基于开关表的直流微电网控制及其仿真

邓伟锋

（安徽理工大学 电气与信息工程学院，淮南 232001）

在电力行业高度发达的今天，伴随着的是高能源消耗和高污染排放，为此国内外纷纷开启用可再生能源来补充或者部分替代化石能源的“电力能源革命”。基于可再生能源兴起的微电网已经成为高效开发利用清洁能源和降低环境污染的重要途径之一[1-9]。

由于分布式电源发电周期性的波动[5]，微电源注入微电网的实时功率并不稳定。文献[9]单独针对微电网储能系统的动态特性展开研究，提出一种不含通信链路的分布式电源管理方案，直接利用直流母线电压的变化来实现电源与储能装置的通信。文献[10]提出了一种微电源、储能系统与负荷之间的协调控制方案，讨论了基于模糊开关控制的储能系统的充放电控制策略。

在此，以光伏发电系统为研究对象，提出了一种基于开关表的直流微电网母线电压控制策略，采用电压分层协调控制确保不同工况下网内有功功率平衡，实现“即插即用”功能。

1 系统结构及原理分析

直流微电网由分布式电源、各类换流器、储能系统以及负荷构成，其结构可根据实际应用场合灵活多变。图1所示为其中一种结构类型。

图1 直流微电网拓扑结构Fig.1 DC microgrid topology structure

设计了一种新型直流母线电压控制方案，以协调控制光伏电池、储能系统以及负荷，保证直流母线电压的稳定，发挥微电源的发电效率。

直流微电网中的功率平衡方程式为

式中：PPV为其注入母线的功率；Pbat为蓄电池通过双向DC/DC变换器和直流母线之间的传输功率；Pload为网内负荷通过各自换流器从母线获得的功率。当蓄电池处于充电状态时，Pbat>0，此时蓄电池相当于负载，从母线获得功率；当蓄电池处于放电状态时，Pbat<0，此时蓄电池通过放电来补偿微电网内的功率缺额，恢复母线电压稳定。

提出了一种开关表控制方式拓扑结构，如图2所示。

图2 采用开关表控制的直流微电网结构Fig.2 DC microgrid structure controlled by switch table

2 一种新的母线电压控制策略

采用电压分层协调控制确保不同工况下网内有功功率平衡，实现“即插即用”功能。以直流母线参考电压为基准值，设置4个位于该基准值两侧相对称的电压临界值，将母线电压划分成5个电压控制分区。

研究发现，相邻电压临界值的设置必须合理，如果两临界值过于靠近，则会导致系统对于扰动等因素过于敏感，造成控制器的误动作，不利于系统稳定运行；如果临界值的设置太过疏远，反而会允许母线电压的波动过大也不利于系统的稳定运行。因此，设置母线电压的临界值以母线电压偏离参考电压的5%为间隔，设置4个电压分层临界值，即VH2=110%Vdc，ref，VH1=105%Vdc，ref，VL1=95%Vdc，ref，VL2=90%Vdc，ref，图 3 为微电网母线电压分层。

图3 直流母线电压分区Fig.3 DC bus voltage partition

图3中，母线电压在各区域的工作模式如下：

处于区域1时，为正常运行状态；

处于区域2时，开启充电模式；

处于区域3时，蓄电池放电来恢复功率平衡；

处于区域4时，微网系统功率过低，为低压模式；

处于区域5时，微网内功率过高，为超压模式。

确定母线电压所处的分层区域如图4所示，利用电压分层算法确定母线电压所处的区块，输入为母线电压瞬时测量值，经过一系列数据处理转化为母线电压分区编号输出，利用DSP或者单片机技术均能实现该电压分层算法。

图4 电压分层算法流程Fig.4 Algorithm flow chart of voltage stratification

在确定母线电压所处的电压区域后，制定一份开关表，使得微电网在不同母线电压工况下能够协调控制，确定光伏电池、储能系统以及负载的工作情况，即运行开关表 （见表1），这些控制信号经PWM脉宽调制后将作用于各自相应的功率开关管上，“1”表示闭合，“0”表示断开。

表1 基于直流母线电压的开关控制表Tab.1 Switch control table based on DC bus voltage

通过对“充电模式”的过程来说明该控制策略。假设初始状态直流母线电压处于区域1，即“稳定运行”，此时5路开关状态分别为，光伏电池工作于MPPT模式，恒压控制器处于休眠状态，电池充放电控制器也处于休眠状态，负荷满载运行，此时的5路开关状态为［1 0 0 0 1］，当某一时刻直流母线电压升高，满足约束条件 105%Vdc，ref

3 试验仿真

为了验证该控制策略的可行性，图5为所搭建的开关表控制器MatLab/Simulink控制仿真模型。图6为搭建的仿真电路，仿真试验设置干扰源，模拟直流微电网的扰动因素，母线电压稳定运行时值约为670 V，仿真时间为1 s，仿真算法采用ode23s。

图5 基于开关表的母线电压控制器设计Fig.5 Design of DC bus voltage controller based on switch table

如图7和图8所示，仿真试验中，在0.47 s处设置了母线电压扰动。图7为直流微电网未采用控制器时受到外界干扰时的母线电压波动情况，由图可见母线电压的波动幅度非常大，因此对整个微电网系统冲击也比较大。

图8为直流微电网采用开关表控制器时母线电压变化情况，由图可见在0.47 s以后，母线电压并未因此产生大的波动，母线电压平稳恢复。

对比这2种方式的母线电压变化情况，可以得出，在采用了开关表控制器之后，直流微电网的抗干扰能力大大增强，另外母线电压的调节时间也缩短了。仿真结果表明该控制策略的可行性。

图6 仿真试验电路Fig.6 Simulation test circuit

图7 无控制器下母线电压曲线Fig.7 Bus voltage curve without controller

图8 开关表控制器下的母线电压曲线Fig.8 Bus voltage curve with switch table controller

4 结语

文中研究了光伏微电网的控制方式，以直流微电网母线电压稳定性为出发点，提出一种基于开关表的直流微电网母线电压控制策略，并通过MatLab仿真验证了该控制策略：①能够保证系统母线电压的稳定，控制器对扰动能够作出迅速响应，保证直流微电网快速恢复稳定运行；②通过设置合理的电压分层临界值，调整电池的充放电母线电压临界值，减少不必要的充放电次数，延长电池的工作寿命。仿真结果表明，所提出的控制策略具有可行性，增强了直流微电网的稳定性和一定的抗干扰能力。