负载供电，并且给锂电池充电到正常电压范围。为了保证当直流微电网系统从并网到离网切换时，锂电池具有一定的充放电能力，所以，在并网模式下，设定锂电池所允许的最大充放电电压比在离网模式下的设定区间要小些[3]。

2 系统控制电路的实现

2.1 离网控制原理图

当锂电池处于正常工作状态时，单向DC-DC工作在MPPT模式，双向DC-DC工作在Boost模式，即由双向DC-DC控制直流母线电压的稳定。当光伏发出的能量大于负载所需时，多余的能量就向锂电池充电。反之，由锂电池放电给负载。由此可知，电池的能量是可双向流动的，具体的控制原理图如图3所示。

当锂电池过充时，若检测到直流母线电压达到最大允许值，单向DC-DC就切换到恒压工作模式，双向DC-DC就切换到稳压限流工作模式。此时，由光伏电池维持直流母线电压的稳定，并且以一个恒定的电压给锂电池进行充电。由此可知，此时锂电池只允许充电不允许放电。具体的控制原理图如图4所示。

2.2 并网控制原理图

图3 工作模式（1）控制原理图

图4 工作模式（2）控制原理图

并网模式下，光伏电池始终处于MPPT模式，由AC-DC逆变器维持直流母线电压的稳定，由光伏总能量与负载需求总能量的差值控制锂电池的充放电，电池的能量是可双向流动的。具体的控制原理图如图5所示。

图5 并网控制原理图

3 实验验证

通过实验，验证整个系统供电的可靠性和稳定性。根据原理图搭建实验平台，使用的试验样机如图6所示，实验中所用到的参数如表1所示。实验波形中Ua、Ia分别表示电网A相的电压和电流，其中当Ia与Ua同向时代表光伏电池在给电网输送功率。

表1 直流微电网各部分组成参数

图7 给出了在并网模式下，当锂电池充满时系统的工作模式。开始时锂电池正常工作，光伏电池能量一部分给负载供电，剩余的能量给锂电池充电。在t1时刻，锂电池的端电压达到了105 V，此时将控制锂电池不再充电，光伏电池剩余的能量将输送给电网。图8是图7在t2与t3时刻之间电网电压和电流的放大波形。

图6 实验平台

图9 给出的实验波形是系统在离网与并网切换的实验波形，t1时刻，启动各个变换器工作，系统启动时有个小电流流入电网，很快便恢复到正常，流入电网电流接近于0。t2时刻，断开电网，t3时刻电网恢复到正常，由波形可看出，在离网与并网模式切换时，直流母线电压基本不变，系统稳定工作。

图10 给出了在离网模式下系统工作模式转换的仿真波形。光伏电池工作在MPPT模式，双向DC-DC工作在Boost模式，开始时，光伏电池发出的功率远大于负载需求，多余的能量向锂电池进行充电。t1时刻检测到Ur＞=112 V时，锂电池的充电电流将逐渐减少，此时迫使直流母线电压上升。当Uo＞=135 V时，光伏切换到恒压模式，双向DC-DC切换到稳压限流模式。t2时刻，突然加大负载，当前模式无法维持母线电压稳定，当Uo<=112 V时，系统更换工作模式，重新恢复到MPPT工作模式下工作。

图7 并网模式下，当电池充满时系统的工作状况

图8 并网模式下，当电池充满时光伏电池向电网输送能量时电网电压电流波形

图9 系统在离网并网切换的实验波形

图10 系统工作模式转换的实验波形

图11 给出了离网工作模式下，锂电池在欠压保护工况下的实验波形。在t1时刻，电池管理系统发出SOC过低的信号，此时将控制锂电池不再放电，由于此时Uo仍大于80 V，所以光伏电池发出的功率仍能满足负载需求，在t2时刻减少负载，光伏能量给锂电池充电。充电一段时间后(t3时刻)，电池管理系统将SOC过低标志位清零，此刻之后，锂电池和光伏电池又可以共同为负载供电，维持稳定。